介电测量固化监测技术的应用和优势

介电测量广泛用于热固化树脂与复合材料的固化监测。工业用介电固化监测系统包括：电子部分，传感器，电缆线路及适于研究、开发和生产应用的软件（图4.5-8）。在工件内插入便于使用的介电传感器，或者在模型壁或装置内设置永久传感器的实现，使得介电固化监测更广泛地应用于过程固化监测技术中。

图4.5-8 介电固化监测（监控）系统概图

1—工件及传感器 2—热压罐 3—介电测量电子部分 4—微机及软件 5—显示器或介电测控装置

电介固化的监测（监控）是对热固化树脂或复合材料介电性质改变的监测，以此来研究工件粘滞性和固化状态的变化。将一组电极直接与被监测工件接触，并将频率在0.1Hz～100kHz之间的一个交流信号加至一个电极。这一交流电压的施加，使得在第二电极中感应产生相同频率的信号，测量感应电压的幅度变化和相对于施加电压的相位的偏移，以此来计算材料的介电性质。

如上所述，介电常数与损耗因子，两种介电性质来源于偶极子运动和电子传导。在典型的聚合过程中，介电常数的变化主要是偶极子运动的函数。损耗因子同时受到偶极子移动和离子传导的影响。在整个聚合过程中，偶极子运动作用相对较小，所以离子传导常控制损耗因子。由于离子传导对损耗因子的作用与频率成反比，如果测量是在足够低的频率下进行，离子传导可以用来决定损耗因子。在一个典型的介电固化监测实验中，测量在很多频率下实施，并从多频率损耗因子数据中提取离子传导。

离子传导实质上是材料中离子活动性的测量。它与凝结前的粘滞性和凝结后的刚性成反比。因此，离子传导的倒数——电阻率直接与粘滞相关。以往的研究工作已经说明，在热固化树脂反应过程中，用流变仪测得的聚合物黏度与电阻率变化之间存在着很强的相关关联。已经证明，电阻率的增加与等温固化过程中玻璃质转换温度相关，而且对固化终了是非常灵敏的。

图4.5-9所示为石墨-环氧预浸料压塑过程中，典型的对数电阻率和温度数据。开始，随着树脂被首次加热到116℃保温，对应于粘滞性的减低，电阻率降低。在保温周期，由于挥发损失和（或）树脂系统反应，随着树脂粘滞性的增加，电阻率缓慢增加。当温度沿斜坡上升到最终的177℃保温的升温过程中，电阻率开始降低，并在升温过程终了时达到最低值。在这一点以后（保温期），固化反应过程快速进行，可以通过电阻率快速增加看出。随着反应率的放慢，电阻率的增加率逐渐变慢。300min以后，电阻率的近似零的斜率显示固化反应接近完成。因而，介电固化监测数据可监测整个固化周期。

图4.5-10为环氧-玻璃纤维预浸料非等温固化过程中，介电测量与超声波声速测量两种固化监测数据的比较。电阻率是用测微仪器Eumetric系统III微介电测量仪完成的。电阻率与声速数据是在压制模型内同步测量的。模型的温度按2.5℃/min速度上升，并在约60min达到最终固化温度150℃。数据的定标是，在固化的过程中，来自它们各自最小值的对数电阻率与声速的相对增加量相等。当温度是事实上等温时，这一固化区段，对数电阻率与声速有很好相关性。然而，当加热沿斜线上升的过程（约52min以前），对数电阻率显示出较声速大一些的减小率，且在曲线变化的形状上也有小的差异。这是由于液体树脂的声速随温度函数的变化不如离子活动性变化那样大。

图4.5-9 石墨-环氧预浸料的典型介电固化监测数据

图4.5-10 环氧-玻璃纤维预浸料非等温固化过程中，对数电阻率与超声波声速的比较(www.xing528.com)

下文简要归纳一下介电测量固化检测的优点与缺点，以供选择该技术时参考。

（1）介电固化监测的优点

1）介电固化监测几乎是对所有工艺过程都是易于实现的。便于使用的传感器能很方便地插入工件中，是获得固化监测数据简单、廉价的方法。测量可以在炉内、压模内、热压罐内、运转计时器模具内或小的试验样件内以例行程序进行，不需要另行机械加工安置传感器的模具。

2）介电传感器能测量局部区域，从而可以考查特定部位的固化性质。它还允许测量厚度小至1μm的工件。

3）在工件内设置多个传感器，可以在同一运行过程中，监测多个部位。这些传感器可以安装在任何位置，所以工件中任何特定位置均可得到监测。

4）可以在模具内或装置内设置多个永久性传感器，而只用其中一个传感器测量。这样，只要求加工一个单孔进入模具，且在热压罐装置内不要求外加均压覆盖板。

5）已有能经受400℃高温的传感器。

（2）介电固化监测的缺点

1）介电测量可能受反应副产品的影响。这些副产品可能包含有掩没固化反应的各种离子形式。

2）传感器必须插入工件或安置在工件表面。这会引起面内的缺陷或在工件上留下明显记号，这也许是某些生产应用所不能接受的。再则，对石墨填充材料，必须在传感器上面置一过滤器，以防止电极短路。

3）将能插入的传感器置于工件内，在叠层工件的铺设中，增加了费用、附加电缆与人工。

4）在厚度超过15mm的工件上不能实施正确的整体测量。在碳复合材料上，完全不能实施正确的整体测量。