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近红外在航天复合材料领域中的应用
黄玉东1姜波1李伟1孙岩峰2刘 丽1
(1.哈尔滨工业大学应用化学系,哈尔滨150001;2.石油化工科学研究院,北京10083)
摘要本文介绍近红外光谱技术在高硅氧布、无碱布、碳布/酚醛预浸科,环氧树脂和酚
醛树脂的固化,固体推进剂和增强织物浆料领域的应用。结果表明,近红外光谱技术对航天复
合材料分析是一种有效的快速分析方法。
差键词近红外光谱;预浸料;树脂固化;固体推进荆;增强织物浆料
航天复合材料是航天高技术重要组成之一,对航天工业有特别重要意义。航天复合材料
对改进武器装备性能和提高战术技术性能指标有举足轻重的影响。国内外对航天复合材料的
研究给予高度重视。随着航天科学技术不断发展,对航天复合材料的要求会越来越高,航天
复合材料的应用也会越来越大。航天复合材料的性能与水平是决定导弹武器系统的性能与水
平的重要因素。因此对航天复合材料的检测非常重要。本文主要介绍用近红外光谱技术检测
航天复合材料的质量指标,在预浸料、树脂固化、固体推进剂、增强织物浆料等方面进行
研究。
l近红外在预浸料领域的应用
预浸料是用树脂基体在严格控制的条件下浸渍纤维或织物,通过一定的处理过程所形成
的一种储存备用的半成品,是制造复合材料制品重要的中间材料。由于预浸料的一些性能基
本上原封不动地带到复合材料及其构件中,是复合材料性能的基础,因此,复合材料的工艺
性能和力学性能在很大程度上取决于预浸料的质量。
预浸料的主要质量指标一般包括树脂含量、挥发分含量等。目前工业上对树脂含量多采
用间断检测技术(如溶剂萃取法、灼烧法和酸分解法等)来确定预浸料的质量指标,但是这些
方法费时费力,分析结果严重滞后,无法满足连续生产的需要。因此,国内外对预浸料制造
过程中其质量指标的连续在线监测非常重视,并进行了较多的研究,主要包括红外光谱法、
射线透射、光学线性扫描、超声和重量监测?等技术。这些监测技术灵敏度高,仪器安装方
便,有些已得到了实际应用,对预浸料的生产具有重大的实际意义,然而它们均无法实现各
项质量指标的同时定量分析,从而无法全面表征预浸料的质量状况。近红外光谱技术是近年
来快速发展的一种新型光谱技术,具有快速、准确、可靠、无破坏性、可在线实时进行检测
与监控等特点[2],已广泛应用于化工、制药、纺织工业、临床,以及石油化工、环境保护、
农副产品等的质量检测与监控。
作者简介:黄玉东.男.1965年出生,教授。从事树脂基复台材料方面的研究。E—mail:huan盯d@hit.edu.咖;电
话:0451
112
1.1近红外监测高硅氧布[31“、无碱布、碳布/酚醛预浸料的研究
用近红外漫反射光谱技术主要检测树脂含量、挥发分含量和预固化度(可溶性树脂含量)
三项质量指标。挥发分含量测定采用标准化学方法一重量法在一定温度下除去挥发性物
质,根据质量的变化计算挥发分的含量。对树脂含量和预固化度(可溶性树脂含量)采用丙酮
溶解法,放人丙酮中溶解,计算出可溶的部分的含量。 ,
眭羲/cm-1 坎数/cm
图1碳布(1)、高硅氧布(2)、无碱布/酚醛(3)预浸料近红外漫反射光谱图
近红外光谱是由分子化学键的倍频和合频吸收引起的,主要反映了c—H、O—H、N--H和
卜H等含氢基团的特征信息m]。主要由酚醛树脂/环氧树脂、玻璃布/炭布和挥发分乙醇/丙酮
等组成。由图l可以看出样品的树脂含量和挥发分含量的信息均可反映在其近红外光谱中。
表1高硅氧布、无碱布,碳布/酚醛预浸料建立模型统计结果
挥发分含量 树脂古量
预浸布
决定系数 校正均方差 检验均方差 决定系数 校正均方差 检验均方差
高硅氧布 99 85 0 0354 0.188 %.29 0 2.55 0.376
无碱布 93 22 0.132 O.256 95竹 0 489 0.620
碳布 9l笠 0 198 0.309 92,92 .0636 .0.861
在连续生产的条件下,实时采集预浸布样品的近红外光谱,采集的样品要有代表性,能
覆盖要分析的范围。利用化学计量学方法建立的数学模型,快速预测树脂含量、挥发分含量
等质量指标,实现了对预浸布质量指标的同步监测。其示意图见图2。
浸腔糟
图2近红外在线监测预浸布质量指标示意图
用建好的模型对未知样品进行分析,预测结果和标准方法测定的结果(见表1),通过成
对t一检验归j方法进行进一步确认。统计结果显示,对于给定显著性水平0.05。两种测定方
法不存在显著性差异。在连续生产的条件下,通过实时采集近红外光谱,并配合定量分析模
型,快速测定预浸布的各项质量指标。该方法的应用,能够保证生产过程中预浸布的质量,
是替代传统分析方法的一种有效分析手段。
。
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3《\避嚷管
2近红外在环氧树脂和酚醛树脂固化领域的应
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