（固体力学专业论文）纤维预制体渗透率测定方法及影响因素的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 本文课题来源是国家自然科学基金“树脂膜熔渗成型及质量控制非等温耦 合模拟理论与实验研究”，项目编号：5 0 5 7 3 0 6 0 。 树脂传递模塑技术( r e s i nt r a n s f e rm o l d i n g ，r t m ) 是种典型的液态复合材 料成型工艺。运用数值模拟方法对r t m 工艺充模过程进行模拟，分析树脂在增 强材料中的流动行为、设计工艺流程，对解决r t m 工艺中因浸润不良而产生的 产品缺陷，提高工艺的可控制性有指导意义，同时对复合材料制备技术的发展 有积极的促进作用。r t m 工艺中纤维预制体渗透率的准确测定，是数值模拟中 的关键问题之一。 本文首先对纤维预制体渗透率测试装置进行了设计与加工，该装置可以较 方便地实现恒压力注射，并实时完成对流场压力的多点测量。 然后利用自行设计的实验装置，采用并行渗透测量规程，重点对r t m 工艺 中纤维预制体的一维面内不饱和渗透率进行了实验研究。在实验数据分析与处 理方面，分别采用了传统数据处理方法和内插值法，通过对计算得到的预制体 渗透率的比较，认为内插值法充分应用了实验过程中各点的实验数据，可以对 整个的充模过程进行很好的描述，具有更高的稳定性和精确性。分析了纤维织 物构成形式和体积含量与预制体渗透率的关系，研究表明纤维织物的构成形式 对渗透率有较大影响，同种织物渗透率随纤维体积含量的升高而降低，但降低 速率随体积含量的升高而逐渐减缓。分析了在r t m 工艺中，毛细作用和边缘效 应对渗透率实验测量的影响以及对产品质量的影响。 最后利用本文实验分析得到的纤维预制体渗透率系数作为输入参数，采用 r t m 工艺充模过程模拟专用软件r t m w o r x ，对本文开展的实验过程进行了数 值模拟，模拟出的流动充模过程与实验过程基本吻合。 通过本文实验研究与理论模拟的对比，表明了只要参数输入正确，采用数 值模拟方法可以较好地预测r t mt 艺中树脂的充模流动行为，从而可以利用数 值模拟的方法指导生产实践，也进一步说明了准确测定渗透率系数的重要性。 关键词：r t m 工艺，纤维预制体，非饱和渗透率，数值模拟 武汉理：r 大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e i n v e s t i g a t i o ni sf u n d e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ( n o 5 0 5 7 3 0 6 0 ) r t mf r e s i nt r a n s f e rm o l d i n g ) i sat y p i c a lk i n do fl i q u i dc o m p o s i t e sm o l d i n g t e c h n i c s i nt h er t mt e c h n i c s ，h o wt od e t e r m i n et h ep e r m e a b i l i t yo fr e i n f o r c e m e n t e x a c t l yi sak e yp o i n tt os i m u l a t et h ef l u x i o no ft h er e s i ni nr e i n f o r c e m e n ta n dd e s i g n t h ep r o c e s s i th a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et os o l v et h ed i s f i g u r e m e n tc a u s e db yi n a d e - q n a t ei m p r e g n a t i o n ，e n h a n c et h ec o n t r o l l a b l ec a p a b i l i t y , a n du s et h es i m u l a t i o nt od e s i g nt h ep r o c e s s i ta l s oh a ss i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h ed e v e l o p m e n to fc o m p o s i t e s m a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e s i nt h ei n v e s t i g a t i o n ，a ne x p e r i m e n ti n s t a l l a t i o nw a sd e s i g n e df o rt h es t u d yo f p l a n a ru n i d i r e c t i o n a lu n s a t u r a t e dp e r m e a b i l i t y w i t ht h i si n s t a l l a t i o n ，t h ei n j e c t i o n u n d e rt h ec o n s t a n tp r e s s u r ec a nc o m et r u e ，a n dt h ep r e s s u r eo fd i f f e r e n tp o s i t i o nc a n b eg e ti nt h ee x p e r i m e n t t h e nu s et h ei n s t a l l a t i o nt od e t e r m i n et h ep l a n a ru n i d i r e c t i o n a lu n s a t u r a t e dp e r - m e a b i l i t yo ft h er e i n f o r c e m e n ta c c o r d i n gt ot h ec o n c u r r e n tp e r m e a b i l i t ym e a s u r e m e n tp r o c e d u r e ( c p m p l t h et r a d i t i o n a lm e t h o da n dt h ei n t e r p o l a t i o nm e t h o dw e r e c o m p a r e dt od e a lw i t ht h ed a t a a n a l y z e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep e r m e a b i l i t y a n dt h ec o n f i g u r a t i o n ，t h ev o l u m ec o n t e n to ft h er e i n f o r c e m e n t a n a l y z e di n f l u e n c eo f t h ec a p i l l a r ya c t i o na n dc d g ee f f e c tt ot h em e a s u r e m e n to ft h ep e r m e a b i l i t ya n dt h e q u a l i l yo f p r o d u c t s a c c o r d i n gt ot h ep e r m e a b i l i t yg o tf r o mt h ee x p e r i m e n t ，u s e dt h ec o m m e r c i a l s o f t w a r er t m w o r xw h i c hw a sb a s e do nf e c vt os i m u l a t et h ee x p e r i m e n tp r o c e s s t h es i m u l a t i o nr e s u l ti sb a s i ca n a s t o m o s i sw i t ht h ee x p e r i m e n t a n dt h ee r r o rb e t w e e nt h es i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n tw a s a n a l y z e d w i t ht h ec o m p a r eo fe x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o ni nt h i sp a p e r , w ec a nk n o wt h a t w i t ht h er i g h tp a r a m e t e r , t h es i m u l a t i o nm e t h o dc a np r e d i c tt h er t mp r o c e s se x a c t l y i ta l s op r o v e dt h ei m p o r t a n c eo fn i c e t yd e t e r m i n eo ft h ep e r m e a b i l i t y 武汉理工大学硕十学位论文 k c y w o r d s ：r t m ，f i b e rp e r f o r m ，u n s a t u r a t e dp 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 i i ! 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：遍墨蛩师签名：扭 注：请将此声明装订在学位论文的目录前。 日期妒乙，谚 武汉理- 1 = 大学硕士学位论文 第1 章前言 1 1 复合材料树脂传递模塑技术 1 1 1 树脂传递模塑技术的发展 复合材料以其轻质高强的特性以及极强的可设计性应用范围同益扩大，逐 渐渗透到国民经济的各个领域。因此复合材料技术得到了飞速的发展，特别是 对其成本和质量有重要影响的成型技术也研究的越来越广泛。其中树脂传递模 塑技术( r e s i nt r a n s f e rm o l d i n g ，r t m ) 作为先进符合材料的一种成型工艺，凭 借其设备和模具投资相对较小，制品成本低，材料结构设计灵活，可用于生产 大面积和形状复杂的构件，以及较高的生产效率等优点受到了航空、航天、舰 船、汽车等国防工业的重视【”。 r t m 技术是近年来复合材料制备工艺中发展较快的工艺。起源于上世纪5 0 年代的冷模浇铸工艺，当时的m a r c o 化学公司m u s k a t 申请了美国专利，提出了 r t m 的早期概念。但是，由于当时r t m 原材料的生产水平、模具制造技术还存 在很多问题，人们对制品的性能和生产效率要求不高，以及当时喷射和s m c 的 迅速发展，r t m 工艺没有引起人们的重视。 2 0 世纪8 0 年代初，由于欧美许多发达国家相继出台的环保法规对苯乙烯释 放的强制性法律规定，采用闭模技术的r t m3 - 艺因其能够满足苯乙烯的最高排 放限制要求，又重新被提上议事日程。许多公司j 丌始致力于r t m 工艺的研究和 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，随着飞行器的承力件及次承力构件、国防应用、汽车结构 件等的开发，r t m 工艺进入飞速发展阶段。凭借r t m 制品低成本和高性能的优 势，r t m 工艺已经被广泛用于航空航天、交通、建筑、通讯、卫生、体育器材 等众多领域。飞机制造业中复合材料用量大幅度上升，采用r t m 工艺可以制造 轻质高强、耐腐蚀和耐疲劳性能的构件，例如起落架门、机翼、机身构件、螺 旋桨叶片等；汽车制造业和船舶制造业也采用r t m 技术制造出了车门、引擎盖、 车顶棚、扰流板、壳体、汽车仪表板、游艇壳体等等。这一时期，r t m 理论研 武汉理工大学硕士学位论文 究空前活跃，在几十年的研究基础上，r t m 已经形成了较为完整的成型工艺理 论，并可有效的指导生产实践。在这一时期，欧美各国的r t m 制品增长率连续 多年高达1 0 以上，这一增长速度超过了当时复合材料的平均增长速度，特别 是1 9 9 9 - - 2 0 0 0 年，r t m 的增长速度高达5 2 ，可见r t m 工艺在发达国家的应 用越来越广泛 2 , 3 1 。 r t m 工艺在国内的发展起步相对较晚，国内引进的r t m 工艺设备始于2 0 世纪8 0 年代。由于生产经验不足，研究较少，生产出来的r t m 制品产量很低， 质量也较差，与国外先进技术的指标要求有不小的差距。可以说r t m 工艺在国 内还处于初级阶段，必须加强r t m 设备、原材料、工艺参数、模具设计等方面 的研发工作，并将各个环节的技术进行集成，以指导生产实践环节【”。 1 1 2r t m 工艺流程及分类 树脂传递模塑( r e s i n t r a n s f e rm o l d i n g ，r t m ) i 艺是一种闭模工艺，是在一 定的压力下将低粘度的树脂注入预置增强材料的模具型腔内，使增强材料预制 件完全浸润，然后通过加温或恒温的方式进行树脂固化，从而制备复合材料的 工艺。r t m 工艺原理图如图1 - 1 所示，r t m 成型时，先把增强材料放在下模的 模腔当中，然后盖上上模，锁定闭合模腔并密封，防止注射时泄压影响成型的 质量。通过位于上模的一个或多个注射口将加入固化剂的树脂压入模具，使其 在预制件中流动，模腔内的空气和多余的树脂通过模具上的排气孔排出。在注 射过程中可通过加热模具以降低树脂粘度，加快树脂固化，缩短成型周期。待 固化完成后脱模，并对完成后的制品进行修边、抛光等处理得到最终产品。 上 图1 - 1r t m 工艺示意图 随着r t m 制品应用以及需求多样化的发展，r t m 也在传统的技术基础上不 武汉理下大学硕七学位论文 断的发展，形成了多种新颖的r t m 成型方法目前，新型r t m 工艺主要包括 在真空环境下将树脂吸入模腔的真空辅助树脂传递模塑( v a c u u mr t m ，v r t m ) , 针对粘度较高的树脂、树脂粉末开发的树脂膜熔渗工艺( r e s i nf i l mi n f u s i o n ， r f i ) ；将不同基体的复合材料一起成型的共注射树脂传递模塑( c o i n j e c t i o n r t m ，c i r t m ) ；采用真空吸附，将树脂吸入橡胶薄膜模腔，靠双薄膜变形产生 的压力压制预制件的柔性树脂传递模塑( f l e x i b l er t m ，f r t m ) ；将拉挤工艺和 r t m 相结合的连续树脂传递模塑( c o n t i n u e sr t m ，c r t m ) ；树脂注射循环方法 ( r e s i ni n j e c t i o nr e c i r c u l a t i o nm e t h o d ，r i r m ) ；紫外光固化传递模塑( u l t 髓- v i o l e t r t m ，u r t m ) ：电子束辐射固化传递模塑( e l e c t r o nb e a mc u r i n gr a d i a t i o nr t m ) ； 热膨胀树脂传递模塑( t h e r m a l - e x p a n s i o n ，t e r t m ) 等。随着科学技术的不断发展， r t m 工艺将德到不断的更新和发展i ，j 。 1 1 3 树脂传递模塑技术的特点 r t m 工艺之所以广泛应用于航空航天，舰船制造，汽车行业等各个领域是 由它自身的特点决定的。r t m 工艺与以往的工艺相比具有以下的特点：i ”l 1 ) r t m 制品的表面双面光滑，可以达到a 级表面的标准。 2 1r t m 采用的增强材料可以是单一的，也可以是多种材料的组合。 3 1 成型过程中的注射压力较低，一般为0 1 , - - 0 a m p a ，对模具的承压要求不 高，因此制作模具可选的材料范围较广，可用于制作形状和结构复杂的 大型构件，一次成形，工作强度低。 成品的质量高，空隙含量低，其空隙率一般小于1 。 5 ) 成型周期短，生产效率高，r t m 的一般构件成型周期一般为5 1 0 分钟， 最多不超过1 小时，对于大型船舶构件，成型周期一般为2 8 小时。 r t m 制品的综合力学性能较高，可用作承力构件。特别是它的断裂延伸 率可达到1 5 。 n 可在预制件中预埋各类预埋件、加强肋、连接紧固件、心材等，以减少 以后安装的 + 作量，提高构件的整体性。 勖符合环保要求，由于r t m 采用的是闭模成型技术，使得苯乙烯的挥发 大量减少，改善了生产人员的工作环境。 9 、r t m 工艺的可设计性强，可以通过数值模拟的方法对整个充模过程进行 模拟，对模具进行设计，确定入射口及排气孔的位置，还可以了解充模 3 武汉理t 大学硕十学位论文 过程中压力场的分布情况。 但是r t m 工艺也存在其局限性：对r t m 专用树脂性能要求较高；模具的 设计和制造、纤维预制体在模具中的安放技术要求严格：纤维预制体的可渗透 性能是影响r t m 工艺的重要参数，但是关于预制件渗透率的数据库还不够完善： 价格合适的注模分析软件还需要进一步开发；在大面积、结构复杂的模具腔体 内注模过程中的动态监测与控制比较困难；产品制备过程中的成型规律还不清 楚等等【6 1 。 1 1 4 树脂传递模塑技术中渗透率系数的重要性 在r t m 工艺中容易出现的质量缺陷是气泡和干斑，缺陷的存在会引起应力 集中，影响制品的性能和寿命。气泡严重损害制品的电性能，力学性能和表面 质量。干斑是指预制件没有被树脂完全浸渍的区域，是液态复合材料成型工艺 中最严重的缺陷。 树脂对预制件的浸渍流动，依赖于纤维束之阃孔隙率和纤维束中单丝之间 的孔隙率、树脂的注射压力、纤维和树脂的表面张力、纤维的毛细效应、树脂 的粘度、单丝的排列等。r t m 工艺充模过程中树脂在纤维增强材料中的流动主 要有以下两种方式：一是树脂在纤维束间的孔隙内的流动，即树脂的宏观流动： 二是树脂在纤维束内纤维单丝间孔隙内的流动树脂的微观流动。如果这两种流 动在充模过程中不同步，就可能导致浸润不良产生气泡甚至干斑。当注射压力 较低时，流体的流动前沿形态如图1 2a 所示，纤维束内流体的流动前沿领先于 纤维束问流体的流动前沿，当领先的流体前沿沿横向流动汇合时，纤维束内未 被排出的空气即被包裹，形成纤维束间的大气泡；反之，当注射压力较高时， 纤维束内部流体的流动前沿落后于纤维束间的流动前沿如图1 2b 所示，当流动 前沿横向流动汇合时，形成纤维束内部的小气泡。 a l 注射压力偏小 图1 - 2 树脂在预制体内流动示意图 4 b ) 注射压力偏大 武汉理 大学硕七学位论文 因此在r t m 工艺中如何合理地控制树脂流动是一个关键问题，对于减小气 泡的形成、提高树脂的浸润效果等，从而提高产品质量有重要的意义。而影响 树脂流动的主要因素之一是预制件的渗透率。渗透率是增强材料的固有属性， 它描述了预成型体对于树脂流动的阻碍作用，是分析树脂在预制件中流动行为 的重要参数1 7 1 。渗透率对于r t m 工艺的重要意义表现在一下几个方面【8 1 ： 1 ) 它决定了树脂的对纤维的浸润，决定了流动特性，是提高产品品质的关 键。 劲渗透率是运用数值模拟的方法控制充模时间，设计模具的注射口和排气 孔位置等的重要参数。 3 ) 它是平衡工艺性和力学性能的复合材料智能设计所需的重要参数。 因此，加强对纤维预制件的渗透性能的研究，了解影响其渗透性能的因素， 并利用这些因素来对r t m 工艺进行优化设计是一项十分重要和有意义的工作。 1 2 国内外关于纤维增强材料渗透率研究的现状 国内外学者对r t m 充模过程的模拟分析与渗透率测量进行了许多研究工 作。在r t m 工艺中，树脂在纤维预制体内的流动通常被看作多孔介质的渗流运 动，最早研究多孔介质渗流的学者是d a r c y ，他于1 8 5 6 年在研究水在沙子中的 流动实验时得出了著名的d a r c y 定律i ”。它被广泛运用于描述树脂在预制件中的 流动，并假定纤维预制体是刚性材料，树脂流动时不发生变形，忽略了树脂惯 性、重力、表面张力和毛细现象的影响。达西定律描绘了纤维状介质的渗透过 程，其数学表达为v 。一k v p l u ，这个定律表明单位面积上的流速和压力梯度成 比例，增强材料的渗透率是比例系数，p 为体积流量，k 为渗透率张量，为流 体粘度，v p 为压力梯度。达西定律避免了对渗流的微观流体动力学现象的描述， 代之以宏观的统计平均概念，将所有的纤维和树脂间的相互作用概括为综合反映 纤维体的渗透特性的参数渗透率对于纤维状多孔介质材料，渗透张量在主 方向上的渗透率k ( f z ，y , z ) 称为主渗透系数。 通常情况下，渗透率的获得主要有三种途径；理论分析方法、数值模拟方 法和实验测量方法。理论分析方法和数值模拟方法作为渗透率预测的两种方法， 其基本研究思路是：针对渗透率方向和大小起决定性作用的多孔介质固有属性， 如织物尺寸、堆积和排列方式以及纤维体积含量等，建立恰当的数学模型，合 5 武汉理工大学硕士学位论文 理地近似其真实结构，应用流体力学原理建立求解方程，以边界条件为定解条 件，应用相应的计算软件预测渗透率值i 埘。 最早运用数学模型来预测增强材料渗透率的是k o z e n y ，他于1 9 2 7 年建立了 流道理论，用一组具有特定长度的平行毛细管代表多孔介质，考虑了毛细作用 力的影响。与各向同性多孔介质的达西定律不同，k o z e n y 认为多孔介质具有能 够被具体数学几何模型替代的特定细节结构i u l 。 多孔介质流动研究一个有重要意义的发展是c a r m a n 提出的k o z e n y c a r m a n 方程： k 一是孚 ( 1 - ，) 4 k 零，z 、 式中，r 是纤维半径；辨是纤维体积分数；k 是k o z e n y 常数。模型最原始 的提法是针对流体在各向同性多孔介质中沿纤维方向的流动提出的。发展到横 向流动时只需再重新定义一个水利半径，即重新选取一个k o z e n y 常数。c a r m a n 方程比k o z e n y 原始方程更符合实验结果，但不能重复k o z e n y 早期的一些计算 f 1 2 l 。 k a r d o 1 3 】等采用与式( 1 1 ) 同样的表达式，用不同于沿纤维方向流动的k 。值得 到了垂直纤维方向的横向渗透率。 随着计算机技术的同新月异，越来越多的学者借助其强大的计算功能运用数 值模拟的方法来对渗透率进行研究。其中常见的方法有：均匀化法1 14 1 ，b o l t z m a n 网格法1 1 5 】和单胞法1 1 6 i 。 但是不论是理论分析法还是数值模拟法，都有一个共同的局限性只能 预测满足特定假设条件的织物的渗透率，不能完全真实的描述复杂织物的流动 情况，而这一点正是实验测量的独有优势。 渗透率的测定方法很多，按维数可以分成一维单向测定、二维面内径向测 定及三维测定等方法；按状态又可分为非饱和( 动态) 和饱和( 稳态) ；根据注 射方式可分为恒压恒定流速等。这些测定方法一般依据d a r c y 定律，采用宏观的 实验方法进行分析。采用d a r c y 定律进行分析时需满足以下条件1 1 7 1 ： 1 ) 在一定注入压力下测量流动前沿位置时，定压注射的结果是流动前沿不 稳定，因为压力梯度和流动前沿速度随时问变化。此时流动i j i 沿处的压 力为最边缘压力。 2 ) 微观流动i i i 沿忽略，因为在同一次实验中树脂不但浸润织物而且也会浸 6 武汉理工大学硕士学位论文 润纤维内部，然而现在的实验仪器还不能在同一次实验中同时测量微观 与宏观流动前沿的变化情况。 3 ) 重力与表面张力的作用被忽略。 4 ) 实验用的预制件假设为符合实验要求的匀质材料，且无弹性，也就是说 在注射过程中不变形、不产生位移。 5 1 树脂的粘度在实验过程中保持一定，假设流体为不可压缩的牛顿流体， 实验在等温的条件下，在注射过程中无固化现象出现。 6 ) 流体注入预制件的过程中，己浸润部分为完全饱和的。 2 0 世纪八十年代以来，随着对r t m 成品质量要求的不断提高，纤维预制件 材料品种的多样化和结构的复杂化，国内外对渗透率的测量和研究也日渐深入。 e m a n u e l ee g i l l i o , s u r e s hg a d v a n i 和j o h nw g i l l e s p i e i ”】对r t m 工艺生产 多层材料构件时，层间的横向流动进行了研究。j s h e a r d ，vs e n t i ，s c m a n t e u 和j h v o g e l l l 9 j 对r t m 工艺中纤维预成型体和模具壁间不可避免的缝隙造成的 渗透率变化进行了测量，以研究边缘效应对渗透充模流动的影响。ah a m m a m i ， r g a u v i n 和et r o c h u l z o l 对铺层的边缘效应进行了理论分析和实验研究。m o o n k o ok a n g , j a ej o o nj u n g 和w o oi il e e l 2 1 j 对控制多注射1 2 1 的树脂传递模塑工艺 进行了分析及模拟研究。s a m i c o 和c l e k a k o u l 2 2 j 介绍的数据处理方法提到了 在对于预制件进行充模时，渗透率的值会受到毛细压力的影响。在达西定律中印 由几方面的因素综合而成：卸以+ p 。+ p v + 见。印为总的压力差；以为机 械压力或注入压力；以为万有引力引起的压力；以为真空压力；以为毛细压力。 s b i e k e r t o n e m s o z e r , p - s i m a c e k 和s ga d v a n i 2 3 l 研究了不同模具结构对充 模过程的影响，并通过模拟单独考察拐角半径的作用效果。j r w e i t z e n b o c k , r as h e n o l 和p a w i l s o n 2 4 惶出了多种理论框架对r t m 工艺中渗透率进行侧量 和计算。k r i sh o e s 2 5 j 等采用一套新装置，能更有效率地对r t m 工艺中纤维增强 材料的渗透率进行测量，通过大量更准确的实验数据对渗透率的分布进行研究。 e h e a r d m a n l 2 6 j 等对剪切变形后纤维增强材料的渗透率变化进行了理论和实验研 究。m ia ec h o i ，m ih y el e e ，j a e e o nc h a n g 和s e u n gj o n gl e e 吲根据复合材料工 艺中多孔介质增强材料的结构特点，提出一种双流动模式的渗透率模型，比微 观流动模型可以预测更好的结果。j r w e i t z e n b o c k ，r a s h e n o i ，p aw i l s o n l 2 s l 对渗透率径向测试的理论和测量方法进行了研究。c h i h h s i ns h i h 和uj a m e s l e e 2 9 1 研究了纤维的结构形式对液体模塑中渗透率的影响，测量了几种不同结构 玻纤毡的面内渗透率，提出一种关于纤维结构形式的理论模型以解释渗透率的 7 武汉理工大学硕+ 学位论文 差异。p a v e ls i m a c e k 和s u r e s hga d v a n i 3 0 ! 对纤维编织物的渗透率模型进行了分 析研究。 国内对于渗透率测定的实验研究起步较晚，中在以实验为基础的理论分析 上。马玉录1 3 ”等人对不同纤维体积含量的模型进行了实验，表明随着纤维体积 含量的增大，渗透率迅速下降，对于玻纤连续毡，其渗透率与纤维体积含量的 关系可以表示为个多项式。体积含量相同的玻纤连续毡和玻纤方格布比较， 玻纤连续毡的渗透率约大一倍。李海晨【3 2 】等人在d a r c y 定律的基础上建立了树 脂流动过程控制方程。通过各向异性介质系统与各向同性介质系统之间的变换 关系，结合实验数据及树脂、纤维特性对二维j f 交各向异性纤维渗透率进行了 计算，计算结果与己知数据吻合良好。谭华【3 3 】等人采用三种不同的树脂在两种 纤维束中进行毛细实验，给出了k o z e n y c a i m a l l 方程中k o z e n y 常数的实验测量 值。史德军 3 4 , 3 5 等人的研究给出了牛顿流体在铺置纤维预制件的r t m 平板模具 中，一维单向恒流和恒压流动及二维径向恒流和恒压渗流的渗透率分析模型。 通过求解析解，求出模型的各个可测量物理量之问的关系，对传统的解析方程 进行了拓展和改进。李海晨f 3 6 l 等人讨论了r t m 工艺过程树脂渗流存在的主要问 题，给出了“边缘效应”渗透率等价计算公式及二维各向同性、正交各向异性、 各向异性增强纤维介质渗透率计算方法，概述了多层介质渗流问题，指出了模 拟多层介质渗流时应注意各纤维层渗流速度不一致等问题。粱志勇1 3 7 】等人的研 究，通过对充模过程的模拟，分析了主要工艺参数一树脂粘度、注射压力及预 成型体渗透特性对r t mt 艺过程的影响规律。邱婧婧1 3 8 】等人通过开发计算机程 序与有限元腔制体积分析软件，实现了对任意复杂三维形状复合材料构件的造 型和r t m 工艺充模过程的模拟。证明了恒压注射情况下，充模时间与注射压力、 渗透率成反比，与树脂粘度成正比，其结论符合d a r c y 定律对渗透率的描述。阳 正刚【3 9 】等人采用径向流动法研究了不同剪切角度下编织纤维毡的面内渗透特 性，建立了理论预测模型。对圭渗透率和主轴方向两个关键参数与剪切角的关 系进行了研究。发现随着剪切角的增加，主轴的变化角度上升，而主渗透率比 随剪切角的增加而减小，并且这两个关键参数的实验值与理论预测值吻合较好。 吴灵芝1 4 0 j 等人的研究在一定的实验数据基础上进一步讨论了非织造材料结构与 渗透率之间的关系，建立了非织造材料结构与渗透率之日j 的关系式。根据这一 关系式计算出的渗透率值与测试值较吻合，并且用更多样品的数据进行了进一 步检验与修j 下。陈萍1 4 1 j 等人的研究采用单向玻璃纤维织物，利用d a r c y 定律测 定了不同铺层方式下织物的渗透率，研究了铺层方式对织物渗透率的影响，证 8 武汉理工大学硕士学位论文 明铺层方式改变时织物的渗透率大小和主轴方向发生改变，其关系符合椭圆的 叠加原理。 1 3课题研究的意义和内容 1 3 1 本文研究的意义 树脂传递模塑工艺( r a m ) 是近年来发展起来的一种高性能低成本先进复合 材料制造技术。它是闭模成型工艺，其原理是将纤维预制成型体( 可能含少量 的聚合物胶黏剂) 放入模腔内，用液态热固性树脂浸渍，树脂固化后脱模，然 后进行修整得到产品。与其他纤维复合材料制造技术相比，r t m 技术具有诸多 优势：可生产的构件范围广，可按结构要求定向铺放纤维。另外，r t m 工艺为 闭模成型工艺，能满足日趋严格的苯乙烯挥发控制法规的要求。精确描述树脂 在增强材料中的渗透特性，对优化模具设计、充模过程数值模拟、缩短制造周期、 保证产品质量等至关重要。 预成型体渗透率是r t m 工艺的重要工艺参数，直接影响纤维树脂的流动浸 润过程和效果。渗透率的重要性在于：一方面它控制充模时间，从而与树脂的 固化动力学一起影响模具设计和注射口、排气口的位置，是数值模拟所需的关 键参数：另一方面，它决定流动特性，控制树脂对纤维柬的浸渍方式，是获得 高品质制品的关键。此外，它也是平衡考虑工艺性和力学性能的复合材料智能 设计所需的重要参数之一。本文运用实验的方法，利用自行设计的实验装置对 面内一维非饱和流动的过程进行了分析，并分别采用不同的数据处理方法得出 了几种不同增强材料的主方向非饱和渗透率，讨论了得出数据的合理性，最后 将数据结果带入专业的r t m 工艺模拟软件r i m - - w o r x 中进行树脂流动的模拟， 模拟实验过程与本文进行的实验做出了对比。为今后r t m 工艺过程的数值模拟 在生产实践中的应用提供了依据。 1 3 2 本文研究的内容 本文课题来源是国家自然科学基金“树脂膜熔渗成型及质量控制非等温耦 合模拟理论与实验研究”，项目编号：5 0 5 7 3 0 6 0 。研究内容包括： 1 )确定实验方案，针对r t m 工艺过程中面内一维非饱和流动的特点， 9 武汉理工大学硕十学位论文 2 ) 3 1 设计出一套实验过程中便于采集瞬态数据的实验装置，该装置可以较 方便地实现恒压力注射，并实时完成对流场压力的多点测量。 将实验所得数据分别采用不同的数据处理方法进行分析，比较分析结 果的合理性，得出了几种不同增强材料不同体积含量的主方向非饱和 渗透率数据，并分析影响渗透率测定的因素。 将数据结果带入专业的r t m 工艺模拟软件r t m w o r x 中进行树脂流 动的模拟，模拟实验过程与本文进行的实验做出了对比。 武汉理丁大学硕士学位论文 第2 章增强材料渗透率的测定方法及理论模型 2 1充模过程的树脂流动分析 在r t m 工艺中，树脂在纤维预制体内的流动通常被看作多孔介质的渗流运 动，并假定纤维预制体是刚性材料，树脂流动时不发生变形，忽略了树脂惯性、 重力，表面张力和毛细现象的影响。通常用d a r c y 定律来描述这种渗流过程： 等印( 2 - 1 ) 其中v 为流速，k 为渗透率张量，为流体粘度，v 1 ) 为压力梯度。这个定 律表明单位面积上的流速和压力梯度成比例，增强材料的渗透率是比例系数。 达西定律避免了对渗流的微观流体动力学现象的描述，代之以宏观的统计平均 概念，将所有的纤维和树脂问的相互作用概括为综合反映纤维体的渗透特性的 参数渗透率。对于纤维状多孔介质材料，渗透张量在主方向上的渗透率k ( i 。z ，y ，z ) 称为主渗透系数。在三维流场和c a r t e s i a n 坐标下，d a r c y 定律可展 开为： 仨 吉 芝芝差】 其中，“、v 、w 是三个速度分量。 2 2渗透率的计算 印 _ 一 打 印 。一 砂 印 _ 一 耙 ( 2 - 2 ) 大多数增强材料的渗透率都具有方向性，在层合板的三维方向上渗透率各 不相同，因此渗透率的计算一般按维数来分类，分为：维、二维和三维计算。 通常计算的基本依据都是d a r c y 定律。 1 l 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1 孔隙率 孔隙率是与渗透率关系密切的参数，增强材料的孔隙率是增强材料体积分 数的函数： 州一毒 其中，v l 是增强材料的体积，是模腔的体积。 又由于增强材料的质量： v i m p i 其中，m ，是增强材料的质量，, o i 是玻璃纤维的密度 故可以得到增强材料的孔隙率： 州一老 2 2 2 一维渗透率的计算 ( 2 - 3 ) ( 2 5 ) 一维渗透率的计算可用以计算面内单向的渗透率，也可用来计算沿厚度方 向的面外渗透率k ，计算方法有以下几种： 1 ) 稳态渗透率的计算 由一维流动的d a r c y 公式可得： o莨色p 忙孟一百1 ( 2 。6 ) a 母驻 、 其中，v 是液体表面流动速度；q 是液体体积流速；a 是模腔的截面积，是 整个流动的长度。利用实验中的数据q 和a p 作出q a p 图，图中直线的斜率即 为该预制体体积分数下的渗透率。 2 ) 动态渗透率的计算 d a r c y 定律公式的左右两边对时间求导可得： a l砼p d t2 丽( 2 - 7 ) 式中，为流动前沿在t 时刻的位置： 1 2 武汉理： 大学硕士学位论文 3 1 恒压渗透率的计算 在t ；0 、f 一0 的初始条件下对方程( 2 7 ) 进行积分， d a v y 定律： 1 2 ( 0 ：鲨竺z 9 可得到恒压状态下的 ( 2 8 ) a p - 己一。一 ( 2 9 ) 其中，圪为恒定的入射口压力，乙为排气口压力r 为毛细管压力。通过 1 2 对t 作图就可以求出渗透率的值。 4 1 恒定流速的渗透率的计算 对方程( 2 7 ) 在t - 0 、f = 0 初始条件下积分可以得到： 掣= 刍c 撇 ( 2 - t 0 ) z “9 ，v 在恒定流速的实验中，用q t q 口a 代替l ( t 1 可以得出渗透率的表达式： 如邳翻 p m 2 2 3 二维面内渗透率的计算 面内渗透率张量的形式是： 叫乏惫 在渗透率张量的矩阵中， 0 一k 。由于方程的连续性和液体的不可压缩 性，d a r c y 定律可以写成： v 晖v p ) 一0 ( 2 1 3 ) 液体刚进入二维各向异性织物流动时流动前沿是圆形，随后流动前沿以椭 圆方式径向流动，如图2 - 1 所示。x 、y 分别表示织物的径向和纬向方向。r 。 和r ：分别表示流动前沿长轴和短轴的长度，0 表示r ，和x 轴之自j 的央角。 武汉理工大学硕七学位论文 t k 。_、i ，夕 之 、 图2 - 1 吾同异性黟 物流动前沿 下面分别讨论各向同性织物、正交各向异性织物和各向异性织物的渗透率 计算。 各向同性织物。各向同性织物的渗透率张量退化为一个标量k ， k 一墨= k ，方程( 2 1 3 ) 1 拘解为 f = ( 弓r ) 2 2 1 n ( 髟岛) 一1 + 1 - 4 足a 叫p 够碥。) ( 2 - 1 4 ) 其中，r ，是t 时刻流动前沿的半径，足是注射口半径。通过f 对t 作图， 可以得到一条通过原点的直线，由这条线的斜率可以求出渗透率k 的值。 正交各向异性织物。p 为零的正交织物的流动前沿是椭圆形，渗透率张量的 矩阵( 2 1 2 ) 中只有对角线元素k 。和k 。存在。由方程( 2 - 1 3 ) 得到正交织物方程： & 窑+ 岛窨= 。 ( 2 - 1 5 ) 此方程可以转换成等效各向同性坐标系。在变换中，点( x ，y ) 通过下列变换 转交成等效点( 以，) 。 y t 时x ( 2 1 6 ) k 一( 墨一严 ( 2 1 7 ) 以2 时j ( 2 - 1 8 ) 1 4 t = 盼 ( 2 1 9 ) 由实验获得在相同时间的每一组数据，用r ( 椭圆短轴) r y ( 椭圆长轴) 作流动前沿图，通过原点傲一直线，其斜率为 ( 暂 用式( 2 - 1 8 ) 可把墨及t 数据变成等效各向同性坐标系内的值 叫对b 由( 2 2 1 ) 把注射e l 佗一2 0 ) f 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 把式( 2 - 2 1 ) 和式( 2 2 2 ) 代入式( 2 1 4 ) 中得到： f 。( 愚。，) 2 【2 l i i ( 他。，) 一1 】+ 1 。4 k a 叫( 叩嘏。，) ( 2 _ 2 3 ) f 对t 作图，得到通过原点的直线，由斜率 挪：t4 k a p ( 彳硪缸) ( 2 2 4 ) 可以求出k ，再由( 2 1 7 ) 和( 2 2 0 ) 两式即可解出巧和k y 。 缸。笠 ( 2 - 2 5 ) x ，；x 。 各向异性织物。当织物为各向异性时，渗透率张量坐标系主轴与材料坐标 系轴的夹角为0 ，由此可以得到各向异性织物面内渗透率张量的四个分量： k 。兰堡+ 垒兰。2 臼 - 华一半c o s 2 0 ( 2 - 2 6 ) k 。k 。g ，- k ys i n 2 口 径半 口 射 卜蚴陪 轴 i 脏 如 变转 武汉理i = 大学硕士学位论文 2 2 4 三维渗透率的计算 买际上树脂在增强材料中的流动是三维空间中进行的，要真实地反映这种 情况，特别是树脂在形状复杂的预制件中的流动，三维渗透率的计算是十分必 要的。经过坐标转换可以描述渗透率与树脂在三维方向上的流动关系式。根据 d a r c y 定律，经过数学推导建立三个坐标上的渗透率近似表达式为 墨一划6 a p t 蝌谢+ ，】 4 ii 口71 4 i 巧- 掣3 甜+ ，】 降2 乃 k * 掣料+ 】 其中，卸为入射口与流动前沿处的压力差；x 、y 、z 是t 时刻流动前沿的位 置坐标；a 、b 、c 是虚设的半椭球入射口的主轴，为方便起见a 、b 、c 一般被简 化处理成近似等于树脂入口的半径。 2 。3 渗透率实验测定方法 由于目i i 相对完整的增强材料渗透率的数据库还没有建立，在具体的生产 工程中一般通过现场实验的方法自行测定产品所用增强材料的渗透率，因此采 用的测定方法及设备应较为简单，容易操作，便于分析数据处理的结果。目前 测定渗透率的方法主要有：一维面内渗透率的测定、一维厚度方向渗透率的测 定、二维面内径向渗透率的测定，三维渗透率的测定。 2 3 1 一维面内渗透率的测定 常见的一维面内渗透率的测定方法是平流法。这种方法采用矩形模腔，测 试流体从模具的端注入，通过测量流体在纤维体内的一维流动的压力差和流 体