超声处理对RTM工艺成型浸润性的影响

1、第36卷第11期2004年11月哈尔滨工业大学学报JOURNA L OF H ARBI N I NSTIT UTE OF TECH NO LOGYV ol 136N o 111N ov.,2004超声处理对RTM 工艺成型浸润性的影响秦伟1,吴晓宏2,王福平2,张志谦2(1.哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150001;2.哈尔滨工业大学理学院,黑龙江哈尔滨150001,E 2mail :wxhqw 摘要:RT M 工艺成型过程中树脂对纤维增强体的浸润是非常重要的,浸润不好将导致RT M 成型复合材料中产生缺陷,这将降低复合材料的力学性能.在RT M 成型过程中采用了超声处理技术

2、,探讨了超声处理对树脂的黏度、表面张力、RT M 工艺成型浸润性及复合材料的力学性能的影响.实验结果表明:超声处理使树脂的黏度和表面张力降低,RT M 浸润性改善显著,从而提高了复合材料的力学性能.关键词:超声技术;RT M;碳纤维织物;浸润性中图分类号:T B332文献标识码:A文章编号:0367-6234(200411-1443-03E ffect of ultrasonic treatment on the impregnation of RTM compositesQI N Wei 1,W U X iao 2hong 2,W ANG Fu 2ping 2,ZH ANG Zhi 2qia

3、n 2(1.School of Material Science and Engineering ,Harbin Institute of T echnology ,Harbin 150001,China ;2.School of Science ,Harbin Institute of T echnology ,Harbin 150001,China ,E 2mail :wxhqw Abstract :T he weak im pregnation will result in the formation of traps in the com posites because the im

4、pregnation of the resin to fiber rein forcement is one of the major factors during the filling process of RT M.I t will degrade mechani 2cal per formance of the com posites.In this paper ,ultras onic techn ology is adapted during the RT M process ,and the effect of ultras omic treatment on the visco

5、sity and sur face tension of resin ,RT M im pregnation and bend property of com posite is studied.T he results sh ow that ultras onic treatment degrades the viscosity and sur face tension of resin and im proves RT M im pregnation ,which enhances the bend property of RT M com posites.K ey w ords :ult

6、ras onic technology ;RT M ;carbon fiber ;im pregnation收稿日期:2003-10-20.基金项目:国家自然科学基金资助重点项目(59833110.作者简介:秦伟(1972-,男,博士后;王福平(1954-,男,教授,博士生导师;张志谦(1934-,男,教授,博士生导师.RT M 工艺以其环境污染小,生产效率高、设备简单及模具投资少,大型复杂结构制品可一次成型等特点,在国内外得到越来越广泛的应用.RT M 工艺是将树脂体系在一定的压力下,注入预先铺放好纤维增强体的密闭模腔内,树脂在模腔内浸润纤维增强材料后固化成型.RT M 工艺成型过程中树脂对

7、纤维增强体的浸润是重要的一环,由于在成型过程中空气不容易排尽,因而易使RT M 成型的复合材料中产生缺陷,特别是在纤维复合材料中(缝编增强体,编织增强体尤为明显,这将降低复合材料的性能1.因而提高成型过程中树脂对纤维增强体的浸润性非常重要.为了提高RT M 成型过程中树脂对纤维增强体的浸润性,人们作了大量研究工作2,3.对纤维表面进行处理,可以改善RT M 成型过程中树脂对纤维增强体的浸润效果.Nikos G 4研究了音频振动对RT M 成型工艺的影响,实验表明音频振动有利于模腔中的树脂对纤维的浸润,树脂对纤维的浸润速度变快,气泡减少,纤维与树脂的浸润性增加.然而这种振动不是整体振动,因而还会

8、使孔隙产生.超声由于其空化效应可以使树脂黏度和表面张力降低,并且使纤维与树脂的浸润性改善,因而我们提出利用超声技术改善RT M 工艺成型过程中树脂对纤维的浸润性.1试验111原料以PET 缝编T -300碳纤维织物为增强体,711#环氧、2-乙基4-甲基咪唑为树脂体系.112复合材料的制备与性能测试采用RT M 工艺制备复合材料.将超声装置放在金属模具下方,超声处理时间为1min ,处理功率为0400W.模具的上模是透明的,采用CC D 对充模过程进行实时采集,来研究超声处理对浸润性的影响.将复合材料分别加工成2210mm ×615mm ×210mm 规格的试样,在W D

9、-1型电子万能试验机上按照G B -3357-82标准对超声处理前后试样进行层间剪切强度测试.将复合材料加工成4010mm ×1010mm ×210mm 规格的试样,跨距与宽度比为161,加载速度为2mm/min ,在W D -1型电子万能试验机上对超声处理前后试样进行弯曲强度测试(每点取20个试样.2结果与讨论211超声处理对树脂体系黏度的影响将环氧711#、2-乙基-4-甲基咪唑混合均匀后,置于超声作用下,超声处理时间为1min 、处理功率为0400W ,然后进行黏度测量,测试结果如图1所示.从图1中可以看出:在实验范围内,随着超声功率的增加,树脂体系的黏度逐渐降低,在

10、功率大于300W 后,树脂体系黏度降低缓慢.在功率为300W 时,树脂体系的黏度为0137Pa s ,比未处理时下降33 %.图1树脂体系黏度与超声功率的关系产生这种现象的主要原因是超声波在树脂体系内发生一种声学作用即超声的空化效应和声流作用.超声作用于树脂体系,促使树脂内部空化泡涨落的交替运动,诱发空化效应,产生巨大的能量,克服树脂体系分子运动的摩擦阻力,降低树脂体系黏度;另一方面,超声的声流作用提供给树脂体系内分子一个很大的加速度,使其迅速运动,也使树脂体系的黏度降低.212超声处理对树脂体系表面张力的影响对超声处理时间为1min 、不同功率处理后的树脂体系,利用Wihelmy 吊板法测定

11、树脂体系的表面张力,结果如图2所示 .图2树脂体系表面张力与超声功率之间的关系从图2中可以看出:在实验范围内,随着超声功率的增加,树脂体系的表面张力逐渐降低,在功率大于300W 后,表面张力降低缓慢.在功率为300W 时,树脂体系的表面张力为01038N/m ,比未处理时降低了22%.从热力学方程可以知道:对于给定体系有T 5S 5A T ,P ,n i =-T 55T A ,V ,n i ,(1而T5S 5AT ,V ,n i为温度不变时扩大单位表面积所吸收的热,因此该值为正,所以55TA ,V ,n i<0.因而随温度的升高表面张力将下降.由于超声作用于树脂体系引发空化效应时,可使树

12、脂体系温度升高,因此超声处理可使树脂体系的表面张力下降.213超声处理对RTM 成型浸润性的影响本实验的模具上模是透明的,采用CC D 对充模过程进行实时采集来研究超声处理对浸润性的影响.图3为充模时间30s 时,超声处理前后RT M 充模过程中树脂的实际流动图形,其阴影部分为树脂.由图3可以看出,经300W 超声处理之前树脂充模面积增加较快;比未处理的,浸润面积提高112倍;当经300W 超声处理以后,充模面积增加较缓慢,这说明超声处理提高了RT M 成型过程中树脂对纤维增强体的浸润性.根据Darcy 定律,流体沿多孔性介质的流动规律为5Q =k A pL .(2式中:Q 为树脂单位体积流动

13、速率;A 为横截面积;p 为相对于长度L 的压差;L 为树脂流动前沿与注入口的距离;k 为渗透率.4441哈尔滨工业大学学报第36卷从公式(2可以看出,在横截面积与压力不变的情况下,树脂体系黏度降低和渗透率提高可使浸润速率增大.树脂体系的黏度和表面张力降低,可以使渗透率增大.因而只要降低树脂体系的表面张力和黏度就可以提高RT M 工艺成型过程树脂对纤维增强体的浸润性.从以上分析可知,超声处理可以使树脂体系的表面张力和黏度降低,因而超声处理可以提高RT M 工艺成型过程中树脂对纤维增强体的浸润性.由于300W 以前树脂体系的表面张力和黏度下降较快,因而浸润性改善显著;而当功率进一步增加,表面张力

14、和黏度降低缓慢,因而浸润性改善也变得缓慢 .(a 未处理;(b 100w ;(c 300w ;(d 350w图3超声处理时间对树脂充模的影响214超声处理对复合材料力学性能的影响图4为超声处理时间为1min ,超声处理功率对复合材料力学性能的影响,其中(a 为超声处理功率对复合材料层间剪切强度(I LSS 的影响,(b 为超声处理功率对复合材料弯曲强度的影响 .(a 层间剪切强度(b 弯曲强度图4超声处理功率对复合材料力学性能的影响从图4中可以看出,当处理功率小于300W 时,随处理功率的增大,复合材料的层间剪切强度和弯曲强度不断增大;在300W 时,层间剪切强度和弯曲强度达到极大值,分别比未

15、处理时提高了11%和8%;当处理功率继续增大,复合材料的层间剪切强度和弯曲强度反而降低.这是由于树脂对纤维的浸润性的改善有利于提高复合材料的界面性能,因而在300W 之前随着浸润性的改善使复合材料的界面性能提高;而在300W 之后由于浸润性改善不明显并且功率过大容易使树脂体系中产生不易排除大气泡,因而会使复合材料产生较大缺陷,进而使复合材料性能降低.复合材料的弯曲强度主要取决于基体树脂、增强材料和复合材料界面的强度,当前两者不变的情况下,复合材料的弯曲强度主要决定于界面强度.因而超声处理对复合材料弯曲强度的影响与对界面性能的影响趋势相一致.3结论1超声处理可使树脂的表面张力减小、黏度降低,并且

16、可以提高RT M 成型过程中,树脂对纤维增强体的浸润性.2超声处理时间为1min 、处理功率为300W 条件下,可使RT M 成型过程中树脂对纤维增强体浸润面积提高了112倍,弯曲强度和层间剪切强度分别比未处理提高8%和11%.参考文献:1陆惠玲,戴干策.纤维增强复合材料浸渍过程中气泡的形成于排出J .纤维复合材料,2000,9(3:7-10.2G HI ORE S R.E ffect of V oid C ontent on the MechanicalProperties of Carbon/E poxy Laminates S AMPE Q.,1993,24(2:54-59.3秦伟,张志谦.冷等离子体处理对碳纤维缝编织物/环氧复合材料界面性能的影响J .航空材料学报,2001,21(4:38-41.4NIK OS G.Vibration Assisted Resin T rans fer M oulding(I ART M A .In :Y ao ZH ANG.13th International C on fer 2ence on C om posite Materials C .Beijing :Scientific and T echnical D ocuments P