引言  

    近年中国大陆的SMC/BMC的总产量已接近30万吨,跃居世界前列。各种成型工艺,如压制、注射、传递模塑都有大幅增长。不过我们的成型操作工,包括部份的现场工艺人员却对成型模具中发生了什么变化?怎样变化？变化的时序又是怎样的？等问题了解甚少。尤其当一套新开的模具送到现场，试模时大都凭“经验”试凑、模索。往往要化费较多的时间与成本，当成型不出理想制品时，还容易引起材料制备、模具设计制造和车间成型工艺多方争执，相互推诿。就是已经常规生产的所谓“定型产品”也会不时出现一些缺陷与问题，要在第一时间诊断、分析并判定往往也缺乏系统手段。

    为此，许多国内外学者[1,2]不断地寻求有效地在线监测并控制树脂固化的技术，建立一种可靠、高效、准确地在线监测方法对于树脂基复合材料的生产质量和效率的提高是极为必要的。从80年代后期起，美国国防部资助了不少实时监控的创议，既用来监控飞行过程中的零件完好情况，又用于监控树脂固化的情况，取得的成果是领先的[3]。而在欧洲,德国柏林的联邦材料研究测试学院(BAM)的研究已进入了商业化运作阶段。随材料科学及相关学科的发展，已形成多种新型固化监测技术。这些研究包括光纤技术、介电分析、红外光谱、超声技术、机械阻抗等等。

    笔者有幸陪同某跨国公司将其在欧洲的模具转移至中国进行生产前的现场调试，他们的技术人员所携带的超声波在线监测的仪器如图一，及其超声传感器如图二。由一个换能传感器向工件发射声能，穿透至另一面传感器接收，通过声速变化来测定固化完成情况。

本文将概述超声波技术用于在线监测SMC/BMC成型过程的原理和应用的实例。

不饱和聚酯树脂的固化及其模塑料的流变行为

   由不饱和聚酯树脂、玻璃纤维和矿物填料等多种组份组成的SMC /BMC模塑料的固化过程大致可用以上液体树脂的固化过程来描述,但模塑料成型前已制备成粘稠度较高的膏状一样的复合物,它的固化过程更多地可用流动行为,即流变行为来描述更确切一些。SMC/BMC的流动性不仅与基体树脂的流动性有关,而且与玻纤含量和类型、填料及低收缩添加剂等有很大关系,人们希望模内复合物的流动，能使各组份始终保持制备当初混合均质的状态一起流动,人们已经知悉模塑料在成型过程中是以一种十分复杂的方式流动的。并且制件的表面光洁度、纤维取向、气孔、熔合线位置和凹陷等表观缺陷都与模塑料的流动特性有关。

    浅显地讲,模塑料投入模具后,物料表面与模具热表面接触,温度随接升高,树脂基体大分子链段的活动能力增加、体积膨胀、分子间相互作用力减小,流动性骤增,在压力作用下物料呈粘流态迅速流动,并充满模腔;另一方面,加热及引发剂激活使活性基团发生交联,粘度升高直至达到固化 [5]。

    还可指出,模塑料模压成型和注射成型的固化过程是类似的,但是,在模压模具和注射模具中的固化时间是不一样的。模压是把室温下的模塑料放进热模具中央施压固化,因而固化时间长。而注射成型时,物料在进入模腔前,已通过螺杆、机筒的挤压摩擦和剪切作用,再经流道系统的热传导等而预热,使模塑料在进入注射模腔并发生固化前的初始温度远超过室温,往往达到100℃左右，故固化时间大致可缩短一半以上。

超声波测量的基本原理

   超声检测技术作为一种用于无损检测及成像的最有效工具，已广泛应用于工业、医学、军事等各个领域。特别是随着高频数码技术和计算机的发展，超声监测技术已成功用于化学反应、薄膜的形成、胶粘过程、聚合物的结晶等各种过程。而SMC/BMC在线监控的超声波技术正是关注到不饱和聚酯树脂固化反应过程中超声波信号系列而有序的变化与树脂的物理与化学性质的变化有良好的对应关系，并且超声波法可以量化固化反应过程中从粘稠态到凝胶态，再转变为玻璃态，直至完全固化的变化过程，能够精确地捕捉到凝胶态出现时刻。用IT行业的词语来表征，即实现了固化过程可视化。

     超声传感器(超声发射元件 Emitter和超声探测元件 Detector)在成型模具中的配置和测出的声速随时序变化的简单示意图见图五，实际的超声传感器见图六。发射器发射超声波作用于正在反应的SMC/BMC模塑料中,接收器上的探头探测到被衰减了的声波信号，其弹性波的传播速度(称超声或声学速度)以及波形在振幅上的衰减(称超声或声学衰减)是可以检测到的。这种传感器敏感度高,且具有非接触特点,不像其它类型的传感器必须贴紧制品表面而在成型后会留下痕迹。

    一般说不饱和聚酯液体树脂体系发生交联反应而转变为不溶、不熔的具有体型网状结构的固化物的全过程称为树脂的固化[4]。树脂的固化过程伴随着物理状态的转变，即由液体状态转变为具有一定硬度的固态，因此这个过程也可叫硬化或者变定。固化过程中物理状态的变化是由化学结构的变化引起的。也可将这种固化阶段分为凝胶、定型和熟化三个阶段。凝胶阶段是指液体树脂从粘流态到失去流动性形成半固体凝胶；定型阶段是从凝胶到具有一定硬度和固定形状；熟化阶段是从表观上已变硬，具有一定的力学性能及相对稳定的物理、化学性而可供使用。正是这种物态的变化可被敏感的超声技术（声速的变化和声学衰减的变化）所捕捉，实际上这三阶段不是很明显的。

应用实例

    德国柏林的联邦材料研究测试学院(BAM)的研究人员在其实验室里建立了一套完整的复合材料成型的实时监控装置,见图八。

   同样还是德国,亚琛工业大学(RWTH Aachen University)塑料工程学院的两位学者利用超声波在线监测技求[8]对曼佐里特(Menzolit)公司的A级表面SMC 0400片材进行了系统的压制成型试验,取得了不同的成型温度、延时加压、不同的初始压力等工艺条件变化情况下,物料固化时超声波速度和相对振幅衰减的监测曲线,见图十一至图十三。

以上实验结果为提高制品质量和缩短循环时间,提供了鲜明的可视化依椐。

结语

    复合材料生产工艺的智能化在很大程度上以研究工艺过程机理为基础，并对工艺操作过程的实时在线监控，这是先进复合材料生产工艺技求的一个发展方向。而在线监控系统需要传感器做〝眼睛〞，发挥其监测固化过程的功能，变化趋势，进而为智能系统发布操作指令。本文介绍的超声波透射信号传感器，通过可视化方法可监测配方、批次、温度、压力、加压时间等等因素对SMC/BMC固化的影响,引入了复合材料成型工艺过程由经验向基于料学的过程的转变。这种新技术也将走出实验室向生产现场推广,其结果将极大提高复合材料成型工艺过程的效率、提高产品性能、降低成本。

参考文献
[1] 一种树脂固化反应过程的在线监测方法及其装置,中国发明专利申请号:
200710150163.8,   2007年11月14日
[2] W.Stark, J.Bartusch, J.Doering, J,McHugh  Making cure visible: monitoring the cross-linking process using integrated ultrasound sensors  JEC Composites Magazine 1-2 ,2008.  No.38 pp{64-66}
[3] 石林  复合材料固化监控系统的发展  航空工程与维修.   1999,( 1):38-40
[4] 倪礼忠、陈麒  复合材料科学与工程  北京:科学出版社,  2002年
[5] 陈锋  BMC模塑料及其成型技术  北京:化学工业出版社,  2003年
[6] Ultrasound measuring system US-Plus   http://www.isk-iserlohu.de/us-plus.htm
[7] Jarlath McHugh, Joachim Doering, Wolfgang Stark, Einsatz der Ultraschalltechnik bei der Produktion von Faserverbundteile   http://www.ndt.net/article/v09n03
[8] W Micmaeu, C Knemer,   Process monitoring using ultrasound measurement technology  JEC Composites Magazine 1-2 ,2009. No.47