פתילה ומבחני בדים חד-כיווניים: מדידות של פרמטרים נימי להערכת לחץ נימים בתהליכי דפוס Composite הנוזל

Summary

שיטה ניסיונית למדוד פרמטרים גיאומטריים זוויות קשר לקידום לכאורה המתאר נימי פתילה ב סינתטי חד כיווני ובדים טבעיים מוצעת. פרמטרים אלה הם חובה עבור קביעת הלחצים נימי כי חייב להילקח בחשבון עבור יישומי דפוס מרוכבים נוזליים (LCM).

Abstract

במהלך ההספגה של חיזוק סיבי ב דפוס מרוכבים נוזליים (LCM) תהליכים, תופעות נימים צריכות להיות מובנות על מנת לזהות את השפיע על היווצרות חלל חלקים מורכבים. פתילה בתווך סיבי מתואר על ידי משוואת וושבורן נחשבת שווה ערך ל תזרים תחת השפעת לחץ נימים פי החוק דארסי. בדיקות ניסיון לאפיון של פתילה נערכו בשני החיזוק הסיבי פחמן פשתן. בדי Quasi-חד כיווניים אז נבדקו באמצעות tensiometer מנת לקבוע את הפרמטרים מורפולוגיים הרטבה לאורך כיוון הסיבים. ההליך הוצג להיות מבטיח כאשר המורפולוגיה של הבד היא ללא שינוי במהלך הפתילה נימי. במקרה של בדי פחמן, לחץ הנימים ניתן לחשב. סיבי פשתן רגישים וספיחה לחות להתנפח במים. לתופעה זו יש להילקח בחשבון כדי להעריך את הפרמטרים הרטבה. אניn כדי להפוך סיבים פחות רגישים וספיחת מים, טיפול תרמי בוצע על תגבורת פשתן. טיפול זה משפר יציבות מורפולוגית סיבים מונע נפיחות במים. זה היה הראה כי המטופלים יש בדי מגמת פתילה ליניארי דומה לאלה שנמצאו בבדי פחמן, המאפשרים קביעת לחץ נימים.

Introduction

במהלך ההספגה של תגבורת סיבית ב דפוס מרוכבים נוזליים (LSM) תהליכים, זרימת השרף הוא מונע על ידי פרש לחצים. יש תופעות נימי אפקט נוסף שיכול להתחרות עם הפרש לחצים, בהתאם לפרמטרים התהליך. השפעתם על התהליך ולכן יש לעבור הערכה ^{1, 2.} ניתן לעשות זאת על ידי הגדרת לחץ נימים לכאורה, _כובע P, שינוי שיפוע הלחץ הראשוני ^3. פרמטר זה ובהמשך עשוי להיות מוכנס לתוך מודלים מספריים כדי לדמות תזרימי במהלך תהליכים לחזות היווצרות חלל במדויק ^4.

ההספגה הספונטנית של בד על ידי נוזל (פתילה) יכולה להיות מתוארת על ידי המשוואה וושבורן ^5. במקור, משוואת וושבורן תארה את תופעת הנימים של נוזל בתוך שפופרת. ווה משוואה זוים אז הוארך מבנים נקבוביים, כגון תגבורת סיבית, כי יכול להיות מקורבת לרשת צינור נימים. בהתחשב בעל מדגם גלילי עם רדיוס, R, מלא מדיום נקבובי, משוואת וושבורן שונה בצורה להשיג מסת בריבוע (מ"ר (t)) לאורך זמן, כדלקמן ^6:

(1)

כאשר c הוא פרמטר הלוקח בחשבון tortuosity, R הוא הרדיוס הנקבובי הממוצע, ו ε = 1-V _f הוא נקבובי (V _f להיות יחס נפח סיבים). כל הפרמטרים בסוגריים המרובעים להדאיג את המורפולוגיה ותצורה של המדיום הנקבובי, והם יכולים להיות מאוחדים לתוך קבוע, C, המכונה "גורם בינוני הגיאומטריות נקבוביות." הפרמטרים האחרים לבטא את תלות של פתילה על האינטראקציות בין המדיום ואת הנוזלים (דרך ρ, η, ו- _L γ, אשר הן, בהתאמה, צפיפות, צמיגות, ומתח הפנים של הנוזל, _{ובאמצעות} θ, בזווית המגע המתקדם לכאורה).

במקביל, את הזרימה דרך מדיום נקבובי בדרך כלל היא מודל עם החוק דארסי הידוע ^7, אשר מספר על מהירות נוזל שווה ערך, v _D, עד הטיפה לחץ באמצעות החדירות של המדיום, K, ואת צמיגות הנוזל, η . משוואה זו מאפשרת גם על מנת לתת ביטוי ברווח ההמוני על פני שורש הריבועי של זמן ובמסגרת זו על פי שיקול דעתם של השקילות בין שתי המשוואות. מ שקילות זו בין המשוואה וושבורן ואת דארסי החוק, לחץ הנימים הוגדר אז כדלקמן ^8:

> (2)

כאן, הדגש העיקרי הוא לתאר את הליך הניסוי למדידת גורמים הגיאומטריים ואת זוויות מגע לקידום לכאורה בדים חד כיווני, במטרה לקבוע את לחץ הנימים. שיטה זו מסתמכת על שימוש tensiometer לבצע בדיקות פתילה (איור 1). Tensiometer הוא microbalance עם רזולוציה של 10 מיקרוגרם המודד את מסת הנוזל או להרכיב המניסקוס סביב מוצק או עולה מדיום סיבי. בדיקות פתילה בוצעו בהתחשב אפיון חד ממדי (כיוון לאורך הסיבי) ^{8, 9.} בדים Quasi-חד כיווני המשמש לאימות הנוהל פחמן-כיוונית חד (א.ד.) בדים בכל _f V = 40%. לאחר השיטה קיבלה תוקף, בדים פשתן הוגשו חולצת טיפול תרמיכובע משנה את התנהגות ההרטבה של סיבים ^6, ובדיקות פתילה בוצעו עם יחס נפח סיבים שונה (מ -30% ל -40%) היא בדי פשתן מטופל ומטופל. כדי לקבוע פרמטרים מורפולוגיים הרטבה, לפחות שתי בדיקות הפתילה הם שדות חובה: האחד עם נוזל לחלוטין להרטיב, כמו n-הקסאן, כדי לקבוע C (משוואה 1), והשני עם הנוזל של עניין, כדי לקבוע זווית המגע המתקדם לכאורה פעם C ידוע. לפי הגישה הראשונה, מים היה בשימוש כדי להעריך את ההליך.

בשיטה זו ניתן להחיל בדים ונוזלים שונים, המאפשר הערכה של השפעת הגיאומטריה חומר (מורפולוגיה של בדים), נקבוביות (יחסי נפח סיבים שונים), ואת צמיגות מתח הפנים של הנוזל על תופעות הספגה נימי. ברור כי ההליך על פי התיאוריה וושבורן (משוואה 1) ניתן לאמץ רק אם מ"ק הפתילהrves (מ"ר (t)) שרשמה tensiometer יש מגמה ליניארי. משמעות הדבר היא כי הפרמטרים במשוואה 1 חייבים להישאר קבועים במהלך תהליך הפתילה כולו. אם זה לא המקרה, כפי תגבורת פשתן במים, בגלל הסיבים עוברים נפיחות ^{10, 11,} המשוואה וושבורן צריך להיות שונה כדי לכלול את השפעת נפיחות על מנת לתאר את בדיקות ⁹ כראוי. בדים שטופלו נמצאו פחות רגיש וספיחת מים ^9. גורמים גיאומטריים ופרמטרי הרטבה יכולים להימדד מתאימים ליניארי, המאפשרים חישוב לחץ הנימים, _{כובע P.}

Protocol

זהירות: התייעץ כל גיליונות נתוני בטיחות חומרים רלוונטיים. כימיקלים המשמשים את המבחנים הם רעילים ומסרטנים. השתמש בציוד מגן אישי (משקפי מגן, כפפות, חלוק, מכנסיים באורך מלא, ונעליים סגורות).

התקנת 1. עבור בדיקות

1. הכנת דוגמאות
   1. חותכים רצועות בד לאורך בכיוון הניצב הסיבים (על מנת לבדוק הפתילה בכיוון הסיבים).
      הערה: האורכים של הרצועות מחושבים על מנת לקבל יחס סיבי נפח מוגדר. עבור בדי פחמן, להשיג V _f = 40%, אורך הרצועות היה 150 מ"מ. עבור פשתן מטופל ומטופל, כדי להשיג את אותה V _f, האורך היה 365 מ"מ. רוחב כל רצועה יהיה שווה לגובה של בעל מדגם, המהווה 20 מ"מ (איור 1).
   2. מגלגלים את פסי בחוזקה כדי לאפשר החדרת שלהם לתוך מחזיק מדגם גלילי של R </ Em> = 6 מ"מ.
   3. הוספת מסנן נייר דק בין בעל מדגם ואת תגבורת המדגם (כדי לדכא את ההשפעה של בעל מדגם על הפתילה). העובי המרבי של מסנן נייר צריך להיות 0.1 מ"מ.
   4. הכנס את המדגם לתוך הצילינדר לדפוק את הכובע קדח בתחתית ואת הבוכנה בראש כדי להבטיח דחיסה.
   5. קלאמפ בעל המדגם עם הבד אל tensiometer.
2. הכנת נוזלים
   1. למלא כלי הבדיקה הנוזלית ולמקם אותו לתוך כלי הקיבול הספציפיים של tensiometer. השתמש כלי זכוכית בורוסיליקט בקוטר של 70 מ"מ.
   2. עבור המבחן הראשון (שלב 2.1), השתמש n-הקסאן. עבור המבחן השני (שלב 2.3), להשתמש במים. ודא כי נוזל בתוך הכלי מגיע לגובה של 12 מ"מ לפחות.
3. פרמטרים הניסיונות
   1. הגדר את סף זיהוי השטח עד 8 מ"ג ואת Translaמהירות tion של כלי נוזלי 0.5 מ"מ / s לגילוי של הנוזל.

2. בדיקות פתילה

הערה: לאחר הכנת דגימות ואת ההתקנה של פרמטרי tensiometer, בדיקות הפתילה יכולות להתחיל. ספינת הנוזל נעה מעלה עד שהנוזלים במגע עם בעל המדגם. לאחר מכן, הנוזל עולה לתוך מחזיק מדגם, ואת tensiometer מודד את רווח מסת נוזל בריבוע לאורך זמן. נתונים מתועדים על ידי התוכנה המסופקת עם tensiometer. עקומת מסה אחת נגד הזמן הוא מדמיין אז עבור כל בדיקת פתילה.

1. בדיקה ראשונית לקביעת הגורם הגיאומטרי:
   1. השתמש נוזלי לגמרי-הרטבה (עבורו את זווית המגע היא 0 °), כגון n-הקסאן.
   2. עצור את בדיקת הפתילה כאשר העקומה מדמיין משיגה ערך קבוע. זה מצביע על כך הנוזל הגיע החלק העליון של בעל המדגם ולכך הפתילה הושלמה.
   (מ ^'2 (t)) עם המשוואה וושבורן:
   (3)
   מאז זווית המגע המתקדמת אמורה 0 ° עם n-הקסאן, מן המדרון של התאמה ליניארית, לקבוע את הקבוע הגיאומטרי, C (מ"מ ^5).
   הערה: כל הבדיקות בוצעו בתנאים סטנדרטיים על 20 מעלות צלזיוס. שינוי הטמפרטורה יהיה לשנות את מתח הפנים נוזלי והתוצאות.
2. ניקוי של בעל מדגם עבור הבדיקות הבאות
   הערה: לאחר הסרת הבד הרטוב, בעל המדגם יש לנקות היטב כדי למנוע טעויות המדידות הבאות.
   1. לטבול את בעל מדגם בתוך סיר עם חומצה sulfochromic (50% מהון המניות של תמיסה רוויה של dichromate אשלגן ו -50% של חומצה גופרתית מרוכזת) למשך 30 שניות.
   2. יש לשטוף אותו במים מזוקקיםוייבש אותו.
3. בדיקה שנייה לקביעת זווית המגע המתקדם לכאורה
   1. השתמש הנוזל עבורו זווית המגע המתקדמת צריכה להימדד עם מדגם חדש הבד, זהה, ויבש.
      הערה: המים שמשו כדי לאמת את השיטה.
   2. עצור את בדיקת הפתילה כאשר העקומה מדמיין משיגה ערך קבוע. זה מצביע על כך הנוזל הגיע החלק העליון של בעל המדגם וכי עליית הנימים הושלמה.
   3. התאימו את החלק הליניארי של עקומת הפתילה (מ ^'2 (t)) עם המשוואה וושבורן (משוואה 3), מאז מתמיד, C, כבר ידוע בשל המבחן הראשון (שלב 2.1), עם שיפוע התאמה ליניארית קביעת זווית המגע המתקדם, θ _A (°).
      הערה: כל הבדיקות בוצעו בתנאים סטנדרטיים על 20 מעלות צלזיוס. שינוי הטמפרטורה יהיה לשנות את מתח הפנים נוזלי והתוצאות.
   הערכת תרומת משקל הנוזל בשל בעל המדגם
   הערה: tensiometer, כמו microbalance, מודד את המסה הכוללת של נוזלים, כולל הוא את העולה הנוזלי במרקם והתרומה של המניסקוס החיצוני על בעל מדגם ואת הפתילה במסנן. תרומות אלה חייבים להיות מבודדים.
   1. שים את אותה כמות של נייר סינון כפי שמוצג בשלב 1.1.3 לתוך מחזיק מדגם וחזור על שלבים 2.1.1-2.1.2.
   2. הפחת את הערך הקבוע מתקבל (מ ^'2) מהנתונים שנרשמו בשלב 2.1.3 ולהעביר את העקומה להעריך את ההערכה הנכונה של הקבוע הגיאומטרי, C.
   3. מלאו את בעל מדגם כשרק מסנן נייר וחזור על שלבים 2.3.1-2.3.2.
   4. הפחת את הערך הקבוע מתקבל (מ ^'2) מהנתונים שנרשמו בשלב 2.3.3 ולהעביר את העקומה להעריך את ההערכה הנכונה של זווית המגע המתקדמת, θ _א.

Representative Results

Curves של רווח המוני במהלך פתילה שהושג עם tensiometer עבור פחמן בדי פשתן מטופל ומטופל מוצג איורים 2 ו -3. כל העקומות מוצגות לאחר החיסור של שני המשקולות של המניסקוס החיצוני בשל נייר בעל ולסנן מדגם מוזזים לאפס.

אפשר להתבונן מן המגרשים באיור 2 כי, עם שני n-הקסאן ומים, התאמה ליניארית של משוואת 1 עם פתילה ניסיונית הוא-מושגת גם אם הבדים מוכנסים כראוי לבעל המדגם. השימוש בנייר מסנן הוא חובה כדי להבטיח את הדירות של מדידות. זה מאפשר להגדיר את הקבוע, C, ולאחר מכן לחשב את זווית מגע מתקדם לכאורה, θ _א. Curves להגיע לשיווי משקל אסימפטוטי כי ניתן על ידי הגובה של המדגםעצמה, אשר מוגבלת ל -20 מ"מ על מנת להבטיח את זרימת נימי מונחה. משקל שיווי המשקל נובע הרוויה של המדיום הנקבובי ידי נוזל הבדיקה. הוא ובכך הקשורים יחס נפח סיבים בעל מדגם הנפח הפנימי (כלומר, נקבובי, ε). עם קבוע, C נגזר, ואת זווית המגע המתקדם לכאורה, θ _A (טבלה 1), ניתן לקבוע את לחץ נימים, _{כובע P,} לאורך כיוון סיבי בדי פחמן חד כיווני.

כמו בדי פחמן, בדיקות פתילת תגבורת פשתן מטופל ומטופל בוצעו. איור 3 (משמאל) מראה עקומות הניסוי השיג על חמש בדיקות עבור n-הקסאן. מגמה ליניארי נצפתה היא בדי פשתני מטופלים ואינם מטופלים, המאפשרת קביעת הגורמים הגיאומטריים. רק הבדל קטן נצפהבין בדים לא מטופל ומטופל, מה שמצביע על ירידה עתידית של tortuosity עם טיפול, אבל לא הוכחה שינוי משמעותי של מורפולוגיה. השפעה משמעותית של טיפול על חיזוק פשתן מוצגת איור 3 (מימין). ברור כי בכושר ליניארי אפשרי על בדים מטופלים, בעוד אלה שלא טופלו מראים בבירור מגמה שאינו ליניארי. תוצאות ממוצעות חמש בדיקות עבור השלושה הסוגים של תגבורת מוצגות בלוח 1. זה ובכך ניתן יהיה, אחרי מדידות של permeabilities בדים, כדי לחשב עם משוואה 2 בלחץ נימים מקביל עבור בדי מטופלים בלבד. בדלי פתילה הן בשל הרגישות למים המשרים הנפיחות של סיבי פשתן. נפיחות של סיבים טבעיים במהלך הפתילה גורמת לעליית יחס נפח סיבים, גורמת משקל שיווי המשקל כדי להגיע יותר לאט. זה גם גורם משקל שיווי משקל קטן יותר עקב ההצטמצמות נקבובית. capillעליית האר"י נמצא כבר להיות מהיר יותר עבור חוטי פשתן קצוץ, מטופלים; תוצאה זו היא ובכך קוהרנטית ^6. הטיפול עושה סיבים פחות רגישים למים וספיחה ^9, וזה יכול ובכך להסביר את הבדלי פתילה עבור בדים לא מטופל ומטופל. משוואת וושבורן שונה הכוללת את ההשפעה של נפיחות לאחר מכן נעשתה שימוש כדי להתאים את נתוני הניסוי של פתילה בבדי פשתן, המאפשר קביעת לחץ הנימים, _כובע P ^9.

איור 1: תכנית של tensiometer (משמאל) בעל המדגם הגלילי (מימין) ^8. תכנית זו מייצגת את התקנת tensiometer (משמאל), המתארת ​​את הכלי זז ואת המנגנון השקיל, אשר מתעד את משקל המדגם לאורך זמן. בעל המדגם מוצג על הרשות התקינה rt של התוכנית. הבוכנה ואת כובע קדח הבטחת הדחיסה של בדים ניתן לראות. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2: התאמה וושבורן של שתי בדיקות ניסיוני x-כיוון, עם n-הקסאן (משמאל) ומים (מימין). הבדיקות מתייחסות בדי פחמן עם _f V = 40% ^8. מטרת נתון זה היא להראות כי החלק הראשון של גרף נימי פתילה הוא ליניארי, התוויית להשיג מסה בריבוע נגד זמן. הוא גם מראה כי זו מאומתת לכל נוזל בדיקה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

-together.within-page = "1">
איור 3: פתילה עקומה שהושג עם n-הקסאן (משמאל) ומים (מימין) עבור בדי פשתן מטופל ומטופל ב- V _f = 40% ^9. גרפים אלו מראים בבירור כי קיימים הבדל גדול בין בדי פשתן מטופל ומטופל. בעוד התאמה ליניארית יכולה להיות מושגת עם n-הקסאן לשני בדים, זה בלתי אפשרי עבור פשתן מטופל עם מים. זאת בשל הנפיחות של סיבי הפשתן. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

סוג של בדים	CR (מיקרומטר)	θ A (°)
פחמן א.ד. &# 160;	12.1 ± 1.5	74.8 ± 2.3
א.ד. פשתן מטופל	12.2 ± 1.4	?
א.ד. פשתן מטופלים	15.3 ± 1.3	72.1 ± 1.8

טבלת 1: ערכים שנמדדו ממוצע של המוצר הגיאומטרי זווית המגע המתקדמת לכאורה על פחמן על בדי פשתן מטופל ומטופל. טבלה זו מציגה את הערכים הממוצעים במשך חמש בדיקות עבור כל בד, נגזרו ההתאמה ליניארית של גרפי ניסוי (מ ^'2 (t)) עם המשוואה וושבורן.

Discussion

השלבים הקריטיים בפרוטוקול מתייחסים הכנת הדגימות. ראשית, התגלגל שנדגמו צריך להיות חזק כדי להפוך את ההנחה של יחס נפח סיבים הומוגנית. אם יש שיפוע אטים במדגם, משוואת ^{5 וושבורן, 6} לא ניתן להשתמש כדי להתאים את עקומות פתילה. בנוסף, תנאי הגבול בין הבד בעל המדגם קשים לשלוט. לפיכך, נייר סינון (1.1.3) חייב גם להיות מוכנס בזהירות לתוך מחזיקי מדגם ^8.

כמה שינויים של הטכניקה יכולה להתבצע לנתח לכיוונים אחרים של הפתילה כדי לבדוק את ההשפעות orthotropic בלחץ נימי ^8. למשל, אפשר לחתוך לרצועות לאורך בכיוון של סיבים, על מנת לבחון את הפתילה בכיוון מאונך סיבים (במישור חיזוק); או אפשר לחתוך דיסקים of תגבורת של הרדיוס בעל מדגם הגלילי ולערום אותם כדי לבדוק פתילה בכיוון הרוחבי.

עם זאת, ההליך הוא מוגבל על ידי השערה וושבורן ^5. בנוסף, השיטה מוגבלת מבחינת גודל המדגם, כשגם דגימות כבר ולא גדול יכול להיות מעובד כרגע. זה חייב להיות מטופל על סוגים מסוימים של אריגה, כגון tows גדול.

שיטה זו היא כיום אחד בלבד המאפשר קביעת לחץ נימים במהלך הספגה ספונטנית. פרמטר זה הוא בעל חשיבות ראשונה במעלה עבור הסימולציה של ייצור מרוכבים היווצרות חלל חלקים מורכבים תעשייתיים מתוצרת דפוס תהליכים מורכבים נוזליים.

צעדים קריטיים עשויים להיות משופרים עבור יישומים נוספים. שינויים של בעל המדגם ייעשו כדי להעביר את כל הגבולות בפועל. יישום עתידי נוסף הוא use ההליך כדי לקבוע את לחץ נימים עם שרף, המהווה את המטרה הסופית של תהליכי LCM.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Carbon UD fabrics	Hexcel	48580
Flax UD fabrics	Libeco	FLAXDRY UD 180
n-Hexane	Sigma Aldrich
Sulfochromic acid	home made		toxic and corrosive
Filter paper	Dataphysic	FP11
Tensiometer	Dataphysic	DCAT11