（固体力学专业论文）RTM工艺制品复合效应与使用性能评价方法研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 树脂传递模塑成型工艺( r t m ) 以其生产效率高、投资低、工作环境好、 工艺适应性强等优点而得到广泛应用。在发达国家，r t m 工艺的增长速度远高 于其他工艺。然而，在国内，r t m 的发展相对较慢，生产的制品批量小、强度 低、性能可靠性差，按照国外先进技术指标来衡量，相距甚远。r t m 仍有许多 问题待研究，如出现气泡和干斑、注射口和排气口设计困难、渗透率数据库不 完善、产品性能综合评价困难等。论文针对这些问题主要进行了以下研究： ( 1 ) 从纤维增强材料渗透性能入手，研究r t m 工艺参数对其制品复合效 应的影响规律。着重探讨纤维增强材料渗透率的测试方法及计算公式，并按照 二维面内渗透率测试方法，通过实验分别测得缝编毡、复合毡和方格布在不同 注射温度、注射压力、铺层数等情况下的渗透率，得到成型工艺参数对纤维增 强材料渗透率的影响勰律，为r t m 充模数值模拟提供了渗透率测试依据。 ( 2 ) 通过对r t mi 艺中注射口及排气口的合理布置研究来提高r t m 工艺 制品的复合效果。针对注射口、排气口及树脂流道等设计难点，提出应用充模 数值模拟软件来辅助注射口、排气口及树脂流道的设计。并通过算例，对注射 口、排气口及树脂流道进行优化设计，着重撵讨了利用数值模拟软件分析问题 的过程和方法，提出了一个合理有效的有限元建模方法与技巧。最后通过对算 例结果与实际充模结果进行对比验证，得出结论：数值模拟结果能够较好的反 映实际充模过程，应用充模数值模拟软件可对r t m 工艺中注射口和排气口等进 行合理布置，进而有利于制品缺陷的排除和提高制品的复合效果。 ( 3 ) 用计算机数值模拟技术来评价r t m 工艺制品的使用性能。以一款轿 车行李箱盖的生产为例，探讨计算机数值模拟技术在r t m 工艺生产中的应用。 把计算机数值模拟技术系统的应用到了整个勰m 工艺生产过程，从产品c a d 实体模型建立到模型有限元网格划分，从产品力学性能评价到产品充模过程模 拟，详细探讨了计算机数值模拟技术在r t m 工艺生产中的分析方法与过程，着 重研究把c a d 模型转化为有限元模型的技巧与方法，提出了一个有效的计算机 数值模拟技术应用思想与方法，并验证了计算机数值模拟技术在r t m 工艺生产 及制品使用性能评价中具有重要的指导作用。 关键词：r t m ，缺陷，性能评价，渗透率，数值模拟 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s i nt r a n s f e rm o l d i n g ( r t m ) i sw i d e l yu s e df o rt h ec h a r a c t e d s t i c so fh i g h p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , l o wi n v e s t m e n t ，留0 0 dw o r k i n ge n v i r o n m e n t ，s t r o n gc r a f c o m p a t i b i l i t y , a n ds oo b i nd e v e i o p e dc o u n t r i e s 、删i sd e v e l o p i n gm u c hf a s t e rt h a n o t h e rc r a f t s ，h o w e v e r i na l i n a r t md e v e l o p e dr e l a t i v e l yl a t e ，s o 耵mp r o d u c t s h a v el o wo u t p u t 1 0 wi n t e n s i t ya n dd on o tp e r f o r mw e l l t h ep e r f o r m a n c eo fc h i n e s e p r o d u c t si sf a rb e l o wt h es p e c i f i c a t i o n so fo t h e rc o u n t r i e s t h e r ea r es t i l ln u m e r o u s p r o b l e m si nr t m ，s u c ha s ：t h ep r o d u c th a sv o i d sa n dd r ys p o t s ，t h ea r r a n g e m e n to f g a t e sa n dv e n t si sd i f f i c u l t ，t h ep a r a m e t e rd a t a b a s ei sd i s i n t e g r a t e d ，t h ep r o p e r e v a l u a t i o no fp r o d u c tp e r f o r m a n c ei sh a r dt og e t t h i st h e s i sm a i n l yc a r r i e so n r e s e a r c hr e s p o n d i n gt ot h ep r o b l e m sr e f e r r e dt oa b o v e ： ( 1 ) t h ee f f e c to fp a r a m e t e r so n 硎p r o d u c tc o m p o u n d sw e r es t u d i e d t h e s e s t u d i e sr e f e r r e dt ot h es t u d yo ff i b e rp e r m e a b i l i t y a c c o r d i n gt ot h et w o - d i m e n s i o n a l p e r m e a b i l i t yt e s t i n gm e t h o d ，t h ep e r m e a b i l i t yo fd l i f e r e n tf a b r i c sw a st e s t e dw i t h d i 肫r e n tp a r a m e t e r s ar u l ea b o u tt h ee 任b do fp a r a m e t e r st op e r m e a b i l i t yw a sa tl a s t d e v e l o p e d t h er e s u l t so ft h ep e r m e a b i l i t yt e s t i n ga l s op r o v i d e dd a t a f o rt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h el l ! n 讧p r o c e s s ( 2 ) t h ea r r a n g e m e n t o f g a t e s a n d y e n t s w e r es t u d i c d t o i m p r o v e t h e c o m p o u n d e f f e c to nt h er t mp r o d u c t hv i e wo ft h ed i f f i c u l t yo fg a t c s v e n t sa n dr e s i nf l o w c h a n n e ld e s i g n i tw a sp r o p o s e dt oa p p l yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r et os o l v e t h ep r o b l e m l a t e r e a m - 洲s o f t w a r ew a su s e d 勰at o o lt oo p t i m i z et h eg a t e s ， v e n t sa n dr e s i nf l o wc h a n n e ld e s i g n i td i s c u s s e de m p h a t i c a l l yt h ep r o c e s sa n d m e t h o do fu s i n gt h en u m e r i c a ls i m u l a f i o na n a l y m ss y s t e m ，a n de s t a b l i s h e dap r o p e r m e t h o da n ds k i i io ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e le s t a b l i s h m e n t a tl a s tc o n t r a s t i n gr e s u l t s b e t w e e nt h ee x a m j ) l ep r o d u c ta n dt h er e a lp r o d u c tw e r ep r o d u c e d f r o mt h e s er e s u l t s ， t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o nw a sr e a c h e d ：t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sc a nb e t t e r r e f l e c tt h er e a l p r o d u c t sr e s u i t s t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ei sg o o da t d e s i g n i n gt h ea r r a n g e m e n to fg a t e sa n dv e n t s ，t h er e m o v i n go ff l a w sa n de n h a n c i n g t h ep r o d u c t sc o m p o u n de f f e c t ( 3 ) t h ep e r f o r m a n c eo fi i ：1 1 垤p r o d u c t sw c r ee v a l u a t e db yc o m p u t e rn u m e r i c a l s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ( c n s t ) t h et r u n ko fac a rw a su s e da sa ne x a m p l et o d i s c u s st h ea p p l i c a t i o no f 铡s ti n 硎p r o c e s s i nt h i se x a m p l e c n s tw a sa p p l i e d t ot h ew h o l ep r o d u c t i o np r o c e s so fi h m 。f r o mt h ec s t u b l i s h m e n to ft h ec a dm o d e l t ot h ef i n i t ee l e m e n tm o d e la n df r o mt h em e c h a n i c sp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nt ot h e p r o c e s ss i m u l a t i o n i td i s c u s s e dd e t a i l sa b o u tt h em e t h o d sa n dp r o c e s s e su s e db v c n s ti nr t m t h es k i l l sa n dt h em e t h o d sa b o u th o wt ot r a n s f o r mt h ec a dm o d e lt o t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lw e r cs t u d i e dv i g o r o u s l v a tl a s t i te s t a b l i s h e da ne f f e c t i v e a p p l i c a t i o nm e t h o do fc n s a n dc o n f i r m e dt h a tc n s th a sa ni m p o r t a n t i n s t r u c t i o n a lf u n c t i o ni nt h el h m p r o c e s sa n dp r o d u c t p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n k e y w o r d s ：r t m ；f l a w ；p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ；p e r m e a b i l i t y ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1r t m 工艺及其发展 1 1 1 r t m 工艺原理及特点 树脂传递模塑成型工艺( r e s i nt r a n s f e rm o l d i n g ，简称r t m ) 基本原理如图 1 1 所示，在模腔内预先铺设好增强材料、芯材和预埋件等，然后在压力作用下 将树脂注入闭合模腔，浸润增强材料，树脂在室温或升温条件下固化，待树脂 固化充分后脱模，必要时再进行表面抛光、打磨等后处理，可得到两面光滑的 复合材料制品【。 ( b ) 注入树脂 一f 亡：二：一三 ( c ) 树脂固化 图1 1r t m 工艺基本原理示意图 r t m 以其优异的工艺性能，已广泛应用于交通运输、军事设施、国防工程 和航空航天等各领域。主要有以下特点【2 】： ( 1 ) 制品双面光滑，无需胶衣涂层就可以制成a 级表面制品，脱模后处 理工作量小。 ( 2 ) 注射压力低，一般为0 1 0 4 m p a ，由于树脂注射压力低，模具承受 武汉理工大学硕士学位论文 的压力不大，因此模具制造与材料选择的灵活性强，用简单的成型 设备就可以一次性快速成型大型、几何形状复杂的构件。 增强材料种类多，可以用单一种材料，也可以用多种组合材料，设 各、模具和原材料等投资少。 部件尺寸稳定，成型公差可精确控制；嵌入件可预先安置，易于实 现构件局部增强，可一次成型带有夹芯、加强筋、预埋件及局部加 厚的构件；产品设计灵活，重复性可以保证。 成型周期短，效率高，一般构件成型周期为5 1 0 分钟，最多不大 于1 小时，大型船舶构件的成型时间一般为2 8 小时，可实现半自 动或自动化生产。 成型工艺为闭模成型，减少了苯乙烯的挥发，改善了生产人员的工 作环境；制品后加工去掉的废料少，有利于环保： 便于使用计算机( c a d o 墟) 进行模具和产品辅助设计。 1 1 2 r t m 工艺的发展概况 r t m 起源于2 0 世纪5 0 年代的湿法铺层和注塑工艺，至今已有5 0 多年的历 史。当时m a r c o 化学公司的m u s k a t 申请了美国专利，提出了r t m 早期概念【3 】 但早期的r t m 新思想并没有引起人们足够的重视。加世纪6 0 7 0 年代是r t m 发展的缓慢时期，一方面r t m 原材料的生产水平、模具制造技术还存在很多问 题，人们对制品性能和生产效率要求较低，对r t m 的认识和接受能力还没有达 到相应的程度；另一方面，当时喷射和s m c 技术发展迅速，成为复合材料重点 研究的工艺，并形成了一定的市场规模。 2 0 世纪8 0 年代初，由于许多发达国家相继出台的环保法规对苯乙烯释放的 强制性法规定，r t m 被提到议事日程。苯乙烯排放量的控制由成型工艺本身的 特点决定，开模成型工艺对苯乙烯排放没有控制，而r t m 是闭模成型工艺，能 够满足苯乙烯最高排放限制的要求，是符合环保要求的典型工艺，许多公司开 始致力于r t m 工艺的研究及制品的生产。随着复合材料低成本化概念的提出、 r t m 纤维增强材料制作工艺的发展、专用树脂的开发和技术的进步，r t m 工艺 得到迅速发展，并逐步显示出其优越性。 2 0 世纪9 0 年代，为满足汽车轻量化，制备高性能高质量汽车承力结构，同 时又能满足环境要求和工业化汽车生产的需要，工业化r t m 工艺制备汽车复合 材料技术得到迅速发展和应用。此外，在铁路系统和船舶领域，r t m 工艺也得 ) ) ) ) ) o 武汉理工大学硕士学位论文 到广泛应用。如在铁路系统中用r t m 工艺制备高速列车( 磁悬浮列车) 的车身、 内部设备、装修装饰件以及承重结构等；在船舶领域用r t m 工艺生产轻质高速 的私人游艇、帆船、救生艇、渔船、游艇及军舰等。r t m 制品的应用范围已从 民用制品发展到汽车、航空航天和国防等尖端产品。在这一时期，r t m 理论研 究空前活跃，在几十年的研究基础上，r t m 已经形成了较完整的成型工艺理论 并可有效的指导工艺实践。据统计，2 0 世纪9 0 年代初，欧美等国r t m 工艺制 品增长率连续多年高达1 0 以上，这一增长速率超过了当时复合材料的平均增 长速度，而近几年，特别是1 9 9 9 2 0 0 0 年，r t m 的增长速度度高达5 2 h ， 可见，在发达国家，r t m 正以远高于其他工艺的增长速度发展。 在国内，r t m 发展相对较晚。国内引进r t m 工艺设备始于2 0 世纪8 0 年代， 尽管引进的设备不少，但r t m 工艺制品的产量很低，产品的强度低、性能可靠 性差。按照国外先进技术指标来要求，相距甚远。应该说这一工艺在国内还处 于初级阶段，需予以足够的重视，并将其作为一个系统工程进行研究，特别是 各环节之间的技术集成，主要应加强r t m 设备( 配套问题) 、原材料( 专用化) 、 成型工艺参数( 数据库化) 、模具( 设计制造) 等方面的科研与开发工作。 1 2 r t m 工艺研究进展 1 2 1 复合效应的研究 r t m 工艺制品的复合效应主要是指原材料各组份之间的复合过程和复合效 果的总称。r t m 工艺制品是由两种或两种以上不同性质的材料组成，主要组分 是增强材料和基体材料。r 1 m 制品的形成过程是不同性质材料的复合过程，制 品的复合效应不但使制品保持了增强材料和基体材料本身原有的优点，而且通 过各相组分性能的互补和关联，获得优异的性能。可见，各组份之间的复合效 应是影响r t m 制品性能的主要因素。 r t m 工艺制品复合效应的研究主要是制品缺陷形成机理与排除方法的研 究。到目前为此，国内外众多材料研究学者对r t m 产品缺陷的研究主要是从材 料组份本身的性能、各组份之间的物理结合以及不同原材料之间的化学反应来 分析其形成机理与消除方法。如对树脂固化不均；纤维取向不佳、浸润不均； 出现气泡、干斑、脱层：产品表面局部粗糙无光泽、皱褶、有裂纹等缺陷的形 成机理与消除方法研究。其中，充模过程产生的气泡与干斑是r t m 成型过程中 武汉理工大学硕士学位论文 最常见、最难克服的问题【5 1 ，也是研究得最多的问题。对气泡与干斑的研究主要 有以下成果： ( 1 ) 气泡的形成机理与排除方法研究 从微观上分析认为r t m 充模过程中树脂存在两种尺度的流动：一种是纤维 柬问的宏观流动，另一种是纤维束内的微观流动【w 】。这两种流动在充模过程中 同时存在，相互影响，容易出现纤维浸润不良和气泡包裹。当宏观动压力较低 时，纤维束内的毛细压力起主要作用，液体的流动前沿形态如图1 2 ( a ) ，纤维 束内的流动前沿领先于纤维束问的流动前沿，当领先的液体前沿沿横向流动汇 合时，纤维束间来被排出的空气即被包裹，形成纤维束间的大气泡；反之，当 宏观动压力较高时，毛细压力与宏观动压力相比作用较小，因而纤维束内的液 体流动前沿落后于纤维束间的流动前沿，如图1 2 ( b ) ，当流动前沿横向流动汇 合时，形成纤维束内部的小气泡【8 l 。 ( a ) 纤维束间形成大气泡( b ) 纤维束内形成小气泡 图1 2 微观上分析气泡的形成过程 除上面所述的由于纤维柬间与纤维内树脂流动前沿不一致而产生气泡外， 从宏观上分析，产生气泡主要有以下几种原因：模腔内树脂固化反应放熟过 商，固化时间过短，导致模腔中的气体不能及时地完全排出；树脂注入模腔 时带入空气过多，灌注时间内无法全部捧出：树脂粘度过大，流动缓慢，致 使包容在树脂中的气泡不易随树脂的流动而捧除：树脂和固化剂反应放出气 体、原材料中有湿气或产生挥发性物质。模腔形状过于复杂，注射口和排气 口布置不舍理，使气体停滞于模腔的死角处丽无法排除。 对于气泡的排除方法研究，一般认为可从以下几个方面入手：适当调低 树脂固化剂用量，防止固化时间过短；采用低粘度树脂，以增加树脂的流动性 和浸润性。采用真空法1 9 j ，经过微观结构的成像分析，在真空下成型的平板 平均空隙含量只有0 1 5 ，且空隙分布均匀，而无真空的为1 。采用振动的 武汉理工大学硕士学位论文 方法【1 0 - 1 1 】，由于振动产生高的剪应变速率，导致树脂粘度下降，因此促进了树脂 的流动，改善了增强材料的浸渍，减少了空隙含量。在树脂注入模腔前用可 溶于树脂的气体或蒸发的方法将模腔里的空气排出，而残留在模腔中的气体在 充模结束后可溶解于树脂中，从而达到消除气泡的效果1 1 2 l 。秦伟【1 3 _ 1 4 l 等人研 究表明，采用冷等离子和超声技术改善了树脂对纤维增强体的浸润性，使树脂 中的空气和成型过程中产生的气泡易于排出，减少了复合材料的空隙率，改善 了复合材料的界面性能。 ( 2 ) 干斑的形成机理与排除方法研究 般认为，由于纤维织构和取向的不同。模具形状与尺寸的变化、注射口 和排气口的不合理布置、增强材料的渗透性不均，以及边缘效应的出现，使得 树脂优先沿着渗透率较大的区域流动，破坏了树脂流动的设计路线，出现流动 前沿不一致，产生树脂包绕的现象。如图1 3 所示，当流动较快的局部前沿发生 汇合时，就会形成包绕现象，裹入气体，形成气团，气团压力使树脂无法浸润 其内部纤维，从而形成干斑【1 5 】。另外，树腊注入量过少、纤维局部受污染或模 具结构过于复杂，产生“死角”而使树脂无法完全浸润纤维也是形成干斑的主要原 因。 l 一 。_ _ 。l l 。- 。+ _ _ _ - - _ - _ - _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ ( a ) 树脂流动前沿不一致( b ) 流动前沿包绕形成干斑 图1 3 于斑的形成过程 干斑的排除方法一般有：保持纤维增强材料不受污染，不在纤维中掺入 异物，树脂注射量不能太少。分析增强材料各部分渗透率的异同，预测树脂 流动规律，合理的设计树脂流道方案，如注射口、排气口等的合理布置，从而 减少树脂流动前沿不一致的现象，防止包绕现象的形成。 1 2 2 使用性能评价方法的研究 复合材料的使用性能往往与材料结构、使用条件密切相关。复合材料用途 武汉理工大学硕士学位论文 不同，其使用性能要求不一样，如航空材料要求能耐高温、地面雷达设备材料 要求有好的电磁性能、电池槽要求有好的耐腐蚀性、汽车覆盖件要求有较好的 表面光洁度以及用于结构件的复合材料要求较好的力学性能等等。复合材料使 用性能评价方法一般有： ( 1 ) 可靠度评价方法1 1 6 j 。分析系统或者部件在给定的使用期间，在给定 的环境条件下，能够顺利地完成原设计性能的概率( 或为能够正常工作的能力) ， 用概率作为定量尺度表达材料性能的可靠性。 ( 2 ) 采用抽样破坏性检钡4 评价材料的性能。所谓抽样破坏性检测是指将 复合材料或其构件通过一定规律对测试样品进行抽检，根据复合材料构件的设 计要求、使用过程和使用环境对复合材料构件施加最苛刻的工作条件，使之破 坏，再通过破坏时的工作条件反向分析材料的性能。测试的项匿根据设计要求 而定，对结构用复合材料，主要测试拉伸、压缩、剪切强度和模量、泊松比等。 这些基本力学性能可以直观地评价复合材料性能和质量的分散性。为了方便测 试，国家按经验制定了测试方法标准，这些标准对不同的测试项目详细说明了 其适用范围、试样尺寸、测试设备、测试条件、测试步骤、测试结果等，根据 测试标准对复合材料试样进行性能测试，可以有效的评价复合材料性能。 ( 3 ) 采用无损检测的方法评价材料的性能1 1 8 】。无损检测是通过现代测试技 术，不破坏材料或构件而检铡出影响质量缺陷的方法。复合材料的无损检测是 以复合材料中的缺陷引起材料物理化学性能煦差异或变化为理论基础的。由于 复合材料的工艺不稳定性、质量离散大的特点导致采用控制生产工艺参数方法 和进行批次破坏性抽验的方法均不可能完全控制复合材料构件的质量可靠性。 对复合材料构件进行有效的无损检测是控制复合材料构件质量可靠性的最直 接、晶有效方法。常见的无损检测方法有超声波检测法、x 射线检测方法、x 射线 c t 成像检测法、声发射检测法、激光全息( 散斑) 无损检测法、涡流检测法、 光纤传感检测法、显微镜法及微波检测法等。 1 3 r t m 工艺研究存在的问题 虽然r t m 工艺研究已经得到相当的进展，但对其研究仍有许多尚待解决的 问题： ( 1 ) r t m 工艺制品复合效应的研究内容之一是产品缺陷形成机理与排除方 法的研究。由气泡与干斑等缺陷的形成机理可知，增强材料的渗透性能是影响 武汉理工大学硕士学位论文 纤维浸润性能、影响树脂流动行为的主要因素，是缺陷形成的重要影响参数之 一，从增强材料的渗透性能方面研究r t m 工艺制品的复合效应具有重要的意义。 国内外对增强材料渗透性能的研究虽然已较多，如有的学者研究树脂与纤 维的接触角、纤维柬内的毛细压力作用对渗透率的影响。但由于r t m 工艺是一 个复杂的成型过程，影响增强材料渗透性能的因素很多，目前仍没有渗透率测 试标准，增强材料渗透率数据库还没有真正建立起来，对增强材料渗透性能的 研究还不够成熟，仍需进一步研究与完善。 ( 2 ) 通过改善注射口和排气口的位置来消除制品缺陷，提高制品的复合效 果，国内外也有不少研究，也取得了一定的进展，如有学者研究了多注射口或 多注射口非同时注射的设计方案等。但注射口的设计受到模腔形状的影响较大， 模腔结构复杂易导致注射口和排气口位置的选择、模具的密封、树脂的流动控 制、增强材料的浸润控制和模具角边( 易出现富树脂现象) 树脂含量控制困难， 致使气泡、干斑等缺陷的形成，影响复合材料的复合效果。通常，每一种注射 口设计方案只能适用于某一特定的模腔形状，而模腔形状取决于制品的外形， 且制品的外形多种多样，各不相同，所以很难有较通用的注射口设计方案。可 见，如何通过合理布置注射口、排气口来减少气泡、干斑等缺陷的形成，改善 r t m 制品的复合效果仍是研究的重要课题，同时，建立一个注射1 3 设计方案数 据库也是急需解决的问题。 ( 3 ) 由于r t m 工艺制品成型过程工艺参数复杂，影响其使用性能因素多 种多样，使得控制材料可靠性较困难，从理论上对材料可靠性给出准确的评价 也相当困难；采用抽样破坏性检测来评价只能按经验来制定测试方法与标准； 无损检测方法中缺陷判定标准也只能按不同产品的使用要求和经验来制定。因 此，寻找新的使用性能评价方法待进步研究。 1 4 论文研究的内容 论文以r t m 成型工艺存在的问题( 增强材料渗透率数据不完善，注射1 3 、 排气口等设计困难及制品使用性能评价困难) 为主要研究对象，开展了以下内 容的研究( 论文研究内容结构如图1 4 所示) ： ( 1 ) 通过对增强材料渗透性能的研究，寻找r t m 工艺参数影响其制品复 合效应的规律。探讨r t m 工艺增强材料渗透率的理论计算方法与实验测试方法， 通过实验方法测试增强材料的渗透率，研究r t m 工艺参数对增强材料渗透率的 武汉理工大学硕士学位论文 影响规律，寻找提高r t m 工艺制品复合效果的最佳工艺参数。这对增强材料渗 透率数据库的建立、充模过程数值模拟中材料基本性能参数的确定、制品缺陷 的消除、提高制品的复合效果有重要的指导意义，并可为充模数值模拟提供纤 维增强材料渗透率测试依据。 ( 2 ) 针对r t mt 艺常见缺陷形成机理，研究注射口、排气口的合理布置 方法，通过对注射口、排气口等的优化布置来消除气泡与干斑等缺陷，改善制 品的复合效果。这对消除r t m 制品缺陷、提高制品性能和促进注射口设计方案 数据库的建立有重要的指导意义。 ( 3 ) 以计算机数值模拟技术来评价r t m 制品的使用性能，综合探讨计算 机数值模拟技术在r t m 工艺生产中的应用，提出独特而有效的计算机数值模拟 应用思想与方法。这对r t m 工艺使用性能评价、生产向自动化与高效性方向发 展有重要的指导作用。 图1 4 论文研究内容结构图 8 武汉理工大学硕士学位论文 第二章纤维增强材料渗透特性研究 2 1 渗透率定义 渗透率是用来表征液体在压力梯度的作用下通过多孔介质流动难易程度的 物理量。在r t m 成型工艺中，将充模过程视为牛顿流体在多孔介质中的渗流过 程，树脂在纤维增强材料中流动路线与纤维的渗透率密切相关，纤维渗透率的 大小直接影响成型充模时间、纤维的浸润效果、制品的复合效应和使用性能。 2 2 渗透率测试方法 渗透率的测试方法研究前人做的工作比较多，一般认为从维数上可分为一 维测试、二维测试及三维测试f 1 9 - 2 0 1 。从状态上又可分为动态测试和稳态、恒压 和恒流速测试。其测试计算依据的基本公式是d a r c y 定律： 1 e 一二置即i f 一1 2 ，3 ) ( 2 1 ) 灯 式中 e f 方向的速度分量( m s ) ； k 纤维增强材料渗透率( m 2 ) ； v 尸压力梯度( p a m ) ； 7 树脂粘度( p a s ) 。 ( 1 ) 由方程( 2 1 ) 可得稳态和动态一维流动d a r c y 公式： 稳态一维流动d a z c y 公式 霉譬k a f p ( 2 2 ) 珂厶 式中 q 液体体积流速( m 3 s ) ； a 模腔截面积( m 2 ) ： 流动前沿流动的距离( m ) ； p 注射口与流动前沿的压力差( p a ) 。 动态一维流动d a r c y 公式 武汉理工大学硕士学位论文 一dl k a p ( 2 3 ) 一 l d t 叩甲( f ) 式中乞流动前沿在t 时刻的位置； 妒纤维增强材料的孑l 隙率。 ( 2 ) 引入渗透率张量露，d a r c y 定律可推广到二维和三维空间的形式： 矿一三露v p ( 2 4 ) r 其中露是纤维的渗透率张量。在三维流场和笛卡尔坐标系下，方程( 2 4 ) 可展开为： 肿1 隧i kk 2 a 篓k ：a 】 a p a 石 a p 毋 8 p o z ( 2 5 ) 其中，“、v 和w 是三个速度分量，k ，( i = 1 ，2 ，3 ；j = l ，2 ，3 ) 是迪卡 尔坐标系下渗透率张量分量。 2 2 1 一维测试 采用单向法可测得纤维增强材料一维渗透率。在单向测试中。设计一平面 模具，从边缘注射口注入树脂，并加约束，使树脂沿平行模具的边缘流向另一 边缘的出气口。此试验是在一个长方形( 测面内渗透率) 或圆柱状( 测面外渗 透率) 模腔内，测量恒定流速的树脂在已饱和的纤维体内的一维流动压力降。 代入公式( 2 2 ) ，可得到主渗透率墨为【2 l l ； k 。煮( i - 啪) ( 2 6 ) 式中：l 为增强材料沿流动方向的长度；为垂直于流向的截面积；p 0 为 注射压力；以为流动前沿压力。 2 2 2 二维测试 a i m 2 2 1 等人采用径向流动法对二维织物面内渗透率进行了研究，其基本测试 方法是从增强材料中心注入流体，在树脂以恒定流速或在恒定压力下浸润纤维 增强材料的过程中，通过透明上模观察和记录流动前沿的位置和形状，从流动 前沿的瞬时形状和位置得出主渗透率的比值和主方向，同时采用压力传感器测 量注射口和排气口压力，根据达西定律，得出二维面内径向流动织物渗透率的 计算方法： 卜描h 7 ， 卜l 糕h 制 其中x ，、y ，分别表示f 时间树脂流动前沿在x 和y 方向与注射口的距离；叩为 液体的粘度；p 。、见分别为注射口压力和流动前沿压力；民为注射口的半径； 为纤维体积含量。 2 2 3 三维测试 一维和二维测试只能用于测试某一方向和面内的渗透率，而在制品实际制 作中，增强材料通常是由几层同种或不同种增强材料叠加组成的铺层结构，树 脂在增强材料中的流动是在三维空间中进行的，要真实反映这种情况，需要进 行三维渗透率测试。 s u n gh o o na h n 【1 等人将二维径向流动法原理推广到三维径向流动，提出了 三维径向流动法( 又称为光导纤维测试法) ，通过采用光导纤维来测量树脂前沿 的瞬时半球形三维移动，可一次测得三维渗透率张量： k - 剃谢+ t 墨- 删斜+ t 】旺s ， 墨- 黜3 村+ ，】 式中口，b ，c 分别为半椭圆球形注射口的半轴；为纤维体积含量，x 、y 、 z 分别为t 时刻流动前沿的位置坐标；p o 、p o 分别为注射口和流动前沿压力。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 a 边缘流道效应 纤维增强材料铺层与模具之间或铺层与铺层对接之间的间隙引起树脂流动 模式变化的现象称为边缘流道效应。产生边缘流道效应的因素很多，例如，在 按模腔形状切割增强材料边缘时，很难精确地切割合乎模腔的尺寸。形状小一 点，不会铺满模腔，在边缘部分产生边缘间隙；形状大一点，增强材料则会翘 曲，同样会产生间隙。边缘流道效应的存在将改变树脂的流动模式和注射压力， 使树脂不能按设计的注射压力和原有的流动模式进行流动，如图2 1 所示。由于 边缘流道效应的存在，出现边缘流动超前的现象，将导致材料主体的流动渗透 不均，易形成干斑和气泡等缺陷，影响制品的复合效应。因此，对纤维增强材 料渗透性能的研究需要考虑边缘流道效应对树脂整体流动过程的影响。对边缘 流道效应的研究，可把边缘间隙看成是一种特殊的具有高渗透性的多孔介质， 引入边缘间隙等效渗透率的概念来表征边缘间隙的渗透性能。边缘间隙等效渗 透率可按一维渗透率测试方法通过实验测得。 图2 1 边缘流道效应对流动过程的影响 2 3 纤维增强材料渗透率测试实验 借助上述渗透率测试方法与计算公式，本文做了以下渗透率测试实验。实 验目的是测试纤维增强材料的渗透率，研究纾维增强材料类型、纤维体积含量、 树脂粘度、注射压力、注射温度等工艺参数对纤维增强材料二维面内主渗透率 的影响，寻找制品最佳的复合效应工艺参数，并为论文下一章充模数值模拟研 究提供渗透率测试依据。 武汉理- t 大学硕士学位论文 2 3 1 实验材料 增强材料：双向玻璃纤维缝编毡，面密度8 0 0 9 m 2 ，圣戈班宏发技术材料有 限公司；玻璃纤维复合毡( 面密度4 5 0 9 m 2 ) ，常州宏发土木复合材料工程有限 公司；o 8m m 玻璃纤维方格布( 面密度3 6 0 9 m 2 ) ，泰山玻璃纤维股份有限公司。 基体树脂：m f e - 2 乙烯基酯树脂，华东理工大学华昌聚合物有限公司； 促进剂：环烷酸钴，北京玻钢院复合材料有限公司。 固化剂：过氧化甲乙酮，天津阿克苏诺贝尔公司。 2 3 2 实验方法与装置 树脂粘度由粘度仪( n d j 7 9 型旋转式粘度仪，o 1 0 6 m p a s ) 来测试。 根据二维面内渗透率测试原理，采用径向流动法测试纤维增强材料二维面 内主渗透率。渗透率测试装置如图2 2 图2 3 所示：模腔尺寸为 3 0 0 m m x 3 0 0 m m x 3 m m ，下模腔主体为方形钢板，上模为透明厚板，通过钢制架 用螺栓连接。测试时树脂从模腔中心注入，模腔四个角设置排气口，在注射口 与排气口设有压力表，用于记录注射压力和捧气1 2 1 压力；用摄像机对树脂流动 前沿位置与注射时间进行全程记录；最后根据所测得实验数据代入式( 2 7 ) 计 算得到增强材料面内主渗透率。 图2 2 实验装置示意图 武汉理工大学硕士学位论文 图2 3 测试用模具 2 3 3 实验结果与数据处理 2 3 3 1 温度对纤维增强材料渗透率的影响 表2 1 温度对( 乙烯基酯) 树脂粘度的影响 温度渗透率1 0 1 0 b 2 充模时间s样板表面可见自斑 由表2 1 可知，温度对树脂粘度的影响较大，随着温度的升高，树脂粘度明 显降低。由表2 2 可看出，随着温度的升高，纤维增强材料渗透率有所变化，但 变化不是很大，也就是说温度( 或树脂粘度) 对纤维增强材料渗透率的影响并 不明显。同时，实验发现，温度升高降低了树鼹牲度，高温注射得出的实验样 板相对于低温注射所得样板其表面可见白斑( 经显微镜观测，所见自斑主要为 气泡与未浸润的纤维) 明显减少，说明高温促进了树脂对纤维的浸润，同时高 温还明显缩短了充模时间，提高了注射效率。经比较发现，这与文献【2 4 】研究得 出到的结果是一致的，证实了本实验结果的可靠信。但这并不是说温度越高越 h 武汉理工大学硕士学位论文 好，有研究表明，温度过高将缩短树脂的适应期，影响模具性能，使产品的质 量下降。温度过低会使树脂粘度增大，阻碍树脂渗入纤维的能力，且导致注射 压力升高，模具性能要求提高。因此，在不显著缩短树脂凝胶时间、不显著影 响模具性能的前提下，为了保证树脂在最低的压力下使纤维获得良好的漫润， 注射温度应尽量接近树脂粘度最低时的温度。 2 3 3 2 不同织构纤维增强材料的渗透性 r t m 成型工艺常用的玻璃纤维增强材料有缝编毡、复合毡和方格布，它们 的织构对渗透率的影响很大，织构不同，渗透性能也不一样。缝编毡、复合毡 和方格布的织构如图2 4 所示。 ( a ) 缝编毡 ( b ) 复合毡 ( c ) 方格布 图2 , 4 不同纤维织物的织构 ( a ) 缝编毡 ( b ) 复合毡 ( c ) 方格布 图2 5 铺层较少时不同纤维织物的树脂流动前沿形貌 由充模实验发现，当增强材料为单层铺覆，或铺层数较少( 2 层) 时，复 合毡和方格布的树脂流动前沿呈正圆形，表现为面内渗透率各向同性材料；缝 编毡的树脂流动前沿呈椭圆形，表现为面内渗透率正交各向异性材料，如图2 5 所示。分析其原因，主要是复合毡是由纤维丝随机交织而成，单层纤维面内里 随机分布的点状空隙结构，宏观上表现为面内渗透率各向同性材料，其流动前 武汉理工大学硕士学位论文 沿为一正圆形；方格布由经、纬向纤维束上下穿插交织而成，单层纤维面内呈 随机分布的点状空隙结构，宏观上表现为面内渗透率各向同性材料，其流动前 沿为一正圆形：缝编毡由经、纬向纤维束平行排放而成，纤维束间里面内沿纤 维束方向的线形通道，当树脂到达这些通道时会优先沿着这些通道流动，宏观 上表现为面内渗透率各向异性材料，流动前沿为一椭圆形。 图2 6 5 层缝编毡的树脂流 图2 7 多铺层缝编毡示意图 动前沿为一近正圆形 当增强材料为多层铺覆时，研究发现，缝编毡增强材料并不总是表现为渗 透率各向异性，其树脂流动前沿而是为一近圆形，如图2 6 所示，且铺层越多， 其树脂流动前沿越接近正圆形，即渗透率各向异性度越小。分析其原因，主要 是因为当缝编毡为多层铺覆时在锁模力的压实作用下，纤维被压得较紧实， 相邻两层缝编毡的纤维束极易被挤到另一层纤维柬间的空隙中，如图2 7 所示， 阻止了线形通道的形成，减少了纤维各向渗透率的异性度，纤维整体表现为渗 透率各向同性材料，其流动前沿为一近圆形。 图2 8 不同织构的纤维增强材料其渗透率不同 武汉理工大学硕士学位论文 在同一温度( 3 0 ) 、树脂类型( 乙烯基酯树脂) 、注射压力( o i m p a ) 下， 通过径向流动法测得不同织构的纤维增强材料主渗透率平均值，如图2 8 所示。 由图可知，纤维织物的织构形式对渗透率的影响较大。在相同的铺层数下，不 同纤维织物其渗透率不同；随着铺层数目的变化，不同纤维织物其渗透率变化 量不同。另外，由表中数据可以看出，相同大小的模腔中纤维铺层数越多，即 压得越实，树脂流动越困难，渗透率就越低，而且随着铺层数的增加，渗透率 的降低程度越来越小。 2 3 3 3 注射压力对纤维增强材料渗透率的影响 注射压力是影响r t m 工艺的主要参数之。大量实验表明，当纤维体积分 数较低时，改变注射压力时纤维的渗透率有较大变化，但随着纤维体积分数的 增加，如当纤维体积分数大于3 0 时，只要压力不大到足以改变树脂的流动状 态，注射压力对渗透率的影响不大【矧。本论文也做了类似实验，实验结果如表 2 3 所示( 4 层缝编毡) ，由衷中数据发现，注射压力对渗透率的影响不大，所得 实验结论与文献【2 5 】的结果是一致的。同时，由表中数据可知，注射压力的增大 可以加快树脂的流动，减少充模时间，提高注射效率；而较低的充模压力更有 助于改善r 1 r m 充模的微观流动状态，促进树脂对纤维的浸润，减少气泡与干斑 等缺陷的形成。经比较发现，实验所得结论与文献【2 6 】所研究的结果是一致的， 进一步证实了本实验结果的可靠信，通过这样的实验方案测试得到的渗透率可 为下一章节的充模数值模拟提供材料基本性能数据来源。但并不是注射压力越 大越好，压力的高低取决于模具的材料和模具结构，高的注射压力需要高强度、 高刚度的模具和较大的锁模力。如果高的注射压力与低刚度的模具结合，制造 的制品将出现超差，因此，为降低模具与制造成本，r t m 工艺应在较低压力下 完成树脂注入。为降低充模压力，可采取降低树脂粘度、合理布置模具注射口 和排气口等措捷。 表2 3 注射压力与纤维渗透率、充模时间的关系( 温度3 0 c ) 武