介质固化监测复合材料制造的未来

复合材料工业正在制造令人难以置信的先进产品，但它正在用技术开发这些产品那已经过时了。电介质固化监测是推动该行业发展的一种解决方案。

在这次采访中，Lambient Technologies的联合创始人Huan L. Lee向AZoM介绍了使用介电固化监测来防止风力涡轮机故障，用于建造用于空间应用的大型复合结构，以及许多其他应用。

什么是电介质固化监测(DEA)，它现在在质量保证和质量控制中是如何使用的?

电介质治疗监测被称为DEA，意思D我-Electric一个Analysis，于20世纪80年代末将其纳入标准热分析技术家族，该家族碰巧也被识别为三个字母：DMA动态力学分析、DSC差示扫描量热法、TGA热重分析和其他。

介电固化监测测量聚合物、热固性材料和复合材料的交流电性能，以确定其固化行为。在介电常数和电阻率这两种特性中，电阻率(更具体地说，频率独立电阻率)与成胶前的机械粘度和成胶后的模量有关。

因此，创造了一个术语“离子粘度”，作为电阻率的替代品，以强调机械粘度和电阻率之间的联系。

在我继续之前，我想将QA/QC定义为在树脂或复合材料制成最终产品之前对其固化行为的测试。当然，最终产品的制造涉及质量控制，但出于我们的目的，将QA/QC与材料测试区分开来很方便。亚博网站下载

由于离子粘度确实表明固化状态，许多公司现在使用DEA来跟踪常规QA/QC测试中的材料固化情况。例如，一些薄板模塑复合材料(SMC)的制造商每天都在标准的工艺温度下测试每一批产品。

通过记录临界点的次数——最小离子粘度，离子粘度的峰值斜率和指示固化时间的选定斜率——他们可以监控批次是否按照规范固化。

图1所示。介电固化监测的典型固化信息

如果任何参数超出了设定的限制，可能是某个问题造成的。公司已经对材料的固化情况有了了解，可以调查产生偏差的原因。

可能是材料太旧，配方不对，或者配合比不对。也许仓库的门是在德克萨斯州的一个炎热的日子里开着的。行为的一致性可以从统计学上进行跟踪，DEA提供了实时和真实条件下的治疗和质量的洞察力——这是其他热分析技术无法做到的。

考虑到复合材料制造的增长，哪些领域可以从介电固化监测中受益?

研究开发可以利用电介质固化监测，方便新型树脂配方的研究。开发实验室如何测量热固性产品的固化时间或固化率?今天，典型的测试方法是劳动密集型的，粗糙的，不精确的。

通常，用户会费力地将材料固化到某一点，然后使用DMA或DSC进行测试，以确定亚博网站下载固化程度或玻璃化转变温度。

然后他们对固化到下一个点的材料重复这个过程。他们重复这些步骤很多次，得到一个粗略的治愈曲线。相比之下,电介质治疗监测可以一步完成，减少时间和精力，最终减少成本．

请记住，DEA不能取代DMA或DSC。DEA是DMA或DSC的补充，许多研究表明这三种方法之间存在相关性。

质量保证/质量控制过程也会受益。树脂制造商可以测试出厂材料，以确保其客户获得一致的产品，即按照规定固化的产品。

使用这些纯树脂并添加如碳纤维或玻璃纤维等填充物的公司，或制造预浸料、片状模料(SMC)、块状模料(BMC)或环氧模料(EMC)的公司，都可以进行测试他们的出厂产品保证它作为指定的治疗。

DEA在制造业具有独特的优势。介电固化监测是唯一的热分析技术，可以应用在实验室和压力机或模具无需改变。生产的好处在于能够以一种可以直接追溯到实验室结果的方式记录治疗。

此外，DEA使最终用户能够了解零件是如何固化的。想象一下，能够实时看到风力涡轮机叶片的固化状态。

有了这个功能，您可以在它准备就绪时对它进行建模，而不是在它准备就绪之前或之后。如果你过早地猜测并将它从模具中取出，它就不够坚硬，无法处理。如果你把它留在模具中超过必要的时间，你会降低产量和效率。

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为什么公司要在QA/QC和生产中引入电介质固化监测?

我认为最大的好处是提高效率和产品一致性，最终结果是节约成本。

25年前进行的一项研究测试了SMC成型过程的闭环控制。（Day，D.R.和Lee，H.L.，“SMC零件间变化的分析和控制”，年第13-C期第17届会议记录^th复合材料研究所年会，美国塑料工业协会，1992年2月3-6日。）

这在当时是一个先进的概念，我认为现在仍然是一个先进的概念。在该研究中，介电固化监测器测量了模具中很大一部分的固化状态。当DEA确定该部件已达到确定的固化终点时，电介质固化监控器发出信号，自动打开模具并弹出该部件。

通常情况下，计时器会在60秒后打开模具，确定一段时间以确保所有零件固化到可接受的点，即使某些零件固化超过该点。

当DEA确定开模时，平均冲压周期时间下降到50秒，比计时器平均节省10秒。这一削减将为每台压力机每年节省70,000美元的劳动力成本，这还不包括提高的生产率和吞吐量。

即使没有闭环控制，使用DEA也能使生产受益，因为它能够在问题发生时看到解决方案中的问题，通过拥有额外的数据来解决这些问题，并通过数据显示部件正在按照它应该的方式进行处理。

DEA通过研发、QA/QC和生产的通常迁移路径是什么?

在过去的30年里我们已经看到了DEA通过这些领域的自然迁移。我最初的公司是Micromet Instruments，它在30年前将麻省理工学院开发的DEA技术商业化。我们的客户在第一个十年几乎完全参与研发和材料开发。亚博网站下载早期的采用者是军事实验室和树脂制造商。

研究人员必须证明，介电固化监测可以表征用于制造复合材料的环氧树脂、聚氨酯、丙烯酸和其他热固性材料的固化。

即使是现在，关于DEA的论文的不断发表也表明，介电固化监测仍然是一个肥沃的研究领域。只有在验证之后，在越来越多的结果的支持下，研发部门才能够为下一阶段推荐DEA。

目前验收的增长现在是在QA/QC。正如我之前提到的，我的意思是，这包括库存材料如何固化的测试，而不是最终产品质量的测试。亚博网站下载

正如我所定义的QA/QC，涉及到日常，有时是每天，在批量测试中使用电介质固化监测。通过这种方式，公司可以确认如纯树脂、SMC、BMC、EMC、预浸料或填充树脂等原料符合固化行为规范之前成为最终产品。

在供应链中尽早发现并解决解决问题比在最终产品中更容易，成本也更低。对于一些公司来说，统计质量控制、六西格玛程序等的加强推动了DEA在QA/QC中的实施。

将DEA纳入制造业的障碍是什么?

我认为制造业有最大的潜力使用DEA，但它也是DEA最难进入的领域。这是因为制造工程师已经开发出了一种制造产品的流程，而且该流程是有效的，否则一开始就不会实施。问题是:“这个过程能更好地工作吗?”

可以理解的是，生产管理者不愿意改变一个运作良好的流程。任何改变通常都是渐进的，并且通常是在其他人进行大量测试和验证之后进行的。

话虽如此，日本的公司比美国或欧洲的公司更愿意在生产应用中引入DEA。

复合材料行业正在取得令人难以置信的进步，但用于测试这些的技术亚博网站下载电介质固化监测如何推动该行业的发展？

例如，与钢相比，用复合材料制成的产品具有令人难以置信的强度重量比。某些飞机和航天器部件的存在，以及风力涡轮机叶片，有时只是因为复合材料才有可能。

尽管有复杂的材料，如片材模塑复合材料、环氧树亚博网站下载脂模塑复合材料和环氧石墨预浸料等;而制造工艺如长丝缠绕、树脂转移成型等，固化测试往往卡在过去50年。

确定凝胶时间的常用方法是简单的搅拌试验，通常用固化时间来代替。这种测试使用技术人员或机器用棍子搅拌液体树脂样品。

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技术人员记录树脂什么时候变厚到可以粘住棒子，或者当棒子从样品上拿起时形成一根线。时间是非常不精确的，结果很大程度上取决于样品的数量和搅拌样品的人的一致性和技术。

确定固化时间的另一种粗略方法是螺旋流试验，这必须用于流动性不够足以搅拌的材料，如SMC、BMC或EMC。亚博网站下载在这里，一个带有螺旋通道的模具被加热到测试温度。

被测材料被注射到模具中，在模具中流动，直到其硬化到足以停止移动。材料流动的距离表示固化时间，但不提供任何关于固化过程或反应其余部分的信息。

这种测试需要一个特殊的模具以及在固定压力下注入材料的机器。

和搅拌试验一样，螺旋流试验不能解释在真实的制造条件下固化行为可能发生的变化。此外，搅拌试验和螺旋流试验都不能用于预浸料，这是许多先进产品的核心。

相比之下，电介质固化监测使用简单的传感器和简单的技术来显示材料是如何固化的。DEA可用于液体树脂、填充材料和预浸料。亚博网站下载

如图1所示的数据显示了整个固化过程中发生的情况，包括物质粘度和反应速率的变化。DEA方法简单、可重复，可用于生产环境和实验室。

2016年，多个风力涡轮机叶片断裂，这表明需要更好的质量控制。DEA如何防止这种情况？

由于不知道这些风力涡轮机叶片是如何失效的，我只能推测。当然，问题可能是在某些部件，如轮毂，与叶片的制造无关。

然而，利用风能的涡轮机的安装正在迅速增加，生产越来越多长度越来越大的叶片的压力也越来越大。一些风力涡轮机叶片的长度为50米或更长。

是否为了增加产量而加快模具时间?治疗后的时间是否过于仓促?在刀片长度的某一处是否有不完全愈合的弱点?我不知道，但DEA可以提供关于实际生产过程中治疗状态的额外信息。

事实上，新出现的、性价比高的电介质固化监测仪可以连接在单一的通信线路上，沿着风力涡轮机叶片等大部分部件，每隔几米测量一次材料状态。当然，在固化过程的开发中——即时间和温度的定义——可能在每个刀片的制造中——dea提供了有价值的信息来生产一致的产品。

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商业航天企业如何从将DEA纳入制造过程中获益?你能举个例子吗?

商业太空飞行是一种很像飞机制造的应用，只是对轻质、坚固材料的要求更高。亚博网站下载Phenolic-carbon纤维复合材料最近，SpaceX透露成功测试了一个40英尺宽的巨大碳纤维燃料箱，该燃料箱计划用于一艘雄心勃勃的火星飞船。

在9月27日的国际天文学大会(IAC)上，SpaceX公司的埃隆·马斯克特别提到了碳纤维预浸料的固化是制造燃料箱的挑战之一。

这里有一个关键应用的例子，其中确保成功的每一种手段都应该出现在制造过程中。对于像这个燃料箱这样的大型单件部件，不均匀或不完全固化可能会造成弱点。一个40英尺的，大概是球形的水箱的表面积大约是5000平方英尺很多潜在故障区域的面积。

我相信治愈后，SpaceX会检查每一平方英尺的缺陷，但使用的是DEA在期间Cure将提供可追溯至实验室验证方法的正确处理文件。此外，固化状态的反馈将允许实时调整或修正固化，可能避免这样一个大而昂贵的部件的报废。

当然是一个角色这大量的介质传感器必须分布在有代表性的区域，但这仍然比扔掉一个有缺陷的油箱要便宜得多。

DEA在制造业中的未来是什么?

制造复合材料飞机机翼和机身或航天器部件等高价值产品的公司，似乎更有可能调查DEA在制造业中的使用。

对于他们来说，故障会对人身安全和材料成本造成灾难性后果。降低风险至关重要，因此我认为航空航天公司将率先在其工艺中引入介电固化监测。

空客正在调查或使用DEA。庞巴迪也是如此。波音过去也有，不过我不知道他们现在在做什么。我希望看到制造维珍银河(Virgin Galactic)航天器的Scaled Composites和SpaceX使用DEA。

我们的读者可以去哪里了解更多?

有关介质固化监测的更多信息，请访问Lambient Technologies网站：www.lambient.com．

关于欢李

李欢是一名电子工程师，拥有30多年为复合材料行业设计仪器的经验。

Huan拥有麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）的研究生学位，他是麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）一个研究小组的成员，该研究小组根据美国宇航局（NASA）和其他政府机构的合同从事介电固化监测工作。

Huan也是Micromet Instruments的联合创始人，Micromet Instruments首次将麻省理工学院开发的技术商业化。

2008年，他与Stephen Pomeroy共同创立了Lambient Technologies LLC，以推进热固性和复合材料介电固化监测的使用。