测量复合材料和粘合层内的温度

几十年来，在固化过程中全面了解复合材料和/或粘合剂粘合层一直是一个问题。当前的温度传感器 - 热电偶 - 太大，无法嵌入而不会导致零件出现缺陷。因此，现在只能读取零件表面和周边以及粘接维修处的温度。很难知道修补补片底部、厚机身或机翼蒙皮层压板内部或这些蒙皮和厚纵梁之间的粘合剂的温度。然而，该温度对于适当的树脂流动、润湿和固化至关重要。

目前，复合材料行业通过花费数月和数百万美元的测试来弥补这一缺陷，以确保估计的时间和温度配方确实完全固化并产生必要的性能。尽管如此，供应商每年仍要花费大量工时和资金来审查和认证热电偶故障或超前/滞后热电偶超出规定范围足以对性能和飞行性能产生怀疑的部件。

为了解决这个温度测量问题，AvPro Inc.（美国俄亥俄州诺曼市）开发了 ThermoPulse 系统，该系统能够在固化过程中进行无线、远程、原位温度监测。该系统包括微线传感器、发射/接收天线和读取器盒，后者收集天线信号并使用软件将这些信息转换为温度数据。传感器仍嵌入零件中，该系统可用于高压釜、烘箱、灌注或树脂传递模塑 (RTM) 加工。 AvPro 已经与美国空军一起完成了第一阶段小型企业创新研究 (SBIR) 计划，目前正在进行第二阶段工作，直接测量复合材料维修和复合材料部件制造过程中的粘合层温度，并通过循环验证 ThermoPulse 的准确性在四个独立站点进行测试。

这项技术的潜力巨大，不仅可以为热固性复合材料提供实时工业 4.0 数据，还可以为热塑性的温度相关熔体和结晶度形成提供数据 材料。此外，测量 实际上不是系统的最终目标。 ThermoPulse 最终将根据复合材料的粘弹性变化管理固化周期。固化周期可以缩短，因为可以从实时数据与传统时间/温度配方中看到完成情况。固化周期也可以优化，从而能够使用微波和感应加热根据需要提供高度针对性和近乎瞬时的温度，以实现快速固化速度，而不会“过度烹饪”复合材料。

宏传感器与微线传感器

热电偶是当今复合材料加工中最常用的温度传感器。由两端连接的两根不同金属的导线组成，它们会随着温度的变化产生电流。热电偶价格低廉，可以提供准确的温度读数，但它们必须插入电压表。即使单根导线的直径可能非常小，完成的数据生成组件也不能嵌入零件或粘合线中，否则会降低结构特性，并且还会带来真空袋挑战（即潜在泄漏路径的来源），这可能会导致劣质复合部件。

相比之下，AvPro 的 ThermoPulse 系统中的微线传感器直径为 0.25 毫米，长为 32 毫米，并且在嵌入超过 25 毫米厚的碳纤维增强聚合物 (CFRP) 层压板下方时，成功地测量了温度。在搭接剪切测试结果中，粘合剂粘合层中带有和不带有嵌入式传感器的试样无法区分。微线传感器由非晶金属合金制成，主要是钴和铁。它们的磁性是独一无二的。首先，它们只在两种可能的状态下极化——沿着一个方向的导线长度，或相反的方向。此外，极性几乎立即发生变化——称为巴克豪森跳跃。当对传感器施加交变电磁场时，这些巴克瓦森跳跃会产生尖锐的电压脉冲，可以用天线远程检测到这些脉冲。每个脉冲的积分与温度有关。

这种测量机制的另一个关键组成部分是微丝冶金可以根据特定的居里温度进行调整，高于该温度将不再出现电压脉冲。请注意，这是制造的微丝的可认证物理特性。可以从微丝的电压脉冲中提取精确的温度，因为随着微丝的温度接近其居里温度，积分的幅度呈非线性减小（图 2）。

因此，ThermoPulse 天线发出低频电磁场来询问嵌入式传感器，然后接收由此产生的电压脉冲，然后由阅读器盒将其转换为该传感器位置的温度测量值。

ThermoPulse 传感器具有自动校准功能，实际上由封装在刚性管中的三根微丝组成。 （它是直径为 0.25 毫米的管子；每根导线的直径为 0.03 毫米。）一根导线用作测量导线 并且被合金化以使其居里温度比传感器设计的树脂系统的固化温度高约 50°F/10°C。第二条线称为参考线 并且被合金化以具有比所需的停留温度高数百度的居里温度，提供恒定的脉冲以进行归一化。第三根线，称为自动校准线， 为高于室温但显着低于固化温度的居里温度合金化。它将提供温度读数，直到达到其已知的居里温度，此时其脉冲将消失。此时，传感器的温度得到准确验证，ThermoPulse 系统具有进行测量和计算所需的校准温度。

SBIR 测试

在与空军完成了初步的第一阶段 SBIR 以证明可行性之后，AvPro 及其合作伙伴现在大约完成了第二阶段项目的一半，该项目旨在验证 ThermoPulse 系统的准确性和精度。这是通过在四个独立站点进行测试来实现的，每个站点都使用 25 个 ThermoPulse 传感器和一个集成到一种热键合机中的原型读取器盒。热粘合机是便携式、小型手提箱大小的设备，用于控制对粘合复合材料修复的热量和真空应用。四个测试站点是 AvPro 的设施、Abaris Training（美国内华达州里诺）、TSI Technologies Inc.（美国堪萨斯州威奇托）和希尔空军基地（美国犹他州奥格登附近）的 AFLCMC/EZPT-ACO。

AvPro 多年来一直与 Abaris Training 合作，以帮助验证和改进其材料状态管理 (MSM) 系统，而 TSI Technologies 是开发和改进微线传感器的重要合作伙伴。希尔空军基地是奥格登空军后勤综合体的所在地，该综合体对多个空军武器系统进行仓库维护，以及空军生命周期管理中心的空军先进复合材料办公室 (AFLCMC/EZPT-ACO)，这是一个集中资源复合材料。该研究计划由美国空军研究实验室（AFRL，Wright-Patterson，OH，US）和项目经理 Kara Storage 领导，旨在研究飞机制造和维修应用。

每个测试点将使用由六层预浸料制成的 5 英寸直径围巾修复补片完成 25 次标准化粘合复合材料修复，该补片位于一层薄膜粘合剂上，胶层中带有微线传感器。这 25 次维修中的每一次也将使用热电偶作为对照，与 ThermoPulse 微丝传感器结果进行比较。

“我们已经完成了所有 250°F 固化修复测试，现在正在分析数据，”AvPro 总裁 Tom Rose 说。 “到目前为止，微线测量值在热电偶测量值的 ±5°F 范围内。”罗斯说，除希尔空军基地外，所有测试场地都使用 CFRP 层压板和贴片，希尔 AFB 有测试玻璃纤维层压板和维修的特定原因。 “我们现在开始测试另外 100 个传感器以进行 350°F 维修，并将在 2019 年 10 月之前完成 SBIR 工作。”

此测试的另一个目标是为 ASTM 方法开发统计基础。 ASTM International（美国宾夕法尼亚州西康斯霍肯）是一个制定行业标准的组织，其中包括大多数用于复合材料和结构的测试方法。 “在复合材料修复期间测量胶层温度的 ASTM 方法也适用于任何复合材料胶层，”Rose 说，“并且将使行业对 ThermoPulse 传感器的准确性充满信心。”完成 SBIR 测试的维修还将为改进热粘合机原型作为闭环温度控制设备提供反馈。 “我们的目标是根据胶层内的温度控制修复固化，”Rose 说，“最终目标是节省大量时间和成本。”

现代化治疗，记录质量

“开发这种传感器是为了输入我们的固化管理系统，”Rose 解释说。 “我们管理复合结构固化的方式确实没有太大的根本性变化。”然而，AvPro 的材料状态控制是 一项重大变化，这也是其采用缓慢的原因之一。 “航空复合材料社区非常保守，”Abaris Training 的长期讲师 Lou Dorworth 指出。 “使用 AvPro 的材料状态管理系统需要经过培训，而且最初这些设备不像使用 ThermoPulse 开发的设备那样用户友好。”罗斯承认，当前开发的目标是拥有易于使用的商业产品。 “我们还在完善软件并扩大用于工业生产的电线和传感器制造。目前，我们预计每个传感器的成本为 25-30 美元，与热电偶的价格大致相同。”

“我们的首要任务是完成商业化和工业生产的技术，”罗斯说。他补充说，AvPro 下一步将继续建立 ASTM 测试方法；最后一步是进行结构认证所需的任何额外测试（即缺陷程序的影响）。 “在传感器粘合和未粘合的情况下获得相同的结果是一个好的开始，”罗斯说，“但结构工程师必须确信传感器可以放置在关键位置并提高他们实现特性的能力，而不会产生缺陷。 ”他的目标是在一家全复合材料轻型运动飞机 (LSA) 制造商处获得 ThermoPulse 系统的初步资格，该制造商的公司结构往往比原始设备制造商和大型供应商更扁平。

虽然复合材料飞机结构设计和生产的改变是出了名的昂贵和缓慢，但现在比以往任何时候都更有动力实施可以加快复合材料制造步伐的过程控制技术。 Rose 和 Dorworth 不仅看到了飞机制造和维修的潜力，而且看到了更广泛的应用，例如基于实时现场数据管理与温度相关的过程。 “我们的系统使零件制造商能够优化其自身的固化周期并将其与实际材料特性相关联，”罗斯说。 “我们现在有能力测量温度和粘度作为时间的函数in 部分和 粘合线。这使我们能够真正建立数字控制，并对我们的零件质量有信心。”