权利要求
1.一种
碳纤维增强
复合材料结构模拟脱粘缺陷热阻等效试件，其特征在于包括碳纤维编织布、热阻材料及固化树脂;前述碳纤维编织布为多块并整体叠放为一体，中间层的其中一块碳纤维编织布中部预留出设定形状的缺陷空间;所述的热阻材料填充于该缺陷空间并与碳纤维编织布上、下表面保持齐平，前述的固化树脂均匀浸入于碳纤维编织布的碳纤维丝中。
2.一种权利要求1所述的碳纤维增强复合材料结构模拟脱粘缺陷热阻等效试件的制备方法，其特征在于该制备方法采用真空导流成型装置，该真空导流成型装置包括
树脂桶，内容纳有固化树脂;
树脂收集器，用于收集多余的固化树脂;
恒温干燥箱，内置有真空袋，该真空袋一端与树脂桶通过树脂输送管连接，另一端通过树脂收集管与树脂收集器连接，前述的树脂输送管上设有第一管夹以控制树脂输送管的通断，前述的树脂收集管设有第二管夹以控制树脂收集管的通断;以及
包括如下步骤：
将模具内表面均匀涂抹脱模剂;
将碳纤维编织布裁剪，准备好所需的层数，中间层的其中一块碳纤维编织布中部裁剪出设定形状的缺陷空间，作为缺陷层;
将准备好的碳纤维编织布按一定方式排列堆叠在模具内，堆叠时用定型喷胶初步定型，在缺陷空间填充热阻材料，保证热阻材料顶部和底部分别与碳纤维编织布上、下表面齐平;
将脱模布与导流网依次铺在堆叠好的碳纤维编织布的上表面;
真空袋薄膜用密封胶带贴在模具上表面的边缘并密封包裹，真空袋薄膜包裹后形成真空袋，在真空袋薄膜表面预留两个接口分别用于连接树脂输送管和树脂收集管;
打开真空泵、第一管夹和第二管夹，固化树脂由于负压作用进入模具，并均匀浸入碳纤维编织布的碳纤维丝中，多余固化树脂通过树脂收集管进入树脂收集器;
关闭第一管夹和第二管夹，以保持真空袋内的真空状态;
静置，待浸润碳纤维丝的固化树脂固化完成后取出，脱模得到碳纤维增强复合材料结构模拟脱粘缺陷热阻等效试件。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于步骤中所述脱模布与导流网之间铺设有隔离膜。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于步骤中所述的模具为不锈钢材质，所述的脱模剂为油性脱模剂。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于步骤中所述的定型喷胶为3M公司的Super 77多用途喷胶或固尔奇998复合材料胶。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于步骤中所述的固化树脂包括如下组分及其重量配比：
环氧树脂 98~102：
固化剂 28~32。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于步骤静置过程中条件如下：
控制恒温干燥箱，使其按2℃/min的速度上升到70℃，保温时间设置为4h，待浸润碳纤维丝的环氧树脂固化完成后，自然降温至30℃时取出脱模。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述的树脂收集器上设有真空表，步骤之前还包括气密性验证步骤：打开真空泵一段时间后关闭，静置观察真空表的读数，以验证真空导流成型装置的气密性。
9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述真空泵与树脂收集器的抽气端通过真空管连接。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及一种模拟缺陷的等效试件，应用于碳纤维增强复合材料材料的缺陷检测和评估，本发明还涉及等效试件的制备方法。
背景技术
[0002]碳纤维增强复合材料(CFRP)是一种由各向异性的碳纤维和基体组成的复合材料，因其具备轻质、高比强度、高比模量、耐腐蚀、低热膨胀以及优良的抗疲劳性能等特性，广泛应用于风力发电机叶片、直升机旋翼、无人机外壳、高压管道和医疗器械等重要工程领域。然而，碳纤维增强复合材料的制造过程复杂，任何阶段的缺陷都可能影响最终性能。在使用过程中，这些微小缺陷可能受到外部荷载的作用而扩展，进而导致脱粘等问题，极大降低材料的结构强度，甚至可能引发严重的工程安全事故。因此，在碳纤维增强复合材料的生命周期内，及时识别和评估这些潜在故障，能够有效减少安全隐患并降低维修成本。因而利用合适的无损非接触检测技术对碳纤维增强复合材料结构脱粘缺陷进行检测非常必要。主动红外热像技术主动对被测试件施加可控热激励，当试件表面或内部存在损伤时，将导致此处的热传导性能发生改变，进而使得被测试件表面出现温度差异，产生局部的热区或冷区。利用红外热像仪记录试件表面温度，通过分析处理获得的热图像序列，实现物体表面或内部缺陷的定性和定量表征。红外热成像技术可视化，直观的检测效果以及单次大面积检测使其有着广泛的应用前景。
[0003]同时，脱粘缺陷相当于内部缺陷空间被空气填充，由于分层缺陷空间与正常区域热传导性质不同，通过对试样进行热激励，通过观察热传导的异常反映碳纤维增强复合材料的损伤缺陷非常直观可靠。由于在碳纤维增强复合材料结构试件中制备模拟脱粘缺陷尚未有较佳的方法，大多数都以背面加工平底孔模拟材料表面下的脱粘缺陷，或者在背面加工盲孔放入薄膜热阻材料后，以加工出的碳纤维圆柱体填充背部空隙。以这些方法来代替真实的纤维层内部的脱粘缺陷，这些方法制备的脱粘缺陷在几何形态和热传导性能上与真实的缺陷有着明显的差异。这种差异会使温差相差较大(改变热波在试件中的传递流向，在一定程度上影响了碳纤维增强复合材料结构模拟脱粘缺陷红外热波无损检测试验结果)，且不符合工程的实际情况。以这种试样得出的实验结果可能不足以指导实际生产检测。
发明内容
[0004]本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述的技术现状而提供一种热波在试件中的传递流向与真实情况更加逼近的碳纤维增强复合材料结构模拟脱粘缺陷热阻等效试件。
[0005]本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种热波在试件中的传递流向与真实情况更加逼近的碳纤维增强复合材料结构模拟脱粘缺陷热阻等效试件的制备方法。
[0006]本发明所要解决的第三个技术问题是提供一种制作简单且成本较低的碳纤维增强复合材料结构模拟脱粘缺陷热阻等效试件的制备方法。
[0007]本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种碳纤维增强复合材料结构模拟脱粘缺陷热阻等效试件，其特征在于包括碳纤维编织布、热阻材料及固化树脂;前述碳纤维编织布为多块并整体叠放为一体，中间层的其中一块碳纤维编织布中部预留出设定形状的缺陷空间;所述的热阻材料填充于该缺陷空间并与碳纤维编织布上、下表面保持齐平，前述的固化树脂均匀浸入于碳纤维编织布的碳纤维丝中。
[0008]本发明解决上述第二个和第三个技术问题所采用的技术方案为：一种碳纤维增强复合材料结构模拟脱粘缺陷热阻等效试件的制备方法，其特征在于该制备方法采用真空导流成型装置，该真空导流成型装置包括
树脂桶，内容纳有固化树脂;
树脂收集器，用于收集多余的固化树脂;
恒温干燥箱，内置有真空袋，该真空袋一端与树脂桶通过树脂输送管连接，另一端通过树脂收集管与树脂收集器连接，前述的树脂输送管上设有第一管夹以控制树脂输送管的通断，前述的树脂收集管设有第二管夹以控制树脂收集管的通断;以及
真空泵，与前述树脂收集器的抽气端连接;
包括如下步骤：
将模具内表面均匀涂抹脱模剂;
将碳纤维编织布裁剪，准备好所需的层数，中间层的其中一块碳纤维编织布中部裁剪出设定形状的缺陷空间，作为缺陷层;
将准备好的碳纤维编织布按一定方式排列堆叠在模具内，堆叠时用定型喷胶初步定型，在缺陷空间填充热阻材料，保证热阻材料顶部和底部分别与碳纤维编织布上、下表面齐平;
将脱模布与导流网依次铺在堆叠好的碳纤维编织布的上表面;
真空袋薄膜用密封胶带贴在模具上表面的边缘并密封包裹，真空袋薄膜包裹后形成真空袋，在真空袋薄膜表面预留两个接口分别用于连接树脂输送管和树脂收集管;
打开真空泵、第一管夹和第二管夹，固化树脂由于负压作用进入模具，并均匀浸入碳纤维编织布的碳纤维丝中，多余固化树脂通过树脂收集管进入树脂收集器;
关闭第一管夹和第二管夹，以保持真空袋内的真空状态;
静置，待浸润碳纤维丝的固化树脂固化完成后取出，脱模得到碳纤维增强复合材料结构模拟脱粘缺陷热阻等效试件。
[0009]作为优选，步骤中所述脱模布与导流网之间铺设有隔离膜。
[0010]作为优选，步骤中所述的模具为不锈钢材质，所述的脱模剂为油性脱模剂。
[0011]作为优选，步骤中所述的定型喷胶为3M公司的Super 77多用途喷胶或固尔奇998复合材料胶。
[0012]作为优选，步骤中所述的固化树脂包括如下组分及其重量配比：
环氧树脂98~102：
固化剂28~32。
[0013]作为优选，所述的树脂收集器上设有真空表，步骤之前还包括气密性验证步骤：打开真空泵一段时间后关闭，静置观察真空表的读数，以验证真空导流成型装置的气密性。
[0014]作为优选，步骤静置过程中条件如下：
控制恒温干燥箱使其按2℃/min的速度上升到70℃，保温时间设置为4h，待浸润碳纤维丝的环氧树脂固化完成后，自然降温至30℃时取出脱模。
[0015]进一步，所述真空泵与树脂收集器的抽气端通过真空管连接。
[0016]与现有技术相比，本发明的优点在于：碳纤维编织布之间添加热阻材料模拟真实碳纤维增强复合材料脱粘的内部空气缺陷，这样模拟脱粘缺陷热阻等效试件从结构上看更加接近真实脱粘缺陷，因此试验效果更加接近真实值。通过CT扫描内部的结果表明本发明的脱粘符合真实情况。
[0017]根据热阻材料的大小和体积以及填充层的深度控制缺陷的位置和尺寸，并且可以根据需求通过改变每层碳纤维编织布排列方向，制作具有不同类型的碳纤维增强复合材料，且热波在被测试件中的热传导与真实情况相似。
[0018]本发明采用的简化、改进的真空导流成型法来制作构模拟脱粘缺陷热阻等效试件，相比于模压成型法与热压罐成型法，真空导流成型法可以制作复杂结构的碳纤维增强复合材料零部件，所需设备简单、成本低，在普通实验室条件下即可制备。模压成型法一般需要强度足够高的钢材等，这类材料制作复杂结构的零部件较为困难的，真空导流法所用的模具材料只需要承受真空压力即可，因此相较于模压成型法对模具的材料要求低。
[0019]试验证明本发明的界面热阻等效方法应用在碳纤维增强复合材料脱粘及其他类型缺陷的检测效果中具有良好的效果。
附图说明
[0020]图1为实施例1中真空导流成型装置结构示意图。
[0021]图2为实施例1中真空袋内具体结构示意图。
[0022]图3为实施例1中脱模后试样的结构示意图。
[0023]图4为实施例1中试样的红外热成像检测到的试样表面温度热图。
[0024]图5为实施例2中试样的红外热成像检测到的试样表面温度热图。
[0025]图6为实施例2中试样CT结果三维图。
[0026]图7为实施例2中试样CT结果内部剖面图。
具体实施方式
[0027]以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
[0028]实施例1(缺陷深度距表面约为1.5mm)：
本实施例采用真空导流成型工艺来制备，如图1所示，真空导流成型装置包括树脂桶1、树脂收集器6、恒温干燥箱2及真空泵7，树脂桶1内容纳有固化树脂;树脂收集器6用于收集多余的固化树脂，树脂收集器6上设有真空表61;恒温干燥箱2内置有真空袋，该真空袋一端与树脂桶1通过树脂输送管4连接，另一端通过树脂收集管5与树脂收集器6连接，树脂输送管4上设有第一管夹41以控制树脂输送管4的通断，树脂收集管5设有第二管夹51以控制树脂收集管5的通断;真空泵7与树脂收集器6的抽气端通过真空管71连接。
[0029]用无纺布蘸取适量酒精擦拭不锈钢材质的模具，模具内凹槽尺寸为100*100*3mm，上表面留有50mm宽的连接面;
待酒精挥发后用油性脱模剂均匀喷涂模具内表面;
按尺寸裁剪出20块同等尺寸的100*100mm的双向编织碳纤维编织布(单层厚度约为0.15mm)，并将其中的一块正中心位置裁剪出15*15mm的正方形孔洞，称量出碳纤维编织布的总重量，并记录(本次实验碳纤维重量为37.35g);
将裁剪好的20层双向编织碳纤维编织布按[0°，45°，-45°，90°]的排列方向根据顺序循环铺叠摆放于模具中，每铺叠一层均需用定型喷胶均匀喷涂定型，第11层用裁剪出15*15mm孔洞的碳纤维编织布铺叠，并将同等大小厚度的热阻材料(15*15mm)填充入缺陷处，确保此薄膜与第11层碳纤维编织布上、下表面平齐，其它层正常排列。
[0030]裁剪120*120mm大小的脱模布、带孔的隔离膜与导流网(尺寸略大于碳纤维编织布尺寸即可)，在铺叠好的碳纤维编织布上方，按从下到上的顺序依次摆放脱模布，带孔的隔离膜，导流网。
[0031]将密封胶带(双面胶)贴于模具连接面四周边缘，确保不留空隙。
[0032]裁剪比模具上表面尺寸略大的真空袋，将其通过真空胶带的粘性牢牢贴附于模具上表面，留出两接口，并用力挤压真空胶带与真空袋薄膜的粘接处，确保密封完全。
[0033]将贴附好真空袋薄膜的模具放入恒温干燥箱，将真空袋薄膜预留的两个接口连接两条硅胶软管，硅胶软管从恒温干燥箱顶部的通气孔引出。其中一条树脂收集管连接树脂收集器的树脂收集接口，另一条树脂输送管暂时用第一管夹夹紧密封。增设真空管连接树脂收集器的抽真空接口与真空泵。树脂收集器的作用是收集多余的树脂，防止树脂被吸入真空泵中。
[0034]如图2所示，碳纤维增强复合材料试样9上覆盖有脱模布85，真空袋薄膜81内侧自上而下依次有导流网83、隔离膜84，真空袋模81与模具10的连接面通过密封胶带82密封连接从而形成真空袋。
[0035]验证装置的气密性：打开真空泵(极限真空压力700mmHg≈0.093Mpa)，一分钟后观察真空表的读数并记录，随后用第二管夹夹夹紧密封树脂收集管，关闭真空泵。20分钟后读取真空表的读数。前后两次观察到的真空表的读数相同(约为-0.093Mpa)，则证明装置气密性良好。
[0036]调配固化树脂：将环氧树脂与固化剂按10:3的重量比例调配(确保树脂量充足，需大于碳纤维重量的两倍，本次实验调配总重为80g，)，充分搅拌两分钟使环氧树脂与固化剂混合充分，将树脂输送管浸入固化树脂的液面以下。
[0037]真空导流：打开真空泵、第一管夹和第二管夹，固化树脂将由于负压作用通过树脂输送管进入模具，并均匀浸入碳纤维编织布的碳纤维丝中，多余树脂通过树脂收集管进入树脂收集器。90秒后按顺序关闭第一管夹和第二管夹，保持袋内的真空状态，最后关闭真空泵。
[0038]加热固化树脂：打开恒温干燥箱电源以2℃/min的速度上升到70℃，保温时间设置为4h，待浸润碳纤维丝的环氧树脂固化完成后，自然降温至30℃时取出脱模，得到碳纤维增强复合材料试样。
[0039]参考图3所示，碳纤维增强复合材料试样9包括碳纤维编织布91、热阻材料92及固化树脂;多块碳纤维编织布91整体叠放为一体，中间层的其中一块碳纤维编织布中部预留出设定形状的缺陷空间;热阻材料92填充于该缺陷空间并与碳纤维编织布上、下表面保持齐平，固化树脂均匀浸入于碳纤维编织布的碳纤维丝中。本实施例中的热阻材料92可以采用聚四氟乙烯薄膜。
[0040]计算试样树脂含量：将得到碳纤维增强复合材料试样称重并记录(本次实验测得重量为56.72g)，通过先前称量的碳纤维编织布的重量(37.35g)，得到本次试样的材料参数：碳纤维含量约为65.85%，环氧树脂的含量约为34.15%。
[0041]图4为实施例1中获得的试样红外热成像检测到的试样表面温度热图。
[0042]实施例2(缺陷深度距表面约为2.4mm)：
本实施例采用真空导流成型工艺来制备，真空导流成型装置参考实施例1。
[0043]用无纺布蘸取适量酒精擦拭不锈钢材质的模具，模具内凹槽尺寸为100*100*4mm，上表面留有50mm宽的连接面;
待酒精挥发后用油性脱模剂均匀喷涂模具内表面;
按尺寸裁剪出26块同等尺寸的100*100mm的双向编织碳纤维编织布(单层厚度约为0.15mm)，并将其中的一块正中心位置裁剪出20*20mm的正方形孔洞，称量出碳纤维编织布的总重量，并记录(本次实验碳纤维重量为48.56g);
将裁剪好的26层双向编织碳纤维编织布按[0°，90°，-90°，0°]的排列方向根据顺序循环铺叠摆放于模具中，每铺叠一层均需用定型喷胶均匀喷涂定型，第11层用裁剪出20*20mm孔洞的碳纤维编织布铺叠，并将同等大小厚度的聚四氟乙烯薄膜材料(20*20mm)填充入缺陷处，确保此薄膜与第11层碳纤维编织布上、下表面平齐，其它层正常排列。
[0044]裁剪120*120mm大小的脱模布、带孔的隔离膜与导流网(尺寸略大于碳纤维编织布尺寸即可)，在铺叠好的碳纤维编织布上方，按从下到上的顺序依次摆放脱模布，带孔的隔离膜，导流网。
[0045]将密封胶带贴于模具连接面四周边缘，确保不留空隙。
[0046]裁剪比模具上表面尺寸略大的真空袋，将其通过真空胶带的粘性牢牢贴附于模具上表面，留出两接口，并用力挤压密封胶带与真空袋薄膜的粘接处，确保密封完全。
[0047]将贴附好真空袋薄膜的模具放入恒温干燥箱，将真空袋薄膜预留的两个接口连接两条硅胶软管，硅胶软管从恒温干燥箱顶部的通气孔引出。其中一条树脂收集管连接树脂收集器的树脂收集接口，另一条树脂输送管暂时用第一管夹夹紧密封。增设真空管连接树脂收集器的抽真空接口与真空泵。树脂收集器的作用是收集多余的树脂，防止树脂被吸入真空泵中。
[0048]验证装置的气密性：打开真空泵(极限真空压力700mmHg≈0.093Mpa)，一分钟后观察真空表的读数并记录，随后用第二管夹夹夹紧密封树脂收集管，关闭真空泵。20分钟后读取真空表的读数。前后两次观察到的真空表的读数相同(约为-0.093Mpa)，则证明装置气密性良好。
[0049]调配固化树脂：将环氧树脂与固化剂按10:3的重量比例调配(确保树脂量充足，需大于碳纤维重量的两倍，本次实验调配总重为100g，)，充分搅拌两分钟使环氧树脂与固化剂混合充分，将树脂输送管浸入固化树脂的液面以下。
[0050]真空导流：打开真空泵、第一管夹和第二管夹，固化树脂将由于负压作用通过树脂输送管进入模具，并均匀浸入碳纤维编织布的碳纤维丝中，多余树脂通过树脂收集管进入树脂收集器。120秒后按顺序关闭第一管夹和第二管夹，保持袋内的真空状态，最后关闭真空泵。
[0051]加热固化树脂：打开恒温干燥箱电源以2℃/min的速度上升到70℃，保温时间设置为4h，待浸润碳纤维丝的环氧树脂固化完成后，自然降温至30℃左右取出脱模，得到碳纤维增强复合材料试样。试样内部结构可以参考实施例1。
[0052]计算试样树脂含量：将得到碳纤维增强复合材料试样称重并记录(本次实验测得重量为71.26g)，通过先前称量的碳纤维编织布的重量(48.56g)，得到本次试样的材料参数：碳纤维含量约为68.14%，环氧树脂的含量约为31.86%。
[0053]图5为实施例2试样的红外热成像检测到的试样表面温度热图，图6为实施例2试样CT结果三维图，图7为实施例2试样CT结果内部剖面图。
[0054]实施例1和实施例2中油性脱模剂可以采用沃克森(东莞)
新材料有限公司的710油性脱模剂。定型喷胶可以采用3M公司的Super 77多用途喷胶或广东固尔奇气雾剂新能源科技有限公司生成的固尔奇998复合材料胶。环氧树脂和固化剂可以分别采用昆山久力美电子材料有限公司生成的GCC135环氧树脂(M03-A/B环氧树脂胶)与GCC137固化剂(固化剂137)，这种固化树脂为热固性环氧树脂树脂，加热后得到的试样性能较佳。
说明书附图(7)
声明：
“碳纤维增强复合材料结构模拟脱粘缺陷热阻等效试件及其制备方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色网
来源：宁波大学
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2025年04月24日 ~ 27日 
