结合交流/直流介电传感器 实现复合材料固化精准监测

我曾撰文介绍AvPro（美国俄克拉荷马诺曼）ThermoPulse微线传感器用于固化监测及其固化管理系统，也介绍过Synthesites（比利时乌克勒）直流（DC）介电传感器用于原位监测和实时Tg评估。本文将讨论Lambient Technologies（美国马萨诸塞剑桥）及其交流（AC）介电传感器历史，以及最新LT-440仪器结合交流和直流介电分析（DEA）。"两技术各有优劣，"Lambient创始人Huan Lee说。"结合交直流测量为研发、质控和制造中原位监测提供最广泛工具箱。"

Lambient Technologies历史

Lee 1980年代在MIT研发组从事固化监测研究。1982年创立衍生公司Micromet Instruments商业化此技术。Micromet经历多次收购。2001年NETZSCH（德国塞尔布）收购Holometrix Micromet并入其全球热分析业务。

但Lee感觉Netzsch未充分开发技术，遂离开Micromet事业部，2008年与Micromet Instruments首席工程师Steve Pomeroy共同创立Lambient Technologies。"我离开后Netzsch开发Epsilon 288，是不错固化监测仪器，"Lee说。"但Netzsch是大公司，DEA对其是极小市场。Lambient Technologies优势在于我作为技术发起人之一的独特知识深度。"虽树脂复合材料仍是公司关键领域，但不针对单一行业，Lambient Technologies市场总监Maria S. Lee说。"我们服务指甲油、牙科材料、胶粘剂制造商，也服务复合风电叶片和医疗植入物制造商。"

Lambient Technologies传感器和仪器用于监测固化热固性聚合物介电性能，含环氧、丙烯酸、聚氨酯、聚酯、聚酰亚胺、聚酰胺材料、UV固化聚合物、各类模塑料及涂料、纤维增强复合材料。其方案提供配方、反应速率、粘度和固化状态洞察。用于研究聚合物材料、优化制造工艺。可用批次反应器管理聚合物制造、用烤箱/高压釜/压机/挤出系统管理复合制造。

DEA科学原理

介电分析（DEA）是热分析技术，如差示扫描量热法（DSC）和动态力学分析（DMA），Huan Lee解释，"但可用传感器原位测量被测材料电学性质提供分析。任何热固性树脂中两件事同时发生。离子流动，但受分子网络紧密度阻碍，即固化状态。流动离子对电磁场/信号提供频率无关响应。第二活动是正负偶极子随同一电磁场/信号旋转。但此响应依赖电磁场频率。分离频率无关和相关现象是区分固化状态关键。"

液态树脂中离子流动阻力低，Lee说（见上图未固化热固性）。"树脂固化随阻力上升。固化末期离子流动阻力极大。"DEA测量聚合物电阻（报为电阻率）和电容（报为介电常数）。电阻率含频率无关离子流动和频率相关偶极子旋转分量。频率无关电阻率称离子粘度（见下图），固化前与树脂粘度相关，胶凝后与模量相关。

虽无介电事件标识胶凝点，但固化易识别：离子粘度随时间变化（斜率）趋零处。"胶凝是力学事件，"Lee解释，"介电性质无帮助。但发生在最大反应速率附近，等于峰值斜率。固化末期用户基于材料应用决定何为完全固化，再识别此时斜率。这比设定时间温度可靠得多。"

DEA系统要素

Lambient Technologies DEA系统含几关键要素。用介电传感器测量，含温度传感器如热电偶。"介电性随固化和温度变化，"Lee注。传感器经缆线接监测设备，连接运行Lambient CureView数据采集分析软件的笔记本。

Lambient Technologies介电传感器可永久或一次性。永久传感器嵌入模具/压机可复用。典型含陶瓷基板嵌入一或多金属电极、热电偶、护套（常不锈钢）。直径0.25-1英寸，可用至250°C。一次性传感器用于零件表面，含电极阵列粘接于薄（100微米）柔性Kapton基板。可用至350°C。Lambient供应Varicon一次性传感器长38厘米、Mini-Varicon长3.8厘米。

Lambient Technologies还提供多种监测设备。"我们从LT-451介电固化监测实验室级系统起步，极灵敏、高灵活，"Lambient Technologies联合创始人、软件开发主导Steve Pomeroy说。"客户需针对QA/QC和制造的系统，我们开发LTF-631高速介电固化监测。每台LT-451或LTF-631最多四通道，每通道一介电一热电偶输入。也开发LT-439介电通道专供QA/QC制造。更廉价，允许多仪器串联大物件如机翼/风电叶片。类似LT-451但单通道。"他估计30%仪器用研发、50%用QA/QC、20%用制造。

交流/直流固化监测

"我们主要用交流测量，"Lee注，"即信号电压振荡. 表征固化状态最优频率取决于固化阶段. 高频适合初期, 低频适合固化末期材料模量大时."

图4-4和4-5来自技术概览3.04，显示5分钟环氧固化离子粘度测量失真。此因电极极化随频率增加而减少。

"但也可用直流，"Lee续，"施加固定电压（频率=0）单向驱动电流——更简单。交直流测量固化末期吻合好，但直流初期可能有问题。同时交流固化末期对大多热固性和复合材料尚可，但对某些高阻材料可能耗时过长。"因固化末期热固性材料阻力最大，交流测量最适低频。"用1赫兹频率3周期需3秒，"Lee解释。"但用适当低频0.1或0.01赫兹，测量需30或300秒。直流在此极有用，测量近乎瞬时。交直流测量各有优劣。"

"固化初期直流测量问题似关电化学阻抗，"Lee说。如Lambient Technologies出版物"技术概览3.04——交流/直流固化监测"所述，树脂直流测量中似有电化学反应增添阻力。随材料固化此减少，缩小交直流差异。

交流介电传感器可穿透真空袋和离型膜测量，如底部压机压板嵌入传感器上蓝膜所示。

交流测量有电极极化现象，早期固化可在传感器电极间形成阻隔层，导致异常高表观离子粘度（见图4-4、4-5），但随频率增加减少，1-10千赫测量无此问题。可用边界层修正即电极极化修正数学恢复准确固化信息。

另一关键点：交流信号可穿绝缘体如真空袋/离型膜，但此类绝缘体阻挡直流信号。这直流测量问题，需切孔使直流传感器接触聚合物。"此处交流测量有用，因可将传感器置几乎任意位置、重新定位或用传感器阵列检测树脂流动前沿和固化，不影响薄膜辅料，"Lee说。

DEA应用与案例

Lambient Technologies称仪器易用。"定位传感器监测材料、插传感器线入仪器、启动加工、运行软件，"Pomeroy说。"软件设置5分钟环氧默认测试确认设备正常。我们提供此环氧、测试传感器、快速入门指南分步引导。也提供一天培训。"

Lee注Lambient协助客户确保设备知识就绪。如：压机如何固定传感器？最优频率？"许多材料可找单一频率全程表征固化。其他材料可能两频率更好。如初期高频、末期低频（材料离子流动阻力最大时）。需试错。LT-451优势可同时测多频率确定材料最优频率。"

"我们有大量材料应用笔记，"Pomeroy补充。"也出版300页DEA固化监测手册，在线官网，许多实用资源。这是我们独特之处。我们对科学高度透明，让用户理解发生什么。"

QA/QC案例：Continental Structural Plastics（CSP，美国密歇根奥本山），片状模塑料（SMC）及模塑SMC零件制造商。"他们测试每批SMC，"Lee说。工序含：预热压机至测试温度；开模；放入指定重量SMC；合模启动数据采集；产出离子粘度曲线提取关键点1-4记录数据。"每批如此确保材料符合规格、按预期固化。"

Lambient Technologies传感器(左)见于环氧模塑料（EMC）模具(中)前后，用于监测模塑电路芯片(右)固化。

制造案例：日本电路芯片制造商用环氧模塑料。"他们在模具用传感器监测EMC压机，"Lee说。"监测材料进出模具即充填时间、及期间固化情况确保一致固化。分析欠固化/过固化材料性质，影响集成电路封装制造性。充填期间粘度极窄窗口，他们监测此窗口。"

"类似可监测预浸料，"Lee说。"预浸料寿命初期固化行为非寿命末期相同。DEA可监测老化变化，监控每卷预浸料寿命始末固化行为。"注：碳纤维导电。"若纤维桥接电极将短路DEA传感器，"他警告。此用滤波器。"滤波器让树脂通过传感器但绝缘碳纤维。"

LT-440与未来固化管理

Lambient Technologies称LT-440为首台支持交直流传感器DEA仪器。"系统目标让监测树脂固化简易，也开发新软件用此数据管理温度从而控制固化工艺，"Lee说。"如用传感器数据设定模具/压机在CP4（固化末期）开模。可为客户设备提供API[应用编程接口]。"

但交直流测量切换如何管理？"仅指定想用频率问题，"Lee说。"直流测量设频率零。需积累经验，但我们已讨论交直流固化初末期优劣，将持续充实在线知识库。"

"太多人用温度时间监测固化，这过时了，"Pomeroy说。"DEA是监测固化、停止猜测的更好方式。DEA提供文档证明树脂复合完成固化、及固化与其他零件对比。"Lee赞同："人人见其价值。但改变现状难。"但DEA提供知识将成未来复合制造必需优势。

Lambient Technologies引用Spirit AeroSystems（美国堪萨斯威奇塔）及其Prestwick苏格兰设施2017-2018开发智能多区加热工具，据报可比传统高压釜工艺快40%、成本减半固化复合零件：

"不再按标准温度固化数小时，现可定制循环时间匹配单个零件几何体，"Spirit先进技术中心Prestwick首席工程师Stevie Brown解释。"高压釜是制造线瓶颈，移除它将缩短零件周期、降生产成本、减能耗。"

Lambient Technologies展示技术融合(上)可用多区加热工具实现固化管理，通过固化监测实时反馈完全控制固化过程。巴西风电叶片制造商Tecsis找Lambient Technologies开发DEA仪器监测每片叶片长度300点环氧树脂固化(下)，催生LT-439开发。