基于自感應(yīng)復(fù)合纖網(wǎng)的真空樹脂傳遞模塑成型固化過程原位監(jiān)測

摘" 要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料加工固化全過程的原位、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，以高孔隙率玻璃纖維非織造布為傳感骨架、多壁碳納米管（MWCNT）為導(dǎo)電納米顆粒，采用超聲霧化噴涂工藝，構(gòu)建了一種高擴(kuò)展的壓阻型CNT非織造復(fù)合纖網(wǎng)（C-GNS）。在復(fù)合材料真空輔助樹脂傳遞模塑（VARTM）成型固化過程中，實(shí)時(shí)采集C-GNS的電阻響應(yīng)并建立其與樹脂基體固化行為之間的量化關(guān)系。結(jié)果表明：該復(fù)合纖網(wǎng)具有纏結(jié)、松散的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能與樹脂充分浸漬，并實(shí)現(xiàn)對(duì)樹脂固化過程的關(guān)鍵相轉(zhuǎn)變點(diǎn)（固化起始點(diǎn)、凝膠點(diǎn)、完全固化）精準(zhǔn)高效地原位監(jiān)測，C-GNS的過程電阻增益因子達(dá)80%。研究結(jié)果為復(fù)合材料VARTM成型加工制造提供了一種有效的固化監(jiān)測手段，進(jìn)一步拓展了自感應(yīng)非織造復(fù)合材料的多功能應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：多功能復(fù)合纖網(wǎng)；超聲霧化噴涂；樹脂固化原位監(jiān)測；多壁碳納米管；壓阻響應(yīng)

中圖分類號(hào)：TB332

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2024）12-0020-09

DOI： 10.19398j.att.202403010

收稿日期：20230307

網(wǎng)絡(luò)出版日期：20240514

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52205426）；浙江省自然科學(xué)基金探索項(xiàng)目（TGG24E080014）；浙江理工大學(xué)科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（21212090-Y）

作者簡介：劉帥（1999—），男，山西大同人，碩士研究生，主要從事復(fù)合材料結(jié)構(gòu)功能一體化方面的研究。

通信作者：戴宏波，E-mail：hongbo@zstu.edu.cn

先進(jìn)復(fù)合材料具有高比模量、高比強(qiáng)度、耐腐蝕、抗沖擊等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航海、造船、汽車和民用工業(yè)［1-3］。樹脂傳遞模塑成型（Resin transfer molding， RTM）等液態(tài)模塑工藝因其自動(dòng)化程度高，適合加工大型結(jié)構(gòu)件備受復(fù)合材料制造業(yè)青睞［4-5］。其中，真空輔助樹脂傳遞模塑成型［6］（Vacuum assisted resin transfer molding， VARTM）通過排氣管道施加真空負(fù)壓來排除預(yù)型件中的空氣并將樹脂注入預(yù)型件，該成型工藝因近凈成型制造和低成本被廣泛應(yīng)用于風(fēng)力葉片、艦船殼體等大型成套部件的整體成型制造。VARTM的固化過程涉及熱傳遞、壓力分布、樹脂相態(tài)變化、聚合反應(yīng)等一系列復(fù)雜過程，所以固化工藝參數(shù)控制不當(dāng)，會(huì)嚴(yán)重影響樹脂交聯(lián)反應(yīng)，造成固化不均勻、不完全等問題，進(jìn)而直接影響復(fù)合材料制品的結(jié)構(gòu)性能。因此，為了保證復(fù)合材料成品質(zhì)量與可復(fù)制性，對(duì)復(fù)合材料固化過程進(jìn)行實(shí)時(shí)、原位監(jiān)測是十分必要的。

目前，一系列材料性能測試與表征手段，如差示掃描量熱法（Differential scanning calorimetry， DSC）［7-8］、旋轉(zhuǎn)流變儀［9］、傅里葉紅外光譜儀、介電分析儀（DEA）［9-10］等被廣泛應(yīng)用于樹脂固化行為的檢測與研究。然而，上述離位檢測方法僅能在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境表征熱固性樹脂固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、相變的部分特征，無法對(duì)大型復(fù)材結(jié)構(gòu)件的制造過程實(shí)施原位、實(shí)時(shí)的固化全過程監(jiān)測。此外，超聲波傳感器［8］、光纖折射儀［10］等手段雖能實(shí)現(xiàn)樹脂固化過程的原位監(jiān)測，但超聲波容易受到纖維體積的影響而產(chǎn)生大量錯(cuò)誤信號(hào)，可靠性較差；光纖類嵌入式傳感器質(zhì)脆易斷、前期布設(shè)工作耗時(shí)，而且其侵入性也不可避免地影響復(fù)合材料制品的結(jié)構(gòu)性能。

近年來，隨著納米科技的迅猛發(fā)展，一系列自感應(yīng)碳材料被發(fā)掘并應(yīng)用于材料/結(jié)構(gòu)的制造-服役過程監(jiān)測［10-11］，為構(gòu)建高性能、無損監(jiān)測傳感器提供了新的傳感介質(zhì)。Luo等［12］和Wang等［13］將還原氧化石墨烯（Reduced graphene oxide， rGO）和多壁碳納米管（MWCNT）直接噴涂到玻璃纖維表面形成纖維傳感器，并用于原位監(jiān)測環(huán)氧樹脂固化過程物化性質(zhì)變化。Luo等［14］將多個(gè)線傳感器在玻纖增強(qiáng)體中編織傳感網(wǎng)格，用于監(jiān)測樹脂浸漬和固化過程的動(dòng)態(tài)變化。Ali等［15］將rGO和MWCNT直接噴涂于整個(gè)玻纖增強(qiáng)體表面，作為導(dǎo)電感應(yīng)涂層監(jiān)測VARTM成型全過程。Dai等［16］制備了MWCNT改性非織造復(fù)合材料面狀傳感層，基于其自感應(yīng)壓阻響應(yīng)也實(shí)現(xiàn)了對(duì)VARTM成型過程的原位監(jiān)測。

本文利用超聲霧化噴涂技術(shù)，在高孔隙率玻璃纖維非織造布表面構(gòu)筑超薄、致密且均勻的MWCNT導(dǎo)電感應(yīng)涂層，并系統(tǒng)性分析其對(duì)VARTM成型工藝中樹脂固化全過程的原位、實(shí)時(shí)監(jiān)測能力，為復(fù)合材料VARTM成型過程樹脂固化監(jiān)測提供一種新方法。

1" 實(shí)驗(yàn)

1.1" 材料和設(shè)備

材料：29 g/m2 E-玻璃纖維非織造布（廣州慧銘纖維制品有限公司），MWCNT（長度10～30 μm，外徑10～20 nm）和非離子表面活性劑曲拉通X-100（南京先豐納米有限公司），超純水（實(shí)驗(yàn)室自制），雙酚F二縮水甘油醚（EPON862）和固化劑D230（常州華立克新材料有限公司）。

設(shè)備：差示掃描量熱儀DSC（METTLER/DSC3型，梅特勒托利多有限公司，瑞士），介電固化監(jiān)測儀（T-451DEA，德國林賽斯公司，德國），吉時(shí)利數(shù)字源表（Keithley 2450，美國吉時(shí)利公司，美國），超聲霧化噴涂儀（SCIENTZ-CHF-5B，云帆科技有限公司，中國），場發(fā)射掃描電子顯微鏡SEM（Ultra 55，德國蔡司公司，德國），流變儀（Physica MCR301，安東帕商貿(mào)有限公司，奧地利）。

1.2" CNT非織造復(fù)合纖網(wǎng)（C-GNS）的制備

將MWCNT、去離子水與X-100按一定質(zhì)量比混合，配制成一系列MWCNT分散液（見表1），使用行星式脫泡機(jī)以2000 rad/s的旋轉(zhuǎn)速率進(jìn)行預(yù)分散（處理5 min），再利用超聲儀（超聲功率為500 W，寧波新芝生物科技有限公司）在脈沖模式下（開3 s，關(guān)2 s），超聲分散30 min。利用超聲霧化噴涂設(shè)備將CNT分散液均勻的噴涂至玻璃纖非織造布（29 g/m2），經(jīng)100 ℃熱處理后，制得一系列具有不同MWCNT沉積量的C-GNS，如表1中所示。

1.3" 測試與表征

1.3.1" CNT非織造復(fù)合纖網(wǎng)（C-GNS）的微觀形貌表征

將樣品表面進(jìn)行噴金處理后，通過SEM觀察CNT非織造自感應(yīng)復(fù)合纖網(wǎng)的微觀形貌，掃描電壓為3 kV。

1.3.2" C-GNS 的壓阻靈敏度測試

樹脂浸漬前對(duì)預(yù)制體進(jìn)行真空壓延處理，該處理決定制品的厚度以及纖維體積分?jǐn)?shù)。因此，為獲取施加于預(yù)制體的壓力信息，通過循環(huán)真空壓延實(shí)驗(yàn)研究C-GNS的壓阻響應(yīng)靈敏度。具體實(shí)驗(yàn)方案如下：將C-GNS置于VARTM裝置中，使用Keithley 2450采集C-GNS的電阻信號(hào)變化。施加真空壓力（-98 kPa），并維持2 min，然后打開真空釋放閥，同樣維持2 min。測試一系列C-GNS在循環(huán)壓延過程中的電阻變化，并明確其壓敏系數(shù)（即單位壓力變化導(dǎo)致的電阻變化大?。?。此外，通過測試不同溫度下C-GNS的I-V曲線，擬合電阻與溫度的關(guān)系曲線，明確其電阻溫度系數(shù)（TCR，即單位溫度變化引起的相應(yīng)電阻值變化）。

1.3.3" 基于差示掃描量熱法（DSC）的環(huán)氧樹脂固化動(dòng)力學(xué)行為表征

樹脂固化階段分為非等溫和等溫固化階段，通過DSC監(jiān)測樹脂在以上兩階段中產(chǎn)生的熱流變化，測得相應(yīng)DSC曲線并計(jì)算出樹脂固化度（轉(zhuǎn)化率）隨時(shí)間的變化趨勢，見式（1）：

α=1ΔH∫t0dHdtdt（1）

式中：α為固化度；ΔH為樹脂固化放熱焓，kJ/mol。

非等溫固化實(shí)驗(yàn)在50 mL/min的氮?dú)饬魉傧逻M(jìn)行，取5～10 mg未固化樣品，并密封至鋁制坩堝中，以5、10、15、20、25 ℃/min的升溫速率，將樣品從25 ℃加熱至225 ℃。等溫固化實(shí)驗(yàn)中，依次將樣品快速升溫（50 ℃/min）至90、100、110 ℃和120 ℃（預(yù)設(shè)固化溫度），固化60 min后，快速降溫至25 ℃，再升溫至225 ℃，測得相應(yīng)DSC曲線并計(jì)算剩余反應(yīng)熱。等溫固化階段中，樹脂固化度由式（2）計(jì)算所得：

α=∫t0dHdtΔHiso+ΔHres（2）

式中：ΔHiso、ΔHres分別為等溫固化放熱焓和剩余放熱焓，kJ/mol。

1.3.4" 基于介電分析法（DEA）的環(huán)氧樹脂固化過程監(jiān)測

采用介電樹脂固化監(jiān)測儀（DEA）在線實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)氧樹脂固化過程。DEA利用梳型電極傳感器測定液態(tài)樹脂體系在固化過程中的離子粘度變化（Log Ion Visc./Ohm·cm），監(jiān)測頻率為1 kHz。

1.3.5" 環(huán)氧樹脂固化過程流變行為表征

采用帶有平行板夾具（直徑25 mm，間隙距離1 mm）的流變儀研究EPON860/D230環(huán)氧樹脂體系" 在固化過程中粘度的變化，判斷其凝膠時(shí)間，掌握其流變特性。流變實(shí)驗(yàn)參數(shù)：20～120 ℃溫控區(qū)間，升溫速率5 ℃/min，掃描頻率1 Hz、振幅0.5%。

1.3.6" 基于C-GNS的VARTM工藝固化過程原位監(jiān)測

利用銅電極和導(dǎo)電銀漿在10 cm×12 cm C-GNS兩端構(gòu)造電極。如圖1所示，在C-GNS和鋼制模具之間鋪設(shè)聚四氟乙烯薄膜絕緣層，并在C-GNS和真空袋之間放置脫模布，在進(jìn)膠口位置使用導(dǎo)流網(wǎng)來加速樹脂流動(dòng)。隨后，將環(huán)氧樹脂EPON862與固化劑D230（質(zhì)量比為3∶1）混合，真空脫泡30 min，灌注至VARTM模具。熱固化制度：從室溫升溫至120 ℃，固化90 min。使用K型貼片式熱電偶測量實(shí)時(shí)加工溫度T，Keithley 2450數(shù)字源表在10 V恒定電壓下測量C-GNS的即時(shí)電阻變化，即C-GNS電阻變化率（ΔR），計(jì)算公式如式（3）：

ΔR/%=R-R0R0×100（3）

式中：R0為C-GNS的初始電阻值，Ω；R是C-GNS在固化過程中的瞬時(shí)電阻，Ω。

2" 結(jié)果與討論

2.1" CNT非織造復(fù)合纖網(wǎng)（C-GNS）的多級(jí)化微觀形貌

本文構(gòu)筑的自感應(yīng)復(fù)合纖網(wǎng)具有一種纖維骨架（微米級(jí)）-CNT涂層（納米級(jí)）的多級(jí)化復(fù)合結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖2（a）中觀察到纖維骨架由大量無序粘結(jié)的玻璃纖維組成，且具有較高的孔隙率和尺寸穩(wěn)定性。如圖2（b）—（c）所示，經(jīng)超聲霧化噴涂處理后，該纖網(wǎng)交叉點(diǎn)與纖維表面均形成微薄且均勻的CNT涂層，尤其在纖網(wǎng)骨架厚度方向（見圖2（d））纖維均被CNT涂層完全覆蓋，形成連續(xù)互通的CNT網(wǎng)絡(luò)。固化過程中，環(huán)氧樹脂浸漬、交聯(lián)固化伴隨相轉(zhuǎn)變發(fā)生會(huì)直接影響CNT網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)電通路狀態(tài)，導(dǎo)致其產(chǎn)生即時(shí)電阻響應(yīng)［17］，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)氧樹脂固化過程的實(shí)時(shí)原位監(jiān)測。

2.2" C-GNS的壓力與溫度刺激響應(yīng)

循環(huán)真空壓延實(shí)驗(yàn)［18］測得的C-GNS電阻變化曲線如圖3（a）所示。隨著壓力變化，C-GNS表現(xiàn)出積極的瞬時(shí)電阻響應(yīng)。在-98 kPa恒定壓力時(shí)，C-GNS的電阻信號(hào)無明顯波動(dòng)，表現(xiàn)出良好的信號(hào)穩(wěn)定性。如圖3（b）所示，C-GNS壓阻靈敏度與其CNT含量的變化趨勢，C-GNS0.12（CNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%）表現(xiàn)出最高的壓阻靈敏度（約為16.77 Pa-1）。如圖3（c）—（d）所示，在40～120 ℃溫度區(qū)間內(nèi)C-GNS的強(qiáng)線性I-V特性及其電阻溫度變化關(guān)系。結(jié)果表明，C-GNS的電阻隨著溫度的升高而降低，其線性TCR為-0.003 ℃-1。

2.3" 基于DSC的環(huán)氧樹脂固化動(dòng)力學(xué)表征

2.3.1" 非等溫固化過程

環(huán)氧樹脂在不同的升溫速率下進(jìn)行非等溫固化。如圖4（a）所示，環(huán)氧樹脂固化反應(yīng)是放熱過程，放熱范圍為50～225 ℃。該過程僅有一個(gè)固化放熱峰，說明并無醚化副反應(yīng)發(fā)生。隨著升溫速率增加，放熱峰面積也隨之增加，峰值溫度向高溫移動(dòng)。如圖4（b）所示，展示了非等溫固化過程環(huán)氧體系固化度與時(shí)間的關(guān)系曲線，整個(gè)固化反應(yīng)速率是慢-快-慢的過程。固化初期，固化速率緩慢增加，樹脂體系隨著反應(yīng)的進(jìn)行轉(zhuǎn)變?yōu)槟z態(tài)。此階段，環(huán)氧樹脂體系交聯(lián)反應(yīng)加劇，釋放的熱量進(jìn)一步加速固化過程。在固化后期，當(dāng)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)基本形成，分子鏈運(yùn)動(dòng)受限以及反應(yīng)阻力增加，導(dǎo)致環(huán)氧樹脂體系的固化速率逐漸放緩［19-20］，最終趨于完全固化。

2.3.2" 等溫固化過程

溫度對(duì)于等溫固化研究是至關(guān)重要的［21］。固化溫度太低，樹脂固化不完全；溫度太高，造成反應(yīng)速率太快，導(dǎo)致溫度滯后嚴(yán)重且結(jié)果可靠性下降。因此，本文采用90、100、110 ℃和120 ℃進(jìn)行等溫固化。等溫固化DSC熱流曲線如圖5（a）所示，該樹脂體系僅有單一的放熱峰，沒有肩峰或者小峰，表明反應(yīng)體系醚化副產(chǎn)物可以忽略不計(jì)。等溫固化過程的固化度與時(shí)間的關(guān)系如圖5（b）所示。在固化初期，固化度隨著時(shí)間迅速增加，然后減慢直至達(dá)到穩(wěn)定水平。經(jīng)過對(duì)比發(fā)現(xiàn)在120 ℃下固化60 min后樹脂固化度可達(dá)1。后續(xù)樹脂固化工藝均在120 ℃條件下進(jìn)行。

2.4" 基于C-GNS電阻響應(yīng)的VARTM固化過程監(jiān)測

完成樹脂灌注后，立即從室溫加熱至120 ℃，

開始環(huán)氧樹脂固化過程。如圖6（a）所示，圖中展示了C-GNS在固化全過程中的即時(shí)壓阻響應(yīng)，其電阻增益因子約為80%。在非等溫固化階段（0～8 min），其電阻先減后增；在5.8 min達(dá)到最低值，即為固化起始點(diǎn)-C-GNS。進(jìn)膠口關(guān)閉后，真空壓力逐漸增大導(dǎo)致多級(jí)CNT網(wǎng)絡(luò)被壓縮產(chǎn)生更多CNT-CNT導(dǎo)電通路，進(jìn)而使C-GNS電阻下降。隨后，溫度升高，樹脂粘度降低，促使液態(tài)樹脂繼續(xù)浸潤C(jī)NT-纖網(wǎng)的多級(jí)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其電阻快速上升。相應(yīng)地，DEA離子粘度在非等溫固化階段呈現(xiàn)遞減趨勢（如圖6（b）所示），

是因?yàn)樯郎剡^程中低粘度樹脂中偶極子和可移動(dòng)離子的運(yùn)動(dòng)加劇導(dǎo)致離子粘度下降［22］，并在7.5 min降至最低點(diǎn)，即為固化起始點(diǎn)-DEA。如圖6（c）所示，從圖中可知樹脂在此階段的固化度僅為7%。

在120 ℃等溫固化階段（8～90 min），C-GNS表現(xiàn)出先增后減的電阻響應(yīng)（如圖6（a）所示），其電阻變化速率峰值在14.5 min，即為樹脂凝膠起始點(diǎn)-C-GNS；其電阻變化最大值在21.5 min，即為樹脂凝膠點(diǎn)-C-GNS；以上關(guān)鍵點(diǎn)也分別與流變數(shù)據(jù)在19.0、20.2 min表現(xiàn)的樹脂凝膠起始點(diǎn)-流變和凝膠點(diǎn)-流變

相近（如圖6（d）—（e）所示）。具體來講，8～21.5 min階段中C-GNS呈現(xiàn)的電阻增大趨勢由樹脂的多級(jí)浸漬過程主導(dǎo)。之后21.5～90 min，樹脂進(jìn)一步固化，其交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)密度不斷升高，并喪失浸漬流動(dòng)性，樹脂固化收縮效應(yīng)導(dǎo)致CNT網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生CNT-CNT導(dǎo)電通路，其電阻緩慢降低。相應(yīng)地，DEA離子粘度在此階段整體呈現(xiàn)增長趨勢（如圖6（b）所示），其變化速率峰值在19.8 min處，即為樹脂凝膠點(diǎn)-DEA，相應(yīng)體系粘度約為105 mPa·s（如圖6（d）所示），固化度80%（如圖6（c）所示），與文獻(xiàn)［23］結(jié)果相近。

基于C-GNS、DSC、流變和DEA方法對(duì)樹脂固化相轉(zhuǎn)變關(guān)鍵點(diǎn)的監(jiān)測/表征結(jié)果見表2，C-GNS表現(xiàn)出對(duì)樹脂固化全過程精準(zhǔn)、高效的原位監(jiān)測能力。

表2" 針對(duì)固化過程中樹脂相轉(zhuǎn)變關(guān)鍵點(diǎn)的監(jiān)測/表征實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Tab.2" Key experimental results for curing process monitoring/characterization based ondifferent methods

參數(shù)固化起始點(diǎn)凝膠起始點(diǎn)凝膠點(diǎn)

C-GNS/min5.814.521.5

DEA/min7.4—19.8

流變/min11.3（102 mPa）19.0（103 mPa）20.2（105 mPa）

DSC固化度/%77180

3" 結(jié)論

本文介紹了一種薄型、面狀CNT非織造復(fù)合纖網(wǎng)（厚度介于100～150 μm），并利用其壓阻響應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)VARTM樹脂固化過程的相轉(zhuǎn)變關(guān)鍵點(diǎn)（包括固化起始點(diǎn)、凝膠起始點(diǎn)、凝膠點(diǎn)）精準(zhǔn)、高效的原位監(jiān)測。具體結(jié)論如下：

a）室溫真空壓延過程監(jiān)測：C-GNS具有一種纖維骨架（微米級(jí)）-CNT涂層（納米級(jí)）的多級(jí)化復(fù)合結(jié)構(gòu)，在加壓-卸壓循環(huán)作用下，此多級(jí)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出優(yōu)良的可形變與重建能力，故展現(xiàn)出穩(wěn)定的壓阻響應(yīng)特性（壓敏系數(shù)為16.77 Pa-1）；此外，C-GNS表現(xiàn)出強(qiáng)線性I-V特征且其電阻隨著溫度的升高而降低（其線性TCR為0.3 ℃-1）。

b）25～120 ℃升溫階段（0～8 min）：真空壓力增大導(dǎo)致多級(jí)CNT網(wǎng)絡(luò)被壓縮產(chǎn)生CNT-CNT導(dǎo)電通路，使其電阻下降，與此同時(shí)，樹脂粘度降低，促使液態(tài)樹脂繼續(xù)浸潤多級(jí)CNT網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致其電阻快速上升；因此，在真空壓力、固化反應(yīng)、樹脂浸漬共同作用下，C-GNS的電阻表現(xiàn)出先減后增的綜合趨勢，其在5.8 min達(dá)到最低值，即為固化起始點(diǎn)-C-GNS。

c）120 ℃等溫階段（8 min以后）：8～21.5 min階段樹脂的多級(jí)浸漬繼續(xù)使C-GNS電阻快速增長；之后，樹脂加速固化，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)密度不斷升高，其固化收縮行為進(jìn)一步壓迫CNT網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生CNT-CNT導(dǎo)電通路，導(dǎo)致C-GNS電阻緩慢降低；C-GNS電阻變化速率峰值在14.5 min，即為樹脂凝膠起始點(diǎn)-C-GNS；其在21.5 min電阻變化達(dá)到最大值，即為樹脂凝膠點(diǎn)-C-GNS。相較DEA、DSC、流變表征方法，C-GNS是一種實(shí)現(xiàn)對(duì)VARTM樹脂固化全過程原位實(shí)時(shí)監(jiān)測的有效手段。

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In-situ monitoring of VARTM curing process based on self-sensing C-GNS

LIU" Shuai，" ZHONG" Zhihao，" WANG" Xinyu，" DAI" Hongbo

（1.School of Materials Science and Engineering， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China;

2.Zhejiang Provincial Innovation Center of Advanced Textile Technology （Jianhu Laboratory）， Shaoxing 312000， China）

Abstract：

Advanced composite materials are widely used in navigation， shipbuilding， automobile and civil industries because of their high specific modulus， strength， corrosion resistance and impact resistance. However， due to the limitations of manufacturing and detection technology， the superior performance of composite materials can not be fully displayed. Common liquid composite molding processes such as resin transfer molding （RTM） and vacuum assisted resin transfer molding （VARTM） encounter difficulties in the application of processing large-scale composite materials. For example， due to the lack of real-time monitoring methods， it is impossible to accurately know whether the resin in the curing process is fully cured and whether there is residual stress， which ultimately results in difficulty in ensuring product quality. In order to guarantee the quality of composite material products and the repeatability of production， it is necessary to conduct in-situ real-time monitoring of the curing process of composite materials.In this study， the ultra-thin， dense and uniform MWCNT conductive induction coating was constructed on the surface of high-porosity glass fiber nonwovens by ultrasonic atomized spraying technology， and the in-situ and real-time monitoring ability of the resin curing process in VARTM molding process was systematically analyzed. The results indicated that the C-GNS showed good response sensitivity （up to 16.77 Pa-1） in the detection process of vacuum calendering process at room temperature. In addition， the C-GNS resistor responded instantly， and could directly map the whole curing process of thermoset epoxy resin under the combined action of temperature field and pressure field and the key points （starting point of curing， starting point of gelation， gel point and complete curing） of phase transition involved in the process. Specifically， during the whole curing process， the resistance gain factor of the sensor reached up to 80%， and the real-time resistivity changes were highly consistent with the resin curing kinetic behavior measured by differential scanning calorimetry， rheology and dielectric curing. This study provides an effective curing monitoring method （C-GNS） for VARTM processing and manufac-turing， and further expands the multi-functional applications of self-sensing nanocarbon composites.

Keywords：

multifunctional composite fiber web; ultrasonic atomized spraying; resin curing monitoring; multi-walled carbon nanotubes; resistance response