工艺流体（精选十篇）
工艺流体 篇1
关键词：沙棘籽及果渣,超临界流体萃取,工艺
沙棘为胡颓子科酸刺属的落叶灌木或小乔木。沙棘的根、茎、叶, 特别是果实含极丰富的生物活性物质, 这些是人的生命活动和健康不可缺少的物质。沙棘籽及果渣中蛋白质的含量达16%~18%, 脂肪的含量为16%~25%, 并且脂肪的营养品质极高, 含有丰富的VE和不饱和脂肪酸等;沙棘黄酮是沙棘中主要药用成分, 广泛存在于沙棘根、茎、叶和果渣中。经医药界20多年研究表明:沙棘黄酮具有抗心肌缺血、提高耐缺氧能力、降低血清胆固醇、抗肿瘤、抗炎、抗氧化及增强免疫等药理功效。沙棘经过榨汁后得到的籽及果渣可以进一步萃取油脂、提取功能成分, 非常具有开发利用价值。本研究就是对沙棘籽及果渣黄酮提取前的脱脂工艺进行研究, 沙棘籽及果渣中含有大量的脂肪, 如不进行脱脂处理一方面给功能成分的提取和纯化带来困难, 同时也造成优质食用油脂的浪费。
本研究采用超临界CO2萃取技术对其进行脱脂处理, 可避免压榨法、有机溶剂浸出法引起功能成分变性及有机溶剂残留等缺陷, 脱脂率高, 兼有脱色脱异杂味作用, 且最大限度地保留原料中生物活性物质的生理活性。
1 试验材料与方法
1.1 材料与仪器
沙棘籽及果渣 (饮料厂榨汁的副产物) :蛟河沙棘研究所;CO2:纯度99.9%, 食品级, 长春市氧气厂。
HA220-50-06超临界萃取装置、DZF-6250真空干燥箱、SH10A快速水分测定仪、WF260万能粉碎机和索式脂肪提取器。
1.2 样品制备
称取榨汁后的沙棘籽及果渣, 在105℃下烘干, 粉碎至100目, 待用。
1.3 测定方法
水分含量测定采用快速水分测定仪进行测定, 脂肪含量测定按GB/T 5009.6-2003食品中脂肪的测定方法进行, 黄酮含量测定采用三氯化铝显色法进行测定。
1.4 萃取率计算方法
1.5 超临界CO2流体萃取条件的筛选
CO2流体萃取技术是指处于临界温度与临界压力 (称临界点) 以上的CO2具有介于气体和液体之间的气液两重性, 因而具有较高的液体溶解性和气体流动性, 并且扩散系数介于液体和气体之间, 具有较好的渗透性。考虑到黄酮等功能因子在沙棘籽及果渣中的含量、脱脂处理后的活性以及脱脂是否彻底等因素, 本研究采用单因素试验对影响原料脱脂、除杂的超临界CO2流体萃取工艺条件进行研究和分析, 并根据单因素试验结果确定超临界CO2流体萃取的主要影响因素及水平, 然后进行正交试验设计。
1.5.1 萃取压力对脂肪萃取量的影响
分别称取5份沙棘籽及果渣各100g, 在15、20、25、30和35MPa的压力下进行超临界流体萃取, 萃取温度为40℃, 萃取时间为120min, CO2流量为20L/min, 然后根据公式得到萃取率。
1.5.2 萃取温度对脂肪萃取量的影响
分别称取5份沙棘籽及果皮渣各100g, 在30、35、40、45和50℃的温度下进行超临界流体萃取, 萃取压力为30MPa, 萃取时间为120min, CO2流量为20L/min, 然后根据公式得到萃取率。
1.5.3 萃取时间对脂肪萃取量的影响
分别称取5份沙棘籽及果渣各100g, 在60、90、120、150和180min的时间里进行超临界流体萃取, 萃取压力为30MPa, 萃取温度为40℃, CO2流量为20L/min, 然后根据公式得到萃取率。
1.5.4 CO2流量对脂肪萃取量的影响
分别称取5份沙棘籽及果渣各100g, 进行超临界流体萃取, CO2流量分别为15、20、25和30L/min, 萃取压力为30MPa, 萃取温度为40℃, 萃取时间为120min, 然后根据公式得到萃取率。
1.5.5 超临界流体萃取正交试验
本研究采用L9 (34) 正交试验设计对超临界CO2流体萃取工艺进行研究和分析, 根据前期单因素试验结果确定超临界CO2流体萃取的主要影响因素及水平 (主要包括压力、温度、时间和CO2流量) 。评价指标为原料的脂肪萃取率 (%) 。
2 结果与分析
2.1 沙棘籽及果渣的主要成分
本试验所用沙棘籽及果渣的组成见表1, 饮料厂榨汁后的副产物沙棘籽及果渣除含有黄酮外, 还含有脂肪和水分等。在沙棘籽及果渣进行乙醇浸提黄酮之前, 如果不把脂肪等杂质除去, 在浸提过程中易氧化, 影响浸提效果, 并给以后的分离纯化工艺带来一定的困难。另外, 除去其中大部分的脂肪, 使得到的沙棘籽及果渣黄酮含量大增, 更有利于浸提的进行。
2.2 超临界CO2流体萃取最佳条件的确定
2.2.1 萃取压力对脂肪萃取量的影响
萃取压力是超临界萃取过程中的重要操作参数之一, 它直接影响被萃取物在流体介质中的溶解度, 由图1可知:压力从15MPa上升至25MPa时, 脂肪萃取率大幅度增加, 随之再增加到35MPa时, 萃取率几乎没有变化;从经济角度和安全方面综合考虑, 萃取压力过大将会导致设备的投资和损耗费用大幅度增加, 同时高压操作的安全隐患也会增大, 因此综合考虑正交试验的萃取压力水平选择20、25和30MPa。
2.2.2 萃取温度对脂肪萃取量的影响
温度是影响超临界CO2萃取的另一个重要因素, 随着萃取温度升高, CO2流体密度下降, 导致CO2流体的溶剂化效应下降, 使萃取物在其中的溶解度下降;另外, 温度对萃取物蒸汽压的影响随着温度升高, 萃取物蒸汽压增大, 其扩散系数和传质系数都会增大, 有利于萃取。由图2可知:当温度从30℃增大到40℃时, 超临界CO2流体密度降低较少, 而待分离组分的蒸汽压和扩散系数及传质系数大大提高, 使分子热运动加剧, 从而使溶质溶解能力提高, 即随着温度的升高萃取率呈上升趋势;当温度达到40℃以后, 随着温度的增加, 分子间热运动加快而引起的溶解力的增加不足以弥补密度变化而引起的溶解能力的下降, 导致溶解能力呈现下降趋势。因此, 正交试验的萃取温度水平为35、40和45℃。
2.2.3 萃取时间对脂肪萃取量的影响
由图3可知:随着萃取时间的延长, 萃取量增加, 但延长至90min后, 增加幅度不大。萃取开始时, 超临界CO2与玉米蛋白粉未充分接触, 萃取率低, 随着萃取时间的增加, 玉米蛋白粉中的脂类物质充分溶出, 萃取率增加, 超过90min后基本变化不大。考虑到时间越长, 机器及各方面损耗越大, 因此通过单因素试验确定正交试验的萃取时间水平为60、90和120min。
2.2.4 CO2流量对脂肪萃取率的影响
CO2流量对萃取率的影响可从两方面来分析, 萃取开始前一阶段, CO2流量过大会导致CO2停留时间过短, 与物料接触不充分, 导致萃取率低;当流体流速稳定后, CO2流体通过物料的速度加快, 传质系数增大, 从而萃取能力提高, 但是过快同样使CO2流体在萃取釜中与原料接触时间减少, 不利于萃取率的提高。由图4可知:CO2流量对萃取率的影响不大。在试验操作过程中, 考虑到CO2流量越大, 调节试验条件所需时间越长, 造成的试验误差越大, 另外从耗能方面考虑, 正交试验CO2流量水平为15、20和25L/h。
2.2.5 超临界CO2流体萃取正交试验结果
由表2可知:各因素对脂类萃取率的影响程度大小依次为A>C>B>D, 即萃取压力对超临界脱脂效果的影响最大, 其次是萃取时间和萃取温度, 而CO2流量对脱脂的效果影响最小。超临界萃取的最佳工艺条件为A2B2C3D1, 即萃取压力25MPa、温度40℃、时间120min和CO2流量15L/h, 最大萃取率达94.18%。
3 结论
采用CO2超临界流体萃取对沙棘籽及果渣进行脱脂处理, 最佳的工艺参数为萃取压力25MPa、萃取温度40℃、时间120min和CO2流量15L/h, 在此条件下沙棘籽及果皮渣脂肪脱除率可达94.18%, 脱脂后的沙棘籽及果渣含脂率1.1%。
参考文献
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工艺流体 篇2
采用超临界二氧化碳流体萃取技术,提取了百合中的.秋水仙碱,并用高效液相色谱法测定了萃取物中秋水仙碱含量;通过正交实验对萃取条件进行了优化筛选,确定了适宜的工艺参数.结果表明:百合粉经氨水碱化后,在40℃,18 MPa,以乙醇作提携剂时萃取效果最佳.萃取物中秋水仙碱含量可由植物中的0.049%提高到6.40%.
作 者：何纯莲 向建南 尹霞 任凤莲 作者单位：何纯莲(湖南大学,化学化工学院,湖南,长沙,410082;湖南师范大学,医学院,湖南,长沙,410006)
向建南,尹霞(湖南大学,化学化工学院,湖南,长沙,410082)
任凤莲(中南大学,化学化工学院,湖南,长沙,410083)
工艺流体 篇3
关键词 金柑 ；果皮精油 ；超临界CO2流体萃取 ；理化性质 ；功能团
分类号 TQ644.14 ；S666.2
Abstract The supercritical CO2 fluid extraction technology of essential oil from Kumquat peel was optimized and its physicochemical properties were studied. The result showed the optimum conditions were as follows： extraction pressure 14MPa， extraction temperature 31℃， extraction time 120 min and CO2 flow 26L/h. Under these conditions， the yield of essential oil could be up to （5.08±0.03）%. According to the physicochemical properties of essential oil from Kumquat peel， the acid value was 0.4668， the ester value was 4.245 6， the density was 0.838 0 g/mL， the index of refraction was 1.470 7， the optical rotation was 1.366 8 and the ratio of mutual solubility of essential oil versus 95% alcohol was 1∶6.1 at 20℃. Moreover， the identification result of functional group showed the essential oil from Kumquat peel contained the alcohols， aldoketones and unsaturated fatty acid without the phenols and carboxylic acid derivatives.
Keywords essential oil ； kumquat peel ； supercritical-CO2 fluid ； physicochemical properties ； functional group
金柑（Fortunella margarita）又称之为金橘、夏橘，是一种产自于中国的芸香科常绿小乔木或灌木。其产地主要为浙江、广西、江西、福建、湖南和广东等省（区）[1-2]。福建省尤溪县是“中国金柑之乡”，如今种植的金柑面积约为2 700 hm2。其不断提升的科学种果方式，标准化生产技术的推广使用，使得所产金柑色鲜味美，酸甜可口[3]。
金柑成熟后，果皮占全果约22%～28%，在外果皮的近表皮组织中会产生大量油胞，油胞内含有大量的金黄色素和芳香油等，其油质温和，质量为柑橘类精油之最[3]。在食品工业上的应用相当广泛，是重要的且受欢迎的天然化工原料和食用香精，亦可用于某些高级日化香精的调剂。日本高知大学农学部次村正义教授的科研小组确认，柑橘类水果中含有的香精油类活性物质对致癌性物质N-硝基二甲胺（NDMA） 的生成具有抑制效果，最高达85%[4-6]。
超临界CO2萃取技术是利用CO2在临界点附近的超临界区域内与待分离的混合区中的溶质具有异常相平衡行为和传递性能，以及对溶质的溶解能力能随压力和温度细微的变化却产生剧烈变化的特性，达到溶质分离的一项技术[7-8]。超临界CO2萃取技术与传统提取柑橘果皮精油的方法相比，具有良好的“传质特性”、 溶解溶质速率快、溶解和携带能力大等许多独特的优点[9]，特别适合于挥发性成分的提取。故近来超临界CO2流体萃取技术在萃取领域应用广泛。
刘文玉等[10]通过单因素和响应面优化实验研究了超临界CO2萃取葡萄籽原花青素的工艺。结果表明，最佳条件为乙醇体积分数69.22%，CO2流量5 L/h，提取时间62.82 min，液料比1∶1.13 g/mL，提取温度55℃，提取压力35 Mpa。在此条件下葡萄籽中原花青素产率理论值为164.916 mg/kg，实测值为（163.60±0.93）mg/kg。黄慧芳[11]等采用超临界CO2萃取姜黄素，优化分析后得出萃取姜黄素的工艺条件为：萃取釜压力25 MPa，温度45℃；夹带剂食用酒精用量为6倍，CO2流量350 L/h；分离釜I分离压力6.0 MPa，分离温度40℃；分离釜II分离压力5 MPa，分离温度35℃，在设定的萃取温度、压力条件下静态萃取30 min，再循环萃取4 h，姜黄素提取率达90%以上。李双石等[12]用超临界CO2萃取技术提取鸡腿菇中的挥发性风味成分，采用正交试验后得出，最佳提取工艺条件为萃取温度55℃、萃取压力 20 MPa、分离温度 25℃、分离压力 8 MPa。
本实验采用超临界CO2萃取技术提取金柑果皮精油，同时对金柑果皮精油的理化指标、功能团的进行初步鉴定，为柑橘类精油的品质评价研究提供一定的理论基础。
1 材料与方法
1.1 材料
三明尤溪金柑，九成熟，由尤溪县农业局提供；CO2（99.5%）购自江苏南通华安超临界萃取有限公司；硝酸铈铵、醋酸、三氯化铁、苯酚、2，4-二硝基苯肼、乙醇、四氯化碳、羟胺盐酸盐、氢氧化钠、盐酸等均为国产分析纯；本实验用水均为双蒸水。
主要仪器：DJG-9053A型电热鼓风干燥箱（上海一恒科技有限公司）；HA120-50-01超临界萃取装置（江苏南通华安超临界萃取有限公司）；DJG-9053A型电热鼓风干燥箱（上海一恒科技有限公司）；DS-200电动高速组织捣碎机（江苏省江阴市科研器械厂）；MRO1023-4型反渗透净水机（佛山市美的清湖净水设备制造有限公司）；PL602-L电子分析天平（梅特勒-托利多仪器上海有限公司）；GC-MS联用仪（Agilent7890A/5973i美国安捷伦科技有限公司）；WZZ-2S数字自动旋光仪（上海精密科学仪器有限公司）；J257全自动折光仪（RUDOLPH公司）。
1.2 方法
1.2.1 样品前处理
新鲜金柑→筛选→清洗→去果肉→清洗果皮→冷冻干燥→金柑果皮。
1.2.2 萃取工艺流程
金柑果皮→粉碎→过筛→超临界CO2萃取→金柑果皮精油
1.2.3 单因素实验
以精油得率为考察指标，以萃取时间、萃取压力、萃取温度、CO2流量为因素，得到金柑果皮精油萃取的最佳工艺条件。
1.2.3.1 萃取压力对金柑果皮精油得率的影响
在萃取温度为34℃、萃取时间为60 min，CO2流量为26 L/h的工艺条件下，在萃取压力分别为10、14、18、22、26 MPa的条件下萃取，以精油得率为考察指标，研究萃取压力对得率的影响。
1.2.3.2 萃取温度对金柑果皮精油得率的影响
在萃取压力14 MPa，萃取时间60 min、CO2流量26 L/h的工艺条件下，萃取温度分别为25、28、31、34和37℃的条件下萃取，以精油得率为考察指标，研究萃取温度对得率的影响。
1.2.3.3 萃取时间对金柑果皮精油得率的影响
在萃取压力14 MPa，萃取温度34℃、CO2流量26 L/h的工艺条件下，萃取时间分别为30、60、90、120、150 min的条件下萃取，以精油得率为考察指标，研究萃取时间对得率的影响。
1.2.3.4 CO2流量对金柑果皮精油得率的影响
在萃取压力14 MPa，萃取时间60 min，萃取温度34℃的工艺条件下，CO2流量分别为14、18、22、26、30 L/h的条件下萃取，以精油得率为考察指标，研究CO2流量对得率的影响。
1.2.4 正交试验
以精油得率为考察指标，以萃取时间、萃取压力、萃取温度、CO2流量为因素，设计4因素3水平的正交试验，得到金柑果皮精油萃取的最佳工艺条件。
1.2.5 项目测定
1.2.5.1 金柑精油的得率
精油得率（%）=×100
1.2.5.2 金柑果皮精油理化指标测定
酸值、酯值、密度、折光度、旋光度等物理化学指标参照国标及相关标准进行测定。
1.2.5.3 金柑果皮精油功能团的鉴定
（1）醇类：硝酸铈铵测定法。
将1 mL醋酸和0.5 mL硝酸铈铵溶液加入一个洁净的试管中（如果有沉淀生成，加3～4滴水使之溶解），再加5滴样品，振摇试管使溶解，观察反应现象。
（2）酚类：三氯化铁测定法。
在A试管中加2 mL水和几滴金柑精油溶液，在B试管中加2 mL水，然后将1～2滴1%的三氯化铁溶液分别加入到两支试管中，比较这两支试管中溶液的颜色的不同。
（3）醛酮类： 2，4-二硝基苯肼检验醛和酮。
于A、B两个试管中各加入10滴2，4-二硝基苯肼试剂和10滴95%乙醇，在A和B试管中各加入2滴样品，振荡，观察实验现象。
（4）不饱和脂肪酸的测定：溴的四氯化碳测定法。
准备A、B、C三根洁净的试管，向三支试管中各加入1 mL四氯化碳。将2～3滴样品加入到试管A和B中，然后分别在A、B两个试管中滴加入5%的溴的四氯化碳溶液，边滴加边摇动，观察褪色情况。
（5）羧酸衍生物：羟肟酸铁测定法。
将1滴液体样品和1 mL羟胺盐酸盐乙醇溶液加入一支干净试管中，混合均匀后，加0.2 mL 6 mol/L氢氧化钠溶液，将溶液煮沸，稍冷后将2 mL 1 mol/L盐酸溶液加入，如果溶液变浑，再加2 mL 95%乙醇，然后加1滴5%三氯化铁溶液，观察紫色是否出现，当紫色出现后很快消失，继续滴加5%三氯化铁溶液，直到溶液颜色稳定为止。紫红色表示正反应。
2 结果与分析
2.1 单因素试验
2.1.1 萃取压力对金柑果皮精油得率的影响
由图1可知，在CO2流量26 L/h、萃取时间60 min、萃取温度34℃的条件下进行超临界CO2流体萃取金柑果皮精油。当萃取压力小于14 MPa时，精油得率随着萃取压力的增加而增加；当萃取压力大于14 MPa时，精油得率随着萃取压力的增加而降低。这可能是因为当固定温度为34℃时，升高压力，超临界CO2的密度增大，CO2分子间的距离随之减小，溶质与溶剂间的相互作用增强，使得溶质在超临界CO2的溶解度增大，提高了精油得率。但压力过高（>14 MPa），传质阻力增大，不利于溶质的萃出，因此后续试验采用14 MPa的萃取压力。
2.1.2 萃取温度对金柑果皮精油得率的影响
在恒定萃取时间60 min、CO2流量26 L/h、萃取压力14 MPa的条件下，进行CO2流体萃取，研究不同萃取温度对金柑果皮精油得率的影响。由图2可知，当萃取温度小于34℃时，得率随萃取温度的升高而提高，但当提取温度达到34℃后，得率会随着温度的升高逐渐下降。一定量的气体在恒压的条件下，随着温度的升高，气体的体积增大，使气体的密度减小，但是随着温度的增大，气体分子平均动能增大使蒸汽压提高，因而萃取压力恒定时，温度变化使得溶剂的密度和溶质的蒸汽压变化共同影响精油的得率。因此萃取温度应为34℃。
2.1.3 萃取时间对金柑果皮精油得率的影响
由图3可知，在CO2流量26 L/h、萃取压力14 MPa、萃取温度34℃条件下进行CO2流体萃取金柑果皮精油，当萃取时间小于60 min时，萃取时间对精油的得率影响很大，随着时间的增长得率提高，当萃取时间超过60 min后，时间对精油的得率影响不大，可能是因为在60 min内大部分油脂都被萃取出来，接近萃取终点，综合考虑得率与人耗﹑能耗，故选择萃取时间为60 min。
2.1.4 CO2流量对金柑果皮精油得率的影响
在萃取压力14 MPa、萃取温度34℃、萃取时间60 min的条件下，分别在不同CO2流量下进行金柑果皮精油的萃取。由图4可知，CO2流量小于26 L/h时，CO2流量对得率的影响比较明显，几乎成线性关系。由于当CO2流量增大时， CO2与金柑果皮粉的接触面积增大，从而萃取速度提高。但是当CO2流量大于26 L/h时，得率曲线趋向平缓。这可能是由于CO2流量小于26 L/h时，加大其流量，传质推动力加大，传质速率加快，有利于萃取。但当CO2流量过大（>26 L/h），CO2与被萃取物接触时间减少，降低了得率，故选择萃取的CO2流量为26 L/h。
2.2 正交试验
在单因素试验的基础上，为了进一步确定各因素对金柑果皮精油得率的影响，选取萃取压力、萃取温度、萃取时间和CO2流量4个因素，进行L9（34）正交试验，考察各因素对金柑果皮精油得率的综合影响，确定金柑果皮精油超临界CO2萃取的最佳工艺条件。结果见表1。
由表1进行分析可知，上述4个因素对金柑果皮精油的得率的影响程度依次为：D>A>B>C，即CO2流量>萃取压力>萃取温度>萃取时间。最优工艺组合为A1B2C3D3，即萃取压力14 MPa，萃取温度31℃，萃取时间120 min，CO2流量26 L/h。
用最佳组合工艺进行了5次试验，得率分别为5.05%、5.06%、5.10%、5.12%、5.06%，平均得率为（5.08±0.03）%，最大误差为0.07%。由此可知，结果比较理想，验证了最佳组合的正确性。
2.3 部分理化性质
金柑果皮精油理化指标测定，酸值：A.V.=0.466 8；酯值：EV=4.245 6；密度：1/d 20℃5 mL=0.838 0 g/mL；折光度：1.470 7；旋光度：1.366 8。
1 mL精油与95%乙醇混溶度：当加入0.1 mL乙醇时开始混浊，当加入2.1 mL乙醇时浑浊度最高，当加入2.6 mL乙醇时开始变澄清，当加入6.1 mL乙醇时完全澄清。结果：精油与95%乙醇的互溶比例为1∶6.1。
2.4 部分功能团鉴定
通过金柑果皮精油功能团鉴定，醇类：通过硝酸铈铵试验呈红色；酚类：通过三氯化铁试验无颜色反应；醛酮类：通过2，4-二硝基苯肼检验醛和酮呈红色；不饱和脂肪酸：有轻微退色现象；羧酸衍生物：通过羟肟酸铁试验呈黄色乳浊液。
结果表明，金柑果皮精油含有醇类，不含有酚类，含有醛酮类，有不饱和脂肪酸，不含有羧酸衍生物。
3 小结
各因素对金柑果皮精油得率的影响程度顺序为：CO2流量>萃取压力>萃取温度>萃取时间，金柑果皮精油超临界CO2流体萃取的最佳工艺条件为：萃取压力14 MPa、萃取温度31℃、萃取时间120 min、CO2流量26 L/h。在此最优条件下，金柑果皮精油得率为（5.08±0.03）%。
金柑果皮精油理化性质研究结果表明，在20℃条件下，酸值为0.466 8、酯值为4.245 6、密度为0.838 0 g/mL、折光度为1.470 7、旋光度为1.366 8，精油与95%乙醇的互溶比例为1：6.1。金柑果皮精油功能团鉴定结果表明，金柑果皮精油含有醇类、醛酮类、不饱和脂肪酸，不含酚类、羧酸衍生物。
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工艺流体 篇4
先进聚合物基复合材料轻质高强的优质性能,使其应用越来越广泛。例如,宝马、法拉利、兰博基尼、福特、奔驰、保时捷、标致等都已经推出了碳纤维复合材料概念车型,空客A380的复合材料使用量达到30t,X-45C、“雷神”等无人机复合材料的使用量高达90%左右。随着风电产业由千瓦级向兆瓦级迈进,风电叶片的长度已由最初的10m发展到现在的60m,所用材料逐步由碳纤维或碳玻混杂纤维代替玻璃钢[1,2,3,4,6]]。
随着复合材料使用量的增加,解决其高成本问题就变得更为迫切。美国等西方国家为了降低复合材料的成本实施了ACEE、ACT、CAI、DMLCC、LCCP、ALCAS、AFS等一系列计划。欧洲也实施了一些类似的计划,如TANGO、FUBACOMP、ALCAS和EDAVCOS等[6]。由于制造成本占复合材料总成本的80%左右,因此低成本制造技术是低成本技术的核心[7]。VIMP工艺作为一种非热压罐干纤维液体成型工艺,能够有效降低复合材料的工艺成本,是低成本制造技术发展的重要方向。
然而VIMP工艺在降低成本的同时,也带来了纤维预成型体厚度控制的问题。纤维预成型体具有柔弹本性,其在加载压实作用下会发生体积收缩,在卸载作用下会发生回弹松弛。在传统的RTM工艺中,预成型体的厚度在双面刚性模具的制约下可以得到有效控制,因此其产品的尺寸精度较高。但工装成本非常高,为了进一步降低成本,VIMP工艺作为RTM的衍生技术得到快速发展。而VIMP工艺的上模为真空袋膜,其对预成型体的约束较差,当压实压力发生变化时,预成型体的厚度也会随之改变,并最终使制品的尺寸在厚度方向上公差较大[8](见图1)。由流体压力变化引起的纤维预成型体厚度变化是VIMP工艺面临的主要挑战之一,本文综述了纤维预成型体厚度变化规律、厚度变化对VIMP工艺控制的影响、厚度变化对复合材料的影响以及目前采用的厚度控制手段,并对VIMP工艺厚度变化的理论研究和工艺控制进行了展望。目前关于纤维预成型体厚度变化和流体压力变化的研究主要通过模型分析、压缩响应实验、真实VIMP工艺实验等手段进行。
1 纤维预成型体厚度变化和流体压力变化规律
VIMP工艺注胶过程中纤维预成型体的厚度变化行为分为以下几个阶段:(1)预压实阶段,抽真空,纤维预成型体在真空负压下被压实,厚度下降;(2)纤维嵌套阶段,在抽真空完成后,维持一段时间,纤维在嵌套作用下发生沉积,厚度下降;(3)润滑效应,树脂浸润纤维织物过程中减小了纤维丝束间的摩擦系数,促使纤维进一步进行滑移嵌套,使预成型体厚度下降;(4)弹性回复阶段(卸载阶段),注胶时树脂流体的静压分担了一部分纤维预成型体受到的大气压力,使压实压力减小,纤维预成型体发生迅速的弹性回复,使厚度增大;(5)纤维松弛阶段,压实压力维持恒定时,在纤维松弛作用下厚度随时间缓慢增加。
1.1 纤维预成型体压缩响应特性
VIMP工艺纤维预成型体厚度变化的本质在于预成型体具有压实回弹特性。很多研究团队通过研究纤维预成型体的压缩响应行为考察了纤维预成型体的压实回弹特性。比如Chen等[9]研究分析了单层编织材料及具有嵌套效应的多层编织材料的压缩行为。Gutowski等[[10,11]假设压实不具有时间依赖性,建立了Gutowski压实模型:
式中:As为预成型体回弹常数,vf0为压实压力为零时的纤维体积分数,vfa为纤维体积分数的理论最大值,这3个参量都与织物的结构有关,其值要么估算要么由实验测得。Pcomp和vf分别为预成型体受到的压实压力和在压实压力Pcomp作用下预成型体的纤维体积分数,其中Pcomp是大气压力与局部流体压力的差值:
1998年Robitaille等[12-14[12,13,14]发现纤维体积分数和压实压力满足经验幂律方程:
同样,这个模型也要假设压实不具有时间依赖性,即压实是瞬间完成的。这里vf0为1Pa时的纤维体积分数,B是与纤维结构相关的硬度指数。vf0和B可以通过对实验数据进行最小二乘法拟合得到。在实践中,式(3)可以用来获得压实压力数据,而且相关系数通常可以达到0.98以上。
注意,Gutowski模型只适用于单向织物预成型体,而简单模型(3)对于复杂织物结构同样适用。
另外,可以通过式(4),结合压实模型(3)来预测层合板的厚度:
式中:h(Pcomp)和vfP(comp)分别是在压实压力Pcomp下预成型体的厚度和纤维体积分数,n为织物铺层层数。
Hammami和Gebart[15]系统研究了单向纤维布的铺层方式、铺层层数和加载速度等工艺参数对干态和湿态织物压缩响应行为的影响,指出了实验数据和Gutowski模型、Toll模型、插值法模拟结果的差异。结果表明,压实压力不大于0.1MPa和加载速度为2mm/min时,单向布的铺层层数和铺层方式对干态压实的影响很小。加载速度对湿态压实的影响比对干态压实的影响大,加载速度较小时得到的纤维体积分数较高,是润滑效应作用下加载速度较小时纤维有较充足的时间进行嵌套所致。干态压实和湿态压实的差异较大,压实压力约81kPa时,两种情况下的纤维体积分数相差10%左右,这个现象与润滑效应相关。实验与模拟的对比结果表明Gutowski模型和插值法与实验的贴合程度比Toll模型要好。
Correia等[16]通过循环加载实验研究了三维缝合纤维预成型体(3层)的压缩松弛行为。图2说明存在压实滞后现象,即压实不是瞬间完成的。压实压力和纤维体积分数的对应关系与循环次数有关,随着循环次数增大,在相同压实压力下,纤维体积分数增大。另外,在Correia的研究中也观察到了润滑效应。图3中干态织物与湿态织物压实行为的对比数据说明湿态织物在相同压实压力下可以得到较高的纤维体积分数,这种差异是润滑效应所致,即流体润湿纤维时降低了纤维间的摩擦系数,使其易于滑移嵌套。
润滑效应对VIMP工艺会产生明显的影响:预成型体在干态下压实,然后在注胶浸润过程中润滑效应会促使纤维滑移嵌套,从而降低预成型体的厚度,提高纤维体积分数,减小织物的渗透率。2001年Grimsley等[17]采用3个LVDT传感器和3个压力传感器分别监测注胶过程中的厚度变化和流体压力变化,在流动前锋到达以后,局部树脂压力开始增加之前,可以看到显著的润滑效应,尤其是厚预成型体,润滑效应引起的厚度下降幅度更加明显,当局部流体压力开始增加以后,弹性回复和纤维松弛成为主导预成型体厚度变化的主要因素,并使最终固化成型的构件厚度增加。2003年,Andersson等[18]建立了纤维体积分数和压实压力的关系,其中引入了一个与增强体柔性相关的常量,这个常量与预成型体是否浸润相关,可以用来研究润滑效应。2005年,Tackitt和Walsh[19]采用55点阵的LVDT传感器来监测VIMP工艺构件的厚度变化,在线注胶和点注胶中均考察了felt和S2-glass两种织物的情况,研究发现felt织物由润滑效应引起的嵌套行为不是很明显,而S2-glass织物的嵌套却很显著,并且其嵌套与流体流速相关。2008年Govignon等[20]采用DSS监测二维平面模具中预成型体的厚度变化,在所有实验中均观察到润滑现象,尤其在连续无规毡中润滑效应最显著,另外由于面外流动比面内流动速度低,当使用导流网时润滑效应会减弱。2009年Bayldon和Daniel[21]分别通过干态和湿态纤维预成型体压实特征实验模拟纤维预成型体未润湿和100%润湿时的润滑效应,并在0和100%之间使用线性插值方法研究不饱和润湿时的润滑效应,以用来模拟流动前锋附近不饱和区域的润滑行为。
梁子青等[22]采用空白织物与预定型织物对比研究了定型剂预定型织物对预成型体可压缩性的影响。预定型织物对压缩载荷的响应方式与织物层数及定型剂含量有关,随着织物层数增加,在相同载荷作用下易于获得较高的纤维体积分数。预定型处理降低了织物的可压缩性,随定型剂含量的增加,织物纤维体积分数下降。
杨金水等[23]设计了真空加载压实实验,采用VIMP工艺考察纤维织物的压缩响应规律,压实压力由真空表控制,预成型体厚度变化由千分表监测。杨金水等最初主要研究了循环加载、织物形态、纤维种类、织物层数、铺层方式和混杂方式等参数对VIMP工艺中纤维预成型体压缩行为的影响,并通过式(4)推导出混杂纤维预成型体纤维体积分数的计算公式:
式中:j代表不同种类纤维;nj为第种纤维布的层数;εj为第种纤维布的表面密度;ρj为第j种纤维布的体密度。织物在加载压实的过程中其运动主体的尺度可分为3种:织物水平、纤维束间水平、纤维束内水平。织物水平的变形主要是织物面外小变形的累积。由于织物的面外弯曲刚度较小,织物水平的变形可在较低载荷下完成,这一阶段预成型体纤维体积分数的增加主要由织物层间距离变化导致,可称为预压实阶段;而压实阶段预成型体纤维体积分数增加的原因主要是经纬向纤维束倾角的变化、纤维束的滑移贴合和纤维束的压扁变形。循环加载过程就是上述3种尺度压缩变形的反复压实紧密和整合的过程。实验结果表明,预成型体纤维体积分数随着压缩循环加载次数的增加而逐渐增大,但增幅呈现逐渐减小的趋势。在相同的压缩载荷下,预成型体的纤维体积分数随着织物层数的增加而增大,但增幅很小,对于VIMP制备复合材料构件而言基本可以忽略。纤维预成型体在压缩载荷下的响应方式与织物形态、纤维种类、铺层方式和混杂方式等因素密切相关,单向铺层比正交铺层更容易压缩而获得较高的纤维体积分数;夹芯混杂比层间混杂方式更容易压缩。杨金水等[24]随后又研究了压实压力、压实时间、压实周期和织物层数对纤维压实的影响,并引入松弛因子来表征预成型体的松弛特性。松弛因子的表达式为:
式中:R为松弛因子,hi为纤维预成型体初始厚度,hf为压实压力下纤维预成型体至少在5min以内维持稳定的厚度。杨金水等通过实验和采用双参量幂律方程模拟发现实验和模拟存在较大差异,并对幂律方程进行修正,得到了联系压实压力和纤维体积分数的三参量幂律方程:
式中:v0为压实压力为0.00MPa时的纤维体积分数。由幂律方程与纤维体积分数和厚度的关系,可以进一步得到厚度和压实压力的关系:
式中:h为压实压力为P时纤维预成型体的厚度,h0为P=0.00MPa时纤维预成型体的厚度,c和d为常量。另外,杨金水等研究了加载时间对压实的影响,在P=0.10 MPa时至少需要20min纤维预成型体的厚度才会基本稳定。通过拟合实验数据,获得了纤维预成型体厚度和加载时间的函数关系:
式中:hi为P=0.10 MPa时纤维预成型体的初始厚度,t为加载时间,e和f为实验参量。相应地,由厚度和纤维体积分数的关系,可以得到纤维体积分数与加载时间的关系:
式中:vi为P=0.10 MPa时纤维预成型体的初始纤维体积分数,g和k为实验参量。此外,式(7)为假设压实不具有时间依赖性的静态压实公式,对于循环加载不再适用,杨金水等建立了循环加载周期与预成型体厚度的关系:
式中:h1为第一个加载周期中纤维预成型体的最小厚度,nc为循环加载周期,u为实验参量。根据厚度与纤维体积分数的关系,进一步得到循环加载周期与纤维体积分数的关系:
式中:v1为第一个加载周期中纤维预成型体的最大纤维体积分数,m为实验参量。
上述关于纤维预成型体压缩响应的研究主要关注的是纤维的压实过程,对回弹松弛过程的研究明显不足,而VIMP工艺注胶过程中引起纤维预成型体厚度增加的恰恰是纤维的回弹松弛。针对这个问题,Yenilmez和Sozer[8,25,26]做了大量工作,不仅进一步研究了纤维预成型体的压实特性,还弥补了纤维预成型体松弛特性研究不足的问题。
Yenilmez等对VIMP工艺构件厚度和压实压力变化行为进行了较系统的研究。2008年Yenilmez等[25]研究了无规织物的干态压实和干/湿态压实行为,设计了渗透率测试实验,建立起渗透率和压实响应数据库,并通过将渗透率和压实数据代入Correia模型进行了模拟,另外Yenilmez等还使用千分表和微型压阻式压力传感器采集了VIMP工艺注胶过程中的厚度和流体压力的数据,并将实验结果和模拟结果进行了对比。在该研究中,Yenilmez等得到了较多的成果。在压实响应研究中,Yenilmez等除研究了压实滞后和润滑效应的影响,还初步研究了纤维沉积和松弛行为。在织物渗透率研究中,Yenilmez等发现logK和vf存在线性关系。通过求解Correia模型,并代入压实和渗透率数据,Yenilmez等模拟出VIMP工艺中厚度、纤维体积分数、渗透率和流体压力的分布曲线。另外,Yenilmez等还对比了干/湿态压实数据和干态压实数据对模拟的差异,发现其数据对流体压力曲线的分布没有影响,但对厚度曲线影响较大,这种影响是干态压实数据没有考虑润滑效应造成的。另外,Yenilmez等的VIMP工艺实验数据和干/湿态压实数据的模拟结果非常接近,这也说明对于压实实验来说,干/湿态压实更接近VIMP工艺的真实情况。
2009年,Yenilmez等[8]进一步研究了纤维预成型体的松弛行为,研究中使用了3种纤维织物,分别是连续无规纤维毡、平纹布和双轴向织物。通过研究这3种织物的压实松弛特性,Yenilmez等发现:在预压实阶段,3种织物预成型体的厚度相对于初始厚度下降了约50%;卸载阶段(模拟VIMP工艺注胶时压实压力减小过程)厚度变化比加载阶段小,实验中当压实压力快速下降到2kPa时,厚度会突然增大,但增加值仅仅为1.4~1mm,而在快速加载时,厚度会快速下降7~5mm。无规织物和平纹布的润滑效应不同,无规织物的压实特性实验中观察到了明显的润滑效应,而平纹布的压实特性实验中润滑效应并不明显。3种织物在压实压力高于40kPa时均观察不到明显的弹性回复和纤维松弛现象。在松弛行为研究中,Pc=80kPa时不仅没有纤维松弛现象,而且此时纤维嵌套作用对厚度的影响依然起主导作用,致使厚度下降,在Pc=60kPa和40kPa时,有微弱的弹性回复和松弛现象,当Pc≤20kPa时,弹性回复和纤维松弛均会引起明显的厚度增加。另外,Yenilmez等还对比分析了3种织物不同铺层结构以及导流网对压实松弛特性的影响,纤维松弛行为说明基于厚度和压实压力的瞬时响应模型是一种简化处理,与真实的VIMP工艺情况不符,真实的VIMP工艺应该考虑纤维松弛的时间依赖性。
2012年,Yenilmez等[26]在前述工作的基础上对VIMP工艺厚度变化进行了更深入的模拟和实验对比分析。他们构建了3个模型:模型A采用Correia流动模型和考虑了卸载、松弛两个过程的压实模型;模型B采用Correia流动模型和仅考虑卸载数据的压实模型;模型C的流动模型假设流体压力分布为线性分布,压实模型仅考虑卸载数据。这3个模型的压实松弛数据均来自于2009年Yenilmez等的实验结果,并且采用与2008年相同的实验手段获得。对比结果表明模型A与实验情况最接近。通常VIMP工艺注胶过程中存在润滑效应,但并不是所有织物都能表现出此效应。无规织物的润滑效应较明显,而平纹布和双轴布的润滑效应较弱。Yenilmez等模拟了3种织物的流体压力场,对其偏离线性的程度进行了对比;进一步研究了渗透率与纤维体积分数的关系,提出了渗透率关于纤维体积分数的经验模型;在Pc≥10kPa时,纤维松弛引起的厚度变化很小。
1.2 纤维预成型体渗透率特性
纤维预成型体作为多孔结构材料具有另一特性,即渗透率特性。渗透率和厚度存在耦合关系:厚度增大时,预成型体孔隙率增大,渗透率增大,反之亦然;根据达西定律可知渗透率变化时,流体流速会随之变化,而流速与厚度为耦合关系(见膨胀速率方程)。即VIMP工艺纤维预成型体的渗透率和纤维预成形体的厚度在注胶过程中相互影响。
1927年Kozeny[27]最早提出了流体在多通道毛细管中渗流的半经验模型,Carman[10]后来对这个模型进行了证明和修正。如今Kozeny-Carman模型(简称KC方程)已经广泛应用于多孔介质的渗流研究,纤维预成型体作为多孔材料,其渗透率模型也常常采用KC方程:
通常认为对于单向织物的横向渗透率,当纤维体积分数足够大,使流体无法进行横向流动时,采用KC方程计算得到的横向渗透率大于零,即出现与实际情况不相符的情况。为了解决这个问题,1987年Gutowski等[10]提出了一个修正模型:
模型(14)虽然解决了单向织物紧密压实下的横向渗透率问题,但由于渗透率与纤维取向有关,对于正交各向异性的纤维织物,采用模型(14)时需要做大量不同的实验才能求解,给研究应用带来很多不便。1992年Gebart等[28]采用柱阵模型的近似润滑法来研究正交各向异性纤维织物的渗透率,其轴向渗透率和横向渗透率的表达式分别为:
因为这一模型要求柱体紧密堆积,所以孔隙率必须很低,研究表明该模型适用于孔隙率低于40%时的情况,随着孔隙率提高,计算误差增大。1993年Bruschke等[29]提出在较低的纤维体积分数时采用细胞模型(也属于柱阵模型),在较高的纤维体积分数时采用近似润滑法,这种混合模型可以较好地预测纤维织物的渗透率。虽然规则排列柱阵模型对简单纤维增强体渗透率的预测效果较好,但其没有揭示纤维束内微观流动与纤维束间宏观流动的关系,需要进一步研究。另外,由于上述对一维流动求解流体压力场方程时采用式(13)进行简化计算,因此其与实际情况存在一定的偏差。
Yenilmez等[25,26]利用RTM工艺一维流动模型并结合渗透率理论公式(式(17))获得渗透率数据,通过织物厚度与纤维体积分数的关系获得纤维体积分数数据,通过渗透率和厚度的关系得到了渗透率与纤维体积分数的曲线关系。拟合曲线,进一步得到渗透率和纤维体积分数的经验模型(式(18))。
式中:Q为流量,μ为树脂粘度,w、h和L分别为织物的宽度、厚度和长度,Pin和Pout分别为注胶口和出胶口处的流体压力。
式中:a和b均为与织物结构相关的常量。Yenilmez经验模型说明logK和vf存在线性关系。
Correia等[14]采用理论推导的方式分析VIMP工艺和RTM工艺织物渗透率的关系,其推导存在部分错误,笔者在后文给出了Correia的推导过程并对Correia的推导进行了修正。
1.3 VIMP工艺厚度变化模型
1.3.1 一维线性流动模型
2005年,Correia等[16]对一维线性流动模型进行了系统整理和推导,得到了广受认可的Correia模型,其整理和推导过程如下。
纤维预成型体为多孔织物结构,树脂液体浸润织物的行为属于渗流力学的范畴。Gebart[28]和Gutowski[10,11,30]将水渗流理论应用到复合材料的制造工艺中。水渗流理论的基础为连续性方程:
该方程将穿过控制体单元边界的流速与膨胀/压实速率、流体密度/介质孔隙率联系在一起。
Gutowski等是最早关注复合材料压实行为的一批科学家。但是他们的研究仅仅局限于双面刚性模具的复合材料制造技术(比如RTM工艺)。尽管纤维预成型体厚度变化具有时间依赖性,但在双面刚性模具中厚度变化受到限制,与VIMP工艺中的情况并不相同。
图4为VIMP工艺树脂液体一维渗流过程中控制体积单元,图中树脂流动方向为x方向,控制体积单元厚度h(x)为层合板的厚度。2005年Correia等[16]对该模型应用连续性方程式(19),推导出VIMP工艺纤维预成型体膨胀速率方程:
式中:控制体膨胀速率为单位时间dt内层合板厚度的变化量dh,即;u为边界流体速率。
Correia等并不是最早推导出控制方程(式(20))的研究者。早在1987年Gutowski等[10]就推导出方程(20)的不同代数表达式。2000年Hammami等[15]采用与Gutowski等相同的方法再次进行推导。2000年Han等[31]在Scheidegger[32]土壤压实研究的基础上得到了一个新的模型,这个模型经过一些化简可以写成与方程(20)类似的表达式,Correia等对比了这两个表达式的差异,并获得了采用这两个表达式求解出的流体压力场数据,对比发现Han等的模型会导致流体压力梯度被低估。2001年Kang等[27]在Dave[33]的研究基础上,给出了VIMP工艺的另一个模型,同样,这个模型也可以转化为与方程(20)相似的表达形式。Correia等[16]分析了上述前人研究成果,并证实了这些看起来不相同的模型都可以统一于方程(20),并确定了其在VIMP工艺中控制方程的重要地位,为进一步的分析研究奠定了基础。
在总结归纳前人工作成果的基础上,Correia等不仅对控制方程做了统一,还对VIMP工艺模型进行了进一步的拓展,得到了VIMP工艺纤维预成型体中流体压力场随流动前锋位置前移的分布特性方程为:
式中:为无量纲常量,x为注射口至流动前锋位置范围内任意点的流体位移,L为流动前锋位置,0≤α≤1,α=1表示为流动前锋位置,α=0表示为注射口位置;表示流动前锋位置纤维预成型体的厚度;分别表示预成型体厚度和渗透率对流体压力求导。综合式(2)、式(3)和式(4)可以得到的表达式:
由式(2)、式(3)和式(13)可以得到dK/dP的表达式:
值得关注的是,式(21)消除了变量时间t,使得无需针对每一时间步长进行计算就可得到一维流动的流体压力场分布。
1.3.2 二维径向流动模型
2007年,Modi等[34]在一维线性流动模型的基础上研究了二维径向流动的工艺模型。图5为VIMP工艺径向流动时控制体单元示意图,厚度为时间和位置的函数。
采用连续性方程进行推导得到VIMP工艺径向流动时的膨胀速率方程:
将达西方程代入式(24)得到:
将式(25)进行变形得到:
令
则
此时,对式(25)化简得到:
其中
因此,VIMP工艺径向流动时树脂流体压力场随流动前锋位置前移的分布特性方程为:
1.4 VIMP工艺中流体压力场分布规律
流体压力场分布直接影响压实压力场分布,而压实压力和纤维预成型体的厚度关系紧密。Correia等[16]通过对方程(21)进行有限差分法求解,获得流体压力场分布,研究了织物种类、铺层层数、注胶口和真空端压力值等工艺参数对流体压力场分布的影响。表1为Correia所研究织物的压实模型数据,图6中Correia等对比了同种铺层层数的不同织物的流体压力场分布。从注胶口到真空端压实逐渐紧密,对应渗透率逐渐减小,局部流体压力梯度则逐渐增大;而不可压缩介质(比如RTM工艺中织物)的流体压力场分布曲线为线性,对应流体压力梯度也为常数。结合表1中数据,发现3种织物的初始纤维体积分数不同,初始纤维体积分数越大,其曲率越小,即可压缩织物的流体压力分布随着初始纤维体积分数增加偏离线性分布的程度减弱。图7展示了同种织物不同铺层层数的流体压力场分布,结合表1数据,可知层数增加,硬度指数B减小,压实更紧密(初始纤维体积分数vf0增大),其流体压力场分布曲线曲率半径越大。综上,Correia等研究表明,织物种类和层数影响vf0,vf0越大,其流体压力场越趋向于线性分布。
需要注意的是Correia的实验数据中存在一些错误。首先,表1存在排版问题,“层数no.layers”和“初始纤维体积分数vf0”与所对应数据出现错位;其次,标号①处的数据与实验规律相悖,没有参考价值;标号②处数据出现错位,为EBX936的实验数据;此外,图7中流体压力单位标错,更正为kPa。
此外Correia等还研究了注胶口和出胶口压力值对流体压力场分布的影响(见图7)。图8中,曲线A和曲线B具有相同的压差,不同的是曲线A模拟的是在大气稀薄环境时的注胶环境,曲线B模拟的是抽真空不完全时的注胶环境。尽管A和B具有相同的压差,但其流体压力场分布并不相同,曲线B的曲率明显高于A,相应的曲线B条件下的压实较曲线A条件下弱。而曲线C代表正常大气环境下完全抽真空时注胶的状态,其流体压力场曲线曲率最大,压实最弱。
结合流体压力场数据和压实模型,Correia等进一步获得纤维体积分数和厚度的分布曲线(见图9)。而纤维体积分数和厚度的分布数据可以用来预测树脂的使用量和构件的局部力学性能。另外,厚度和质量是VIMP工艺产品的品质指标,可以用来进行工艺的优化设计。
杨金水等[35]采用与Correia相同的研究方法进行了进一步的拓展研究,求解了流体压力场,并结合压缩响应实验数据研究了300CUD和600GUD两种织物的流体压力场分布规律与织物种类、织物铺层层数的关系,并且通过流体压力场的模拟结果研究了纤维体积分数和渗透率分布与铺层层数的关系。
另外,对于VIMP工艺一维流动模型的流体压力场分布规律,除数值分析求解方法外,许多研究者还采用实验的方法进行研究。杨金水等[35]在模具平板上安装了6个压力传感器用来监测VIMP工艺注胶过程中树脂流体压力的变化,并将实验结果与Correia方程数值模拟结果进行了对比,发现其变化趋势基本一致。Yenilmez等[26]采用5个压力传感器进行监测,并采用3种理论模型进行模拟对比,相关研究在1.1小节已有说明,不再赘述。Hammami和Gebart[15]采用1个压力传感器监测注胶过程中的流体压力变化,通过流体压力和压实压力的关系,研究了压实压力和纤维体积分数的关系。Arulappan等[36]采用OME压力传感器研究了VIMP工艺注胶过程中平板、带孔平板、L形板在0°、90°及准各向同性铺层时的流体压力规律。
上述均为一维线性流动时的流体压力场分布的研究情况。在一维线性流动的研究基础上,Modi等[34]成功推导出二维径向流动的流动方程,并对比研究了一维线性流动和二维径向流动的流体压力场分布情况。在进行流体压力场求解时,Modi等采用了3种方法,分别为一阶欧拉法、四阶Runge-Kutta法和有限差分法。3种方法的结果显示前两种方法的计算结果极为吻合,而第3种方法的计算结果介于RTM工艺数据和前两种数据之间。对于这种现象Modi等分析了其原因,认为采用有限差分方法进行求解时存在一定的错误,在进行重新计算区域内每个单元的厚度和纤维体积分数时,在每一步计算中保持节点数与上一步一致会导致质量转化的损失,并得到错误的压力解,这是导致流体压力梯度被低估的原因。Modi等采用上述3种解法研究了不同织物种类(分别为单向布、双轴向布、三轴向布)在一维线性流动和二维径向流动时的流体压力场分布情况,发现织物压实特性越差,3种解法的差异越小,有限差分法引起的误差也越小。另外,两种流动方式的流体压力场分布存在明显的差异,一维线性流动时流体压力分布曲线为凸曲线,而二维径向流动时流体压力分布曲线为凹曲线。这就使得二维径向流动时注胶口的压力梯度比流动前锋位置的压力梯度大,而一维线性流动时注胶口的压力梯度比流动前锋位置的压力梯度小。
2 厚度变化对VIMP工艺的影响
纤维预成型体厚度变化对VIMP工艺的影响主要有两个方面:引入厚度控制问题;影响渗透率、树脂液体充模时间、树脂消耗量等工艺参数。
首先,厚度控制不精确不只影响复合材料构件的外观尺寸,还会对复合材料的内部结构和力学性能产生消极的影响,这是VIMP工艺与RTM工艺相比较为显著的缺陷之一。目前VIMP工艺进行厚度控制的手段主要有添加定型剂法、过流控制法、半透膜工艺和双袋膜法。定型剂法是较为传统的厚度控制方法,其原理是采用定型剂定型纤维预成型体,使纤维铺层之间具有粘结力,以抵制流体压力对纤维预成型体刚度的破坏。定型剂法的问题在于只能在一定程度上提高纤维预成型体的刚度,在流体充模时依然存在厚度变化,且其添加量需要严格控制,否则对树脂基体以及最终制品的力学性能都会产生消极影响[3[37,38,39,40,41]。过流控制法是在流体完成充模以后,停止注胶,继续抽真空,以使树脂流体在真空牵引下继续流动从而使纤维预成型体厚度趋于均一,这个过程称为厚度再平衡过程。过流控制法是较为常见的厚度控制方法,但这种厚度控制方法并不能从根本上解决厚度控制问题,只能在一定程度上使厚度均一化。需要注意的是过流控制时间对厚度的影响很大,需要严格控制[42,43,44,45]。在工程实践中,大尺寸厚构件的制备常常采用Z向注胶的方式,杨金水等在Z向注胶时在纤维预成型体上铺覆了一层半透膜,半透膜可以保证真空牵引的均一性,从而获得厚度均一的复合材料制品,但是这种方法并不能抑制注胶过程中纤维预成型体的回弹松弛[35]。双袋膜法是采用内外两个型腔进行厚度控制的方法,它可以显著提高纤维体积分数,目前关于这种厚度控制方法的研究文献较少,厚度控制的原理也不明确[46,47,48,49,50]。
其次,厚度变化会改变纤维预成型体的孔隙结构,使孔隙率增加,孔隙率增加会使渗透率增大,而较高的渗透率有利于VIMP工艺注胶过程中树脂对织物的充分浸润。结合Yenilmez等[26]拟合实验结果得到的渗透率经验模型(式(18))和纤维体积分数与厚度的关系公式(式(4))可以得到渗透率和厚度的经验模型:
式中:a和b均为经验常数,ρsup为织物的面密度,ρ为织物的体密度,n为织物铺层层数。
另外,在相似的工艺控制条件下,厚度变化引起的流体压力场非线性分布致使VIMP工艺的流动前锋位置的压力梯度比RTM工艺要高,由Darcy定律知,此时VIMP工艺流动前锋的移动速度较快,因此VIMP工艺的注胶充模时间比RTM工艺要短。关于VIMP工艺与RTM工艺的注胶时间关系,第3节进行了详细的讨论,这里不再赘述。Correia等[16]对RTM工艺和VIMP工艺注胶时间进行了推导,并采用其推导出的公式进行模拟分析(其推导存在瑕疵,详见第3节)。Correia等的模拟分为3个部分:对比了4种织物的充模时间曲线,分析了纤维体积分数对充模时间的影响,模拟结果说明纤维体积分数越大,充模时间越长;模拟了NCS81053织物的VIMP工艺和RTM工艺的充模时间,结果说明VIMP工艺充模时间较短;分析了出胶口的压力值对比例系数Cα的影响,结果说明出胶口压力值越大,压差越小,VIMP工艺和RTM工艺充模时间的差异越小。
Modi等[34]在Correia的研究基础上推导了VIMP工艺和RTM工艺一维线性流动和径向流动时的充模时间公式,并分析了两种流动方式时VIMP工艺和RTM工艺充模时间的关系。尽管Modi没有指出Correia推导过程中存在的问题,但是其推导结果与笔者推导的结果相一致。Modi分析了4种织物在两种流动方式下VIMP工艺和RTM工艺的充模时间,发现高空隙、压实特性好的织物的VIMP工艺充模时间均比相应的RTM工艺的充模时间短,这是由于VIMP工艺的一维线性流动和二维径向流动的流动前锋处的流体压力梯度均比相应的RTM工艺高所致。Yalcinkaya和Sozer[51]采用实验和模拟的方法对厚度变化与充模时间的关系进行了分析,从实验的角度验证了一维线性流动时VIMP工艺比RTM工艺充模时间短。
由于VIMP工艺在注胶过程中存在回弹松弛问题,所以其树脂消耗量必然高于相同情况下的RTM工艺。对于树脂消耗量的研究并不常见,在此不做展开。
3 VIMP工艺和RTM工艺渗透率和充模时间关系的推导和修正
3.1 Correia等关于VIMP工艺和RTM工艺渗透率和充模时间关系的推导
RTM工艺注射阶段,纤维预成型体压实压力Pcomp和厚度h均为常数,即纤维预成型体在RTM工艺中相当于不可压缩介质,满足:
一维流动时,Darcy定律可表示为:
式中:u为渗流速度,K为渗透率,μ为黏度,为压力梯度。
综合上述公式,可得RTM工艺充模时间tRTM的表达式:
式中:ΔP为驱动压力。
VIMP工艺一维流动模型中流体压力场不再是线性分布,此时式(33)要由式(21)代替。VIMP工艺注射过程中树脂流动的Darcy定律可以表示为:
式中:(K)α=1、(φ)α=1和d(P/dα)α=1分别表示流动前锋位置(α=1)的渗透率、孔隙率和流体压力梯度。
求解式(36)可得VIMP工艺充模时间tVIMP的表达式:
对比式(35)和式(37)可知,无论厚度是否具有压力依赖性,树脂充模时间均为流动前锋位置平方的函数。这个现象在Correia等的实验中也有观察到。
为了对比分析,假设VIMP工艺中树脂流动前锋位置处的渗透率和RTM工艺中纤维预成型体的渗透率相等,可得到两种工艺的充模时间的比例常量:
参数Cα可以用来对比VIMP工艺和RTM工艺中压实和渗透性能对树脂流动行为的影响。当RTM工艺和VIMP工艺流动前锋位置处压实条件相同时,若RTM工艺采用较高的驱动压力则可以获得与VIMP工艺相等的充模时间。
结合式(37)和式(38)可以得到与驱动压力ΔP相关的tVIMP的方程式:
使用相同的材料时,如果流动前锋位置处的厚度相等,则RTM工艺纤维预成型体各处的渗透率与VIMP工艺流动前锋位置处的渗透率相等,即如果式(48)成立,可得式(49):
则VIMP工艺的表观渗透率KVIMP可以由式(39)和式(35)求得:
与RTM工艺不同,VIMP工艺各处的表观渗透率KVIMP是压实压力场和材料压实特性的函数。通过式(42)可以建立起KVIMP和KRTM的关系,从而通过某种材料RTM工艺的实验结果确定其VIMP工艺的渗透率,反之亦然。
3.2 笔者对Correia推导过程的修正
一维流动时,Darcy定律可表示为:
式中:u为渗流速度,K为渗透率,μ为黏度,dP/dx为压力梯度。
渗流速度u和真实速度v存在关系:
式中:φ为纤维预成型体孔隙率,真实速度v=dL/dt。
把真实速度的微分形式代入式(43),可以得到:
式中:,α为无量纲常量,x为注射口至流动前锋位置范围内任意点的流体位移,L为流动前锋位置,0≤α≤1,α=1表示为流动前锋位置,α=0表示为注射口位置。
对于RTM工艺,由于
所以有
将式(47)代入式(45),则得:
对式(48)进行变形、积分,可得RTM工艺充模时间tRTM的表达式:
式中:tRTM为从开始注胶至流动前锋位置处的充模时间;φ、μ、K分别为织物的孔隙率、树脂粘度、织物的渗透率,在RTM工艺中这3个参量均可作为常量处理;L为流动前锋位置;ΔP为驱动压力。
对于VIMP工艺,流体压力场呈非线性分布:
对式(45)进行变形、积分,可得VIMP工艺充模时间tVIMP的表达式为:
式中:tVIMP为树脂从注胶口流动到流动前锋位置处的充模时间,(K)α=1、(φ)α=1和d(P/dα)α=1分别表示流动前锋位置处(α=1)的渗透率、孔隙率和流体压力梯度。
假设VIMP工艺中树脂流动前锋位置处的渗透率和孔隙率与RTM工艺中纤维预成型体的渗透率和孔隙率相等,即(K)α=1=KRTM,(φ)α=1=φRTM。结合式(49)和式(51)可得比例常数:
结合式(51)和式(52)可得:
下面考虑非流动前锋位置处(0<α<1)的情况,对于RTM工艺来说,树脂流动到x=l/L处的真实速度为:
变形、积分,可得对于流动前锋位置为时树脂流动到x处所需时间为:
对于VIMP工艺,树脂流动到x=l<L处的真实速度为:
变形,积分,可得对于流动前锋位置为L时树脂流动到x处所需时间为:
结合式(55)和式(57)可以得到比例系数:
式中:φ和K为RTM工艺中织物的孔隙率和渗透率,(φ)α和(K)α为VIMP工艺中流动前锋抵达L处时x处的孔隙率和渗透率。易知,令α=1时,可由式(58)获得式(52)。对式(58)进行变形,可以得到:
3.3 Correia推导过程中存在的问题
(1)Correia的推导过程中存在几处符号错误:式(35)中ΔP为驱动压力,为正值,而Correia将ΔP默认为负值,因此式(35)中的“-”号应改为“+”。式(36)漏掉“-”号,应加上。另外,Darcy定律表述的是渗流速度与压力梯度的关系,而不是真实速度与压力梯度的关系,因此式(36)不能称为VIMP工艺注射过程中树脂流动的Darcy定律表达式。式(38)右侧应添加“-”号。
(2)式(39)漏掉了孔隙率φ,应补上。
(3)式(42)由式(39)与式(35)类比得到,即把VIMP工艺充模时间写成与RTM工艺充模时间相似的表达形式,然后定义Cα(K)α=1为VIMP工艺的表观渗透率,这种定义是不严谨的。分析如下:
采用Correia的定义,则式(39)可以写成:
尽管RTM工艺注胶过程中各处渗透率相同,但式(35)中的渗透率K为流动前锋处的渗透率。同样,式(60)中的KVIMP应该为VIMP工艺注胶过程中流动前锋位置处的渗透率。而流动前锋位置处的渗透率(K)α=1=KRTM,即KVIMP=KRTM,又KVIMP=CαKRTM,可以得到Cα=1,明显与事实不符。在3.2小节,笔者对Correia的错误进行了纠正———通过推导广义比例系数(Cα)x的表达式来建立注胶过程中VIMP工艺注胶过程中各处渗透率和RTM工艺中渗透率的关系。
3.4 Modi等关于两种流动方式下VIMP工艺和RTM工艺充模时间关系的推导
3.4.1 充模时间公式
(1)一维线性流动
RTM工艺采用一维线性流动注胶时流动前锋的压力梯度为:
式中:α=x/L。将VIMP工艺一维线性流动注胶时流动前锋的压力梯度写为与RTM压力梯度相同的表达方式,为:
然后使用Darcy方程得到流动前锋位置的流动速度:
变形、积分,得到VIMP工艺一维线性注胶的充模时间公式:
(2)二维径向流动
RTM工艺采用二维径向流动注胶时流动前锋的压力梯度和流动速度表达式分别为:
注意,式(65)表明RTM工艺径向流动时流动前锋的压力梯度随流动进程发生变化,这是与一维线性流动时不相同之处。整理式(66),可以得到RTM工艺二维径向流动充模时间的表达式:
将VIMP工艺二维径向流动注胶时流动前锋的压力梯度表示为与式(65)相同的格式,为:
然后,可以得到VIMP工艺径向流动时流动前锋位置处的流动速度表达式:
整理得VIMP工艺二维径向流动的充模时间:
3.4.2 RTM工艺和VIMP工艺充模时间分析
(1)一维线性流动
Correia定义充模时间比Ctl为:
然后结合式(64)得到:
化简,得到:
令
则
采用渗透率方程(13)及vf=1-φ可以对公式(74)进行变形整理,得到
(2)二维径向流动
结合式(67)和式(70)得到RTM工艺和VIMP工艺径向流动时充模时间的比值:
由式(74)和式(76)可以得到
则
4 厚度变化对复合材料构件性能的影响
Correia等[16]、杨金水等[24]、Williams等[45]均考察了厚度变化对复合材料构件最终尺寸的影响。Correia等[16]采用VIMP工艺线性注胶方式制备了12层短切纤维毡(Chopped strand mat,CSM)增强聚酯树脂层合板,固化后切割层合板并测量出26个位置处的厚度。依据所得的厚度数据绘制三维图形(见图10)。很明显,厚度具有位置依赖性,这个案例揭示随着到注胶口的距离增加,局部流体压力和预成型体压缩性的影响———注胶口附近较高的局部流体压力降低了对增强体的压实压力并使其厚度增加。案例中板各处厚度的最大差异是2.2mm,板的平均厚度为10mm,即厚度差异为平均厚度的22%。杨金水等[24]通过考察5种织物不同铺层的复合材料构件的最终厚度,发现最终尺寸与干态纤维预成型体在0.08MPa下压实的厚度数据基本一致。
厚度变化不仅影响复合材料制品的外观尺寸,还会对制品的纤维体积分数、贫富树脂区分布、缺陷等内部结构和力学性能产生影响。其中纤维体积分数因与厚度存在对应关系在此不再赘述,而其他影响的研究则尚未见报道。
5 结语
工艺流体 篇5
金顶铅锌矿床流体包裹体的显微测温和流体的稀土元素特征表明:金顶矿区成矿流体均一温度为54℃～309℃,平均143℃,盐度(ω(NaCl),下文同)为1.6%～18.0%,平均6.0%.在矿区,由东向西、由北向南温度逐渐降低,而盐度从东向西稍有降低,但是从北向南却是增加的`.从第一矿化阶段到第三矿化阶段,稀土总量和LREE/HREE都是逐步增加的,轻稀土富集程度逐步增强,并且轻、重稀土内部分异程度也由轻稀土分馏程度大于重稀土分馏程度变为重稀土分馏程度大于轻稀土分馏程度,并且流体有从还原环境向氧化环境转变的趋势.
作 者：曾荣 薛春纪 刘淑文 高永宝 朱和平ZENG Rong XUE Chun-ji LIU Shu-wen GAO Yong-bao ZHU He-ping 作者单位：曾荣,刘淑文,高永宝,ZENG Rong,LIU Shu-wen,GAO Yong-bao(长安大学资源学院地质系,西安,710054)薛春纪,XUE Chun-ji(中国地质大学地学院,北京,100083)
朱和平,ZHU He-ping(中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室,北京,100029)
刊 名：地质与勘探 ISTIC PKU英文刊名：GEOLOGY AND PROSPECTING 年，卷(期)：2007 43(2) 分类号：P618.42 P618.43 关键词：金顶铅锌矿 流体包裹体 显微测温 稀土元素★ 寨上金矿区成矿机制及成矿预测
★ 太平矿区煤炭成矿条件的分析论文
★ 广东省蓝屋顶钨多金属矿成矿地质特征及找矿前景浅析
★ 省域商品经济发展历程研究论文
★ 山西晋祠公园藻类植物的初步研究
★ 对高等教育顾客满意度的初步研究
★ 社会性格和健康社会性格模式的初步研究
★ 地理环境对黄梅戏影响的初步研究
★ 中国人口素质问题研究三
工艺流体 篇6
关键词：流体力学,磁体力学,天体物理,日震学,恒星形成,吸积
一、流体及磁流体力学
( 一) 流体力学
流体力学是连续介质力学的一门分支,是研究流体( 包含气体及液体)现象以及相关力学行为的科学。流体的宏观性质主要有粘性、流动性和压缩性。流体不管多小的切向力,只要一直的施加,都可以使流体发生形变,而在静止时不能承受切向力。在流体力学中常会假设流体是不可压缩流体,也就是流体的密度是一定的。气体是可压缩流体,而液体则可以算是不可压缩流体。当然有时候也会假设流体的黏度为零,此时流体即为非粘性流体。气体常常可以认为是非粘性流体。如果流体黏度不为零,那么流体被容器包围( 如管子) ,则在边界处流体的速度为零。但是在天体物理学中,一般情况下遇到的都是可压缩流体,除了极少情况下外。在流体力学中,等离子体是自由电子、带等量正电荷的离子以及中性粒子的集合体,所以等离子体在磁场作用下有特殊的运动规律。等离子体的运动规律的研究在受控热核反应、磁流体发电、宇宙气体运动等方面有广泛的应用。这些对于天体力学的研究有着重要意义。
( 二) 磁流体力学
磁流体力学是结合经典流体力学和电动力学的方法研究导电流体和磁场相互作用的学科,包括磁流体静力学和磁流体动力学两个分支。磁流体动力学研究电磁场与导电流体相互作用时的运动规律,如各种磁流体动力学流动和磁流体动力学波等。所以液态金属和等离子体都是导电流体。在宇宙中,星际和恒星气体都是等离子体,并且是有磁场的,所以磁流体力学在天体物理、太阳和地球物理中要有逐步运用以及发展。就像超新星和新星的喷发,星际空间没有作用力场的可能性,日冕、耀斑以及黑子受它的影响,还有有关于磁场的起源等等。不知其理论如何可以将其应用于实际。故了解流体及磁流体力学是研究其在天体物理中应用的第一步。初步了解了流体及磁流体力学,那么我们便可以去了解我们本文讨论的话题。首先,我们先研究讨论一下恒星形成中吸积和外流对流体及磁流体力学的应用。
二、恒星形成中吸积和外流
( 一) 恒星形成的吸积
致密天体由引力俘获周围物质的过程称为吸积。吸积过程广泛存在于恒星的形成中。恒星的形成发生在尘埃云中,尘埃云是星云中重要的物质,是其中较暗的部分,而不是那些灿烂的气体云。在大量观测的支持下,低质量恒星形成的理论,低质量恒星是转动的分子云因密度逐渐升高而造成重力塌缩下形成的。通过上面的理论研究,尘埃和气体组成转动中的分子云,因塌缩导致吸积盘的形成,经由这个通道质量在中心形成原恒星。但是,质量高于8倍太阳质量的恒星形成的历程目前还不清楚。所以说质量不同的恒星形成的历程是不一样的。质量大的恒星会推挤向中心掉落的物质,是因为辐射出大量的辐射。在过去的研究中,辐射压被认为是足够阻止质量累积成为巨大的原恒星,而且还能阻止质量达几十个太阳的恒星形成。但是最近的理论工作则显示,产生的流出物和喷流会清理出空洞,因而许多大质量原恒星的辐射压不会阻碍物质经由吸积盘进入中心的原恒星而是会逃逸掉。因此新的理论认为大质量恒星也会经历和低质量恒星相似的历程形成。
( 二) 恒星形成的外流
由于磁通量和角动量守恒原理,最终成为恒星组成部分的物质并不能直接落到中心星上,而是落在吸积盘上,吸积盘通过一系列复杂的过程,将多余的角动量向外传递。质量外流在剩余的物质驱逐过程当中存在,星风和外流的作用让恒星构成的剩余物质和中心星相远离,星周性的物质和盘物质变得越来越少,有关于外流的张角逐渐变大. 对于中心星来说都不会有实质性的增长,较多的是静止收缩状态,但是,中心星依旧要从盘中吸取物质而且它的速度现在已经变得越来越小。因为盘分带走了所有的角动量,所以MRI在这种情况是基本不需要的,但是他们却都要求要有足够的中性气体的耦合和电离保持磁场。磁场的位型大致有两种,一种是杂乱的磁场,而另一种是有序磁场。最初的分子云的磁场俘获在最终形成的恒星上只有小部分。而且这些磁场不是星际磁场遗迹造成的,而是有可能是由于恒星发电产生的。所以基于这些理论有许多的不确定因素,我们需要更多的实践,特别是观测来证实理论的正确与否。
三、在日震学方面的运用
日震学是研究波振荡,特别是声波压力,在太阳上的传播。所有的振荡是重叠的,这是来自太阳光谱的时间系列显示,而且成千上万的模式已经被检测。在数学技术中的傅立叶分析被用来将这一大堆的资料恢复为个别模式的资讯。这个方法是可以将任何的周期函数f写成最简单的周期函数的总合,也就是不同频率的余弦和正弦倍数的结合。
太阳表面强度随时间的变化。太阳的表面亮度的变化表明太阳的震荡是一直存在的。而且大振幅总是以小振幅开始和结束。因为不是由米粒组织的对流超射的激发的,所以震荡的出现并不是突然的。
大多数的太阳模型是非径向的,而最简单的分析模式则是径向的。不过一个非径向模型的特征是三个波数: 径向状态n,反映了在径向方面的属性。方位顺序m和球谐度I,这是用来测定恒星表面上的行为模式。但是要注意的是太阳如果是球对称,方位顺序将呈现衰退; 但是,太阳的自转( 连同其它的扰动) 导致赤道突起,增加了此种衰退。依照规律,n对应于径向本征函数节点的数目,I表示在球面上结线的总数,m告诉我们有多少的节点线跨越了赤道。
四、总结
流体辅助成型介绍 篇7
流体辅助成型包括的水辅注塑技术由德国亚琛市的IKV塑料工艺研究所在20世纪90年代研发成功。由于水的热散发性能更好, 因此能将生产周期降低。尽管水辅注塑技术对注射机和材料的适合能力有要求, 但由于冷却时间明显降低从而提高了生产效率。如果流道直径大于15 mm, 将考虑用水辅注塑成型的方法进行加工。德国PME公司是水辅注塑领域里的先锋, 在目前市场上生产出最多的相关产品。纵观汽车领域, 产品覆盖车顶行李架、离合和加速踏板、过滤系统、量油尺、门把手和窗框。
抛射注塑技术是水辅注塑技术的一个分支。该技术用到直径在3～30 mm之间的小子弹, 水或气体推动子弹穿过熔融物形成空心。德国汽车零部件制造商Rchling A u t o m o t i v e公司第一个使用抛射注塑技术为宝马3系列汽车生产塑料冷却水管。PME公司专门开发软件, 能根据水的体积控制子弹的速度。与气辅成型技术相比, 水辅注塑技术和抛射注塑技术结合起来的优势就是生产循环周期会节省20%～40%, 生产出来的产品中空部分特别平滑, 产品的壁厚比单纯用水辅注塑技术生产的产品还要薄。
德国的Maximator公司宣称是流体辅助成型技术的领路人, 因为该公司是唯一设计生产诸如内部定量阀和压缩机等关键部件的供应商。Maximator公司销售自己品牌的商品, 同时它也是几家注射机生产商的合作伙伴。公司与Engel公司合作研发新一代的水辅注塑成型部件。新设备将装配一个压力放大器, 有传感器测定放大器的位置, 同时控制物料流动, 这样在注射机上就能控制熔融材料流动。
在K2007展览会上, Engel公司在1台生产汽车冷却管的共注射成型设备上展示了水辅注塑技术。玻纤增强工程塑料用气辅成型的方法加工出来的冷却系统管路内表面相对光滑。然而, 由于气体注射阶段流变学因素的影响, 玻纤有可能从零件的内壁鼓出来并在使用中脱落, 从而造成泵和阀门的损坏。为了解决这一问题, Engel公司与Phoenix汽车公司合作, 开发出新产品。新的双层合成材料不仅能消除脱落玻纤的隐患, 还能提高内层材料对冷却液的耐腐蚀性。零件外层代表着结构特征, 是玻纤增强尼龙材料, 内层是非增强的改性聚丙烯。
目前, 水辅注塑技术主要针对无定形材料和慢结晶性材料, 而对如尼龙和PBT等快速结晶材料来说, 则需要特殊工艺——Tik WIT, 它由德国的TiK公司创造, 是气辅成型和水辅成型的结合, 气体在水之前流经熔融材料。当气体在零件中间形成空心后, 水流经过使内壁冷却, 同时将空气挤压到溢料腔末端, 水再从这里排出零件外。目前, 有14种不同产品利用Tik WIT工艺成型, 产品集中在冷却水管方面, 材料主要是玻纤增强的尼龙66。
流体管路阀门的选型 篇8
阀门是流体管路的控制装置,其基本功能是接通或切断管路介质的流通,改变介质的流通,改变介质的流动方向,调节介质的压力和流量,保护管路和设备的正常运行。
对于给水管路,经常使用的阀门有闸阀、截止阀、球阀、旋塞阀、蝶阀等,而每一种阀门根据其结构形式又可分为更多的类别。
针对众多的阀门品种,要选择管路系统最适合安装的阀门产品,首先应了解阀门的特性、使用的部位、流通的介质情况;其次,应根据工作环境,选用价格合理、质量可靠的阀门;最后就是选择阀门应注意的事项。
2 阀门的特性
阀门的特性可分为两种:使用特性和结构特性。
2.1 使用特性
阀门的使用特性确定了阀门的主要使用性能和使用范围。属于阀门使用特性的有:(1)产品类型:闸阀、截止阀、蝶阀、球阀等;(2)阀门主要零件:阀体、阀盖、阀杆、阀瓣、密封面的材料等;(3)阀门传动方式。
2.2 结构特性
阀门的结构特性确定了阀门的安装、维修、保养等方法的特性。属于结构特性的有:(1)阀门的结构长度和总体高度;(2)与管道的连接形式:法兰连接、焊接连接、内螺纹连接、外螺纹连接等;(3)密封面的形式:镶圈、螺纹圈、堆焊、喷焊等;(4)阀杆结构形式:旋转杆、升降杆等。
3 阀门的选型
阀门是一种“养兵千日,用于一时”的控制装置。平时要求阀门开启要到位,减少管段的水损失;一旦需要,阀门应能迅速的关闭、可靠的断流。
给水系统中的阀门选型的原则是:选择优质、可靠、适用性强的阀门;对于长期以来不能满足要求的类型,应考虑采用新型的、更为先进的阀门。
下面以几种常用阀门在给水系统中的应用为例进行阐述。
3.1 截止阀选型说明
截止阀是管网中用量最大的一种阀门,用于DN≤50mm供水管网中。长期以来,管网系统使用的截止阀存在着“外漏、关不严、寿命不长”的普遍现象。对此,截止阀选型时应从以下几个技术方面进行衡量,进而予以确定:(1)过水断面的最小尺寸;(2)阀腔通流型式。根据需要,选用直通式或角式截止阀;(3)阀杆的尺寸、阀体壁厚以及阀门各部分材质;(4)上密封的形式。尽可能选用“O”型密封圈以及优质填料的截止阀。(5)防腐性能。阀门内外不生锈、腐蚀,特别是接触水的部位清洁、卫生。
根据以上要求选定产品、控制截止阀质量与性能。
3.2 闸阀的选型说明
在100mm≤DN≤600mm给水管网中,经常使用的是传统硬密封闸阀(Z41T-1.0),该类闸阀存在“关不严、外漏、启闭不灵”等缺陷,维修特频繁。而时下市场上大量出现的一种软密封闸阀(亦称“弹性座封闸阀”)基本上能避免这些问题。
这种软密封闸阀有如下特点:底部无槽,因而不会引起关不严的故障;其阀板整体包覆橡胶,利用橡胶的弹性提高了阀门密封性能,可保证零泄漏;上密封结构更合理,制造精度高,采用多道“O”型橡胶圈密封,从根本上解决了传统闸阀上压盖易外泄的现象,对水质也有根本的保证。
3.3 蝶阀的选型说明
蝶阀在管网的使用中存在“关闭不严、工作不可靠、维修频繁”等现象;且其使用寿命短,有的使用3～5年就需整体更换。但蝶阀比同规格的闸阀便宜。
当前蝶阀选型中关注的几个问题:
3.3.1 中线蝶阀。中线蝶阀在我国小口径蝶阀中使用量很大,效果也比较好。
3.3.2 立式与卧式蝶阀的比较。在中、大型蝶阀中,阀轴存在立
式与卧式的区别,通常立式蝶阀的覆土较深,水中杂物容易缠绕轴端,影响启闭;卧式蝶阀的变速传动箱在侧旁,阀井在道路上占的平面位置较宽,影响安排其它管线。
因此在中型中径蝶阀用立式为多,大口径蝶阀在平面位置许可的条件下力求卧式。
3.3.3 偏心蝶阀。中线蝶阀的启闭力矩偏大,且使用寿命短。为了减轻这方面的缺点,选用偏心蝶阀。
偏心蝶阀在承载水压上是有方向性的,且反向承压能力较弱,因此选型订货时应强调此项要求。
3.3.4 软密封与金属密封。(1)软密封。给水管网使用的蝶阀多数
是软密封蝶阀,这种密封方式在使用中出现了以下问题:a.橡胶质量不佳,容易老化、长期受压变形、挤压开裂;b.蝶阀在安装施工过程中胶圈受损,影响了密封性;c.软密封蝶阀难以保证蝶板在阀体腔中的同心度,往往以过度挤压的方式解决密封问题,因而阀门的使用寿命较短。(2)金属密封。a.金属密封蝶阀由于密封件的弹性较小;b.金属密封蝶阀运行中密封面不易损伤,但它的制造精度要求较高,一旦渗漏难以修复,且价格较高。
3.4 止回阀的选型说明
止回阀在给水系统中起着使介质单向流动的作用。其选型时,首先要考虑的是阀体的通流面积、密封面形式以及阀体材料;其次,要考虑是止回阀的结构形式,在这一方面,大家的选型工作容易出现问题。在此,特意说明。
3.4.1 旋启式止回阀在水平和垂直管道上均可应用。
3.4.2 升降式止回阀只能用于水平管道上。
4 阀门选型规定
以下通过对比,介绍给水系统常见阀门的选型。
4.1 闸阀与蝶阀
蝶阀的主要缺点是蝶板占据一定的过水断面,增大一定的水头损失;闸阀虽无此问题,但大口径立式闸阀的高度影响管道的覆土深度,大口径卧式闸阀的长度,增大管线占据横向面积,影响其它管线的安排。
在给水管网中为了降低管道覆土深度,一般口径较大管道选配蝶阀;对覆土深度影响不大的,力求选配闸阀。
从使用情况而言,蝶阀出现的故障比闸阀高。因此在条件许可的情况下,给水管网当中,尽可能的选用闸阀。
4.2 球阀、旋塞阀与蝶阀
球阀具有结构简单、流阻小、密封可靠、动作灵活,维修及操作方便等优点。旋塞阀亦具有类似优点,唯过水面积不是正圆形。球阀及旋塞阀均比蝶阀重,铸造及加工难度大,价格较贵,一般适用于中小口径管道上。近些年由于铸造技术的改进,从而降低了球阀的生产成本。因此,球阀用于大口径管道上的可行性值得探索。
5 结束语
管道的最终控制是阀门来实现的,因此阀门的选型情况如何,直接关系到项目的投资和对管线介质的有效控制。辩证的处理上述两者的关系,从中找到平衡点,那将是本文论述的最终目的。
摘要：阀门是流体管路的控制装置,其基本功能是接通或切断管路介质的流通、改变介质的流通、改变介质的流动方向、调节介质的压力和流量、保护管路和设备的正常运行。本文重点介绍几种给水管路的常用阀门选型及注意事项。
关键词：管路,阀门,选型
参考文献
[1]中国安装协会.管道施工实用手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1998.
流体动画背后的物理原理 篇9
1 流体模拟研究方法的发展
早期的流体模拟,由于计算机能力有限,主要采用参数建模方法。如采用波动理论中的函数来模拟波浪效果;又如基于统计的FFT经验模型,也可以很好的描述波幅较小海平面,但是对于这些模拟,人们觉得控制起来很困难,而且不能模拟一些复杂的细节更为丰富的真实效果(如图1),于是研究者转向基于物理方法。
多种不同特性的流体混合在一起运动形成混合物,这是自然界中一类常见且有趣的现象,其主要视觉效果来自于各成分的扩散过程(如溶解现象),或者分离过程(食油浮于水面之上)。但由于组成成份之间的相互作用非常复杂,使得混合流现象的模拟成为一个非常有挑战性的任务,我们引入一种二元Lattice Boltzmann Model(LBM),实现了两种液体组成的混合流的模拟。不同于其他的类似模型,它区分考虑了流体的黏性的扩散性,可以很容易地模拟各种互溶或者不互溶的混合流现象。此外,由于LBM的运算大都是线性的局部运算,这使得它很容易在可编程图形处理器(Graphics Process Unit,GPU)上进行加速,从而进行实时模拟,图2分别给出了互溶和不互溶的混合物模拟结果。
2 两种物理学中研究流体的思路
欧拉法与拉格朗日法各有优缺点,为了更真实的模拟流动,基于网格的欧拉算法往往结合拉格朗日法一起使用,比如得到广泛应用的半拉格朗日法。
2.1 欧拉法
描述流体现象最为完整的纳维-斯托克斯方程(Navier-Stokes Equation.NSE)该方程是根据牛顿第二定律推导出来的。在图形学领域,目前最为流行的欧拉法,是在规则网格是采用有限的差分求解NSE的方法,它将NSE离散到网格上,然后计算各个固定网格节点上状态量的变化,从而得到整个场。这里有两种思路进行网格化,一种是交错网格,即一般情况下标量,如压强,分布在网格单元的中心,目前多采用此思路;另一种刚是所有的量都处于同一个位置,这种方法简单,不需太多的插值运算,对各个变量也不需要区别对待。
2.1.1 关于欧拉法
什么是欧拉法
从研究流体所占据的空间各个固定点处的运动着手,分析被运动流体所充满的空间中每一个固定点上的流体的速度、压强、密度等参数随时间的变化,以及研究由某一空间转到另一空间点时这些参数的变化,这种思想被称为欧拉法,由此类思想衍生出的方法均基于网络来计算。
欧拉法的优缺点
推导过程严密,求解精度较高,参数物理意义明确,并且基于该网格,容易构造液体表面拓补。但必须对整个场景进行计算,从而造成浪费,且迭代运算会影响算法的并行性。
2.2 拉格朗日法
目前常用的拉格朗日法,是一种称为Smoothed Particle Hydrodynamics方法,常简称SPH方法。它在场景空间中分布大量粒子,这些粒子具有质理、密度等流体属性,则采用周围粒子的属性值插值得到。显然,该方法是对于各个独立的粒子进行计算。近两年,Lattice Boltzmann Model(LBM)被引入图形学领域,LBM方法也是一种拉格朗日法,它不去追踪每一个实际粒子,在离散的格子里,粒子沿着格子轨线向相邻的格子迁移和相互碰撞,这样分布函数的演变就决定了流体运动的变化过程。该方法相对于欧拉法的优点在于编程容易,更容易并行化,可以很方便的处理复杂边界。
2.2.1 关于拉格朗日法
从分析各个流体微团的运动着手,即研究流体中某一个指定微团的速度、压强、密度等描述流体运动的参数随时间的变化,以及研究由一个流体微团转到其它流体微团时参数的变化,以此来研究整个流体的运动,这种思想被称为拉格朗日法,由此衍生出来的方法均基于粒子来计算流场。
拉格朗日法的方法的优点为容易表达,不需要对整个空间进行处理,容易保证质量守恒,而且比较容易实施控制。但拉格朗日法对于平滑运动界面的重建比较难处理,自由界面托扑的改变必须采用复杂的算法才能构造出表面几何,而且计算量随着粒子数增多而快速加大。
烟雾问题可能是流体现象模拟中最为简单的一类(图3、图4),同水比,气体不存在液体表面。更重要的是,气体分子间距足够大,相互之间的作用可以忽略,这意味着气体不存在黏性,所以NSE中的黏性项可以不作计算,这大大简化了计算。剩下的计算就是采用半拉格朗日方法求解对流项。以及采用迭代技术来求解速度对时间偏导数项。
尽管基于物理的流体模拟的整个基础是流体力学,但由于关注的最终目标存在差异,所以研究的重点有所侧重。
3 结束语
对于计算机动画来说,人们期望更我真实的细节特征,这就需要我们的流体算法能足够快速地求解真实世界中的场景。然而为保持丰富细节而增大的计算分辩率,极大地增加了计算量,因此设计效率更高的算法,是我们不懈的追求。近年来图形硬件Graphics processing Unit(GPU)已经取得了长足的进步,目前最新的NVIDIA Gforce GTX295采用SLI技术集成两块图形核心,流处理器数量达到了160颗,并行能力大幅提高,并且显存容量可达1,792MB对于提高模拟场景的规模有很大帮助。另外,人们期望能够对流体的运动进行充分的控制,使其流动能够满足人的意愿或者想像,而不心关心背后的物理,研究灵活有效的控制算法,也是重要研究方向。
摘要：过去的十年,计算机图形业一直专注于制造烟雾、水、火的真实效果。而现在,这个行业开始转向创作面部表情、毛发和衣服运动的真实效果。但是尽管如此,由于基于物理的计算复杂的限制和光照计算机的耗时性,设计一个交互设计更为方便,能达到实时性,几乎完全真实地体现自然界中各种流体动画的系统,仍然是一个很有挑战性的问题,还存在很多课题值得深入研究。
关键词：流体动画,基于物理的计算,真实效果
参考文献
[1]王晓华,张田文,柴旭东.流体动画方法综述[J].计算机工程与应用,2008,2(44).
微流体驱动以及控制技术 篇10
目前, 微系统技术正在不断更新, 微流体控制以及流体驱动的单元也引入了新技术。在微系统中, 微流体的体积日益减小, 与此同时微流体构件也具备了更优的性能, 表面张力明显, 流体的性质也因此获得了改进。而在微流控的相关操作中, 驱动单元和控制单元是其核心, 微系统应当具备优良的表层张力[1], 如果选择了常用的驱动方法, 那么微管道很难获得最佳的流体驱动效果。为此, 技术人员应当致力于改进现今的微流体驱动方式, 引入非机械式的光电磁微型泵, 如果条件允许, 还可以视情况引入混合式的高效微流体控制。
1 技术研究的现状
20世纪末开始, 微全分析系统就被创造出来, 目前各行业都更加重视微分析的相关技术。在这个领域内, 微流控的方式已经被推广采用, 并成为微型化工中的要点技术, 相比于传统技术, 微分析系统可以在根本上减少试剂和样本的消耗, 也加快了总体的分析速度, 消除了附带的污染。在微系统中, 微流控单元应当视作核心性的单元, 近些年来微系统体积正在减小, 这也改变了原先的流体特性和张力特性。从工程角度看, 如果仍沿用宏观驱动的方式, 那么很难收获优良的控制实效。在这种情况下, 就有必要引入流体控制以及流体驱动的新方式, 改进技术的实效[2]。
随着技术的发展, 出现了纳米尺度或微米尺度的某些单元, 对这些构件应选择合适的方式来完成驱动控制, 例如制动器和传感器近些年都相继出现了微型的构件。相比于以往的情况, 微系统配备的控制手段也在快速更新。从现状来看, 微流体控制以及微流体驱动可分为多样的流程和方式, 通常包含了微型压力泵和非机械的微型泵, 其中机械微型泵可用来转换动能, 这种泵体内设可移动的构件, 如旋转泵、截止阀泵和涡轮等。这类流量泵更容易匹配流量, 通常包含了连续输液的行星齿轮泵。应当注意的是, 这类泵体设置了动态式的密封, 因此有必要慎重防控机械磨损或泵体的渗漏。与之相比, 非机械性质的微型泵通过转换光电磁的能量, 可以为驱动流体施加动能。一般情况下, 非机械泵都无需设置泵体阀门, 因此这种泵体也表现出连续性和动态性。从电液动力学角度看, 微型的非机械泵包含电动泵、电渗泵、电化学泵以及电泳泵这几类。此外, 磁流控领域又诞生了新式的驱动技术, 其具体原理为:在输送流体时, 通常选择光控制的方式, 该方式具备较高的潜能, 同时驱动泵也可以基于离心力或者表面张力。
2 微流体驱动的相关技术
在控制领域中, 微型泵能够用来转换其它类型的能量 (如光能、电能或热能) , 经过转化流体就可以受到直接的驱动[3]。相比来看, 微型非机械泵具备更简单的内在结构, 因而也能够用在控制和驱动微流体的过程中。从科研角度看, 非机械的微型泵主要包含以下类型:
(1) 光驱动类型。光驱动泵具备混合器和光激发的内部结构, 与之相应, 学术界也诞生了光流控的相关词汇。从本质上看, 光流控融合了光学技术、微流控的技术、传感器的光学技术, 其优势在与泵体尺寸更小、结构更加简单、集成规模更大等, 同时光驱动还能够摆脱不同介质的约束, 因而具备优良的运用前景。此外, 光流控方式能够用来输送特定的介质, 具体输送中需要先加入特定的纳米微粒, 这种纳米粒子通常都具备亲磁性的特点, 因而能够用来控制对流体。但是磁场是隐形的, 这种不可见的性质也增加了聚焦时的难度。在具体操作时, 可以视作分离的电场, 在这种基础上驱动磁场, 这样就更加便利了控制芯片。
(2) 电驱动类型。低频交流电或直流电都能够用来驱动流体, 这种驱动方式能够借助电驱动泵来完成。电驱动泵始于离子拖拽泵, 这种泵体在电场的环境中能够迅速迁移, 进而拖动水合溶剂。近些年, 又出现了微型的电驱动, 它借助单晶硅网格的方式来对接电极, 从而实现驱动目标。在网格中首先要注入流体, 离子流体通常表现出可以相对运动的特性, 混合式的快速流体操作已经能够用于芯片操作[4]。依照电驱动的根本原理, 相继发明了电渗泵以及电泳泵这两种泵体的类型。具体而言, 电泳泵能够凭借电场作用直接驱动流体, 因而属于微通道的技术方式。依照电渗流和电泳迁移的技术方式来控制微流体, 这种类型的电泳泵具备了集成的优势, 同时也可以消除控制过程中的液体脉动干扰。在微流体芯片内部, 制作微通道需要设置较复杂的网络构架, 不同网络也存在交汇的区域。在这种芯片上, 应当有序驱动流体的流向和流速, 借助自动化的方式, 能够快速分离多个流程的操作步骤。其中, 最便捷的方式为:在调控流体时, 可借助各节点不同的电压大小。这种情况下, 也可以选择智能驱动的具体控制方式。
(3) 表面张力驱动类型。通常情况下, 如果物体的体积小于毫米级别, 那么就可以忽视摩擦力或者重力的作用, 但物质却会表现出更高的表层张力, 为此需要借助表层张力来具体实现微流体的控制。例如在驱动小液滴的过程中, 可以选择新式的表层驱动泵[5], 电化学致动的汞泵就属于这种类型。在常温下, 微尺度的液态汞很容易表现出较高的表层张力, 受电荷作用, 其表层张力相应也会变得更小, 这种情况下的汞滴就会改变原有的形态;形变过程中的小液滴会增加自身的机械力, 以此方式来驱动流体。从具体构造来看, 汞泵包含了可插入的毛细管和开口容器, 容器的体积与底部的垂直部分相符合, 流体的通道布置为水平式, 当在容器上部插入毛细管时, 毛细柱就会压入汞液体, 达到重力平衡;泵体被激活后, 其表层张力也会相应发生改变, 然后构成新的压力平衡。
3 微流体控制的相关技术
流控包含了系列的相关技术, 在驱动流体时可以选择泵体驱动方式, 而阀门能够用来控制流体, 用这种方式就可以提高流控操作的质量。针对微型的压力泵, 还可以选择气动方式以及电磁方式的微流控, 选择不同类的阀门就能够实时调控流体的不同流动方向。然而, 某些连续泵并没有内置阀门, 因此在驱动这类阀门时就可以选择施加能量的方式[6], 对于流体的流向, 可以用施加能量场的具体方式来控制。例如流体驱动源可以设置为电渗流, 在电压调节过程中还可以调控微通道的流速, 对于交叉口而言, 微管道可以用来调控具体的流向。由此可见, 有必要继续探究智能式的可编程控制方式, 借以完善微流体控制。
在微管道的内部, 交叉口能够用来控制精确的方向和流速, 因此微管道就能够用来代替控制阀门。微分析过程中, 系统还能够实现分流、进样以及汇流操作, 还能够实施各单元的混合性操作。未来的技术演变中, 可编程控制下的智能系统将被创造出来, 微流体控制领域也可以更多地采用混合控制, 具体控制过程为:选择多类流体, 把这些不同的流体快速混合在一起。从目前来看, 化学分析以及生物学分析这些领域通常会用到混合控制, 微型化工反应的具体过程中混合驱动流体的方式变得更简单。这是由于纳米尺寸的构件通常都流动于很低的层次中, 因此也表现出各异的压力和输出流量, 借助微反应器的装置, 就能够快速实现不同类型微流体的混合。
微混合器作为微流体控制的常用装置, 可分为被动式和主动式两类, 被动式混合的过程不必加入额外的能量, 可借助对流或扩散的作用来完成混合;与之相比, 主动式混合就需要凭借外部的电场, 以此来强化磁场或温度场, 进而完成混合。从设备性能看, 微混合器中的被动式混合器突显了独特的优势, 正成为主流。随着相关研究的进步, 学者正在探索尺寸各异的微混合器[7], 这样就能从根本上缩短混合流体的时间, 例如平行混合法、聚焦水力的混合法、窄通道的混合法。在条件允许时, 还可以改变聚焦水力的流速, 进而缩短至1 m s的混合时间。
4 结语
微流体驱动和微流体控制的新式技术还处在发展中, 具备优良的前景, 微流控的相关技术也在逐步更新, 获得了全新的进展。在纳流控的方式下, 亟待引入流体驱动的高效技术途径。随着技术的进步, 流体尺度正变得更小, 这种情况下的流体控制因素也显示出更高的表面效应。对于微流体, 相关调研不应局限于较窄范围, 有必要不断拓展深入[8]。在未来的实践中, 微流体驱动控制的相关技术还可用在制冷集成芯片、药物输送系统、微机械的分析过程中, 因地制宜不断完善微流体的驱动和控制技术。
摘要：结合现有的技术状态, 探析微流体驱动和控制的相关技术。
关键词：微流体,光驱动,电驱动,表面张力驱动,控制
参考文献
[1]冯焱颖, 周兆英, 叶雄英, 等.微流体驱动与控制技术研究进展[J].力学进展, 2012 (1) :1-16
[2]姜春香, 魏守水, 白光磊, 等.超声行波微流体驱动模型动力学分析[J].应用基础与工程科学学报, 2008 (1) :144-151
[3]李清岭, 陈令新.微流体驱动与控制技术[J].化学进展, 2008 (9) :1406-1415
[4]郑悦, 侯丽雅, 朱丽, 等.基于微流体脉冲驱动控制技术的微量试剂分配方法及应用研究[J].分析化学, 2014 (1) :21-27
[5]王洪成, 侯丽雅, 章维一.驱动电压波形修圆对微流体脉冲惯性力和驱动效果的影响[J].光学精密工程, 2012 (10) :2251-2259
[6]徐溢, 陆嘉莉, 胡小国, 等.微流控芯片中的流体驱动和控制方式[J].化学通报, 2012 (12) :922-928
[7]黄永光, 刘世炳, 陈涛, 等.基于微通道构型的微流体流动控制研究[J].力学进展, 2009 (1) :69-78