（材料科学与工程专业论文）rfi用模具设计与工艺研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t r e s i nf i l li n f u s i o n ( r f i ) ，ap r o m i s i n g c o m p o s i t em a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , i sa na r r a c t i v e p r o c e s st of a b r i c a t el a r g e ，t h i n - w a i l e do ri n t e g r a l - m o l d e dc o m p o s i t ec o m p o n e n t s t h el a c ko f f u n d a m e n t a ls t u d i e so nr e s i ns y s t e m sa n dm o l d f a b r i c a t i n gt e c h n i q u e ，a n dt h eh a r d n e s st o f a b r i c a t et h i c k - w a i l e da n ds a n d w i c hc o m p o n e n t sa sw e l l 1 i m i tr f it ob ew i d e l ya c c e p t e di n c h i n a s o m ee f f e c t i v ew o r k ，s u c ha st h ed e t e r m i n a t i o no fr f i p a r a m e t e r s ，t h es i m u l a t i o no f t h e r e s i nf l u i d i t y , t h ed e s i g na n da s s e m b l yo f t h em o l d ，a n dr f i m o l d i n gp r o c e s s ，w a sc a r r i e do u ti n t h ea i mo f fabricatingl a r g e i n t e g r a lc o m p o s i t ec o m p o n e n t s forh i g h - s p e e dt r a i n s t h ep r i m ew o r ka n ds o m e conclusions arel i s t e d a sf o l l o w s 1 ) t h eza x i a lp e r m e a b i l i t yo f t h ef a b r i cl a y e r si st h ek e yparameter i n the o n e - d i m e n s i o nf l u i d i t ys i m u l a t i o no f t h e r e s i n s y s t e m t h e m o l dw a s d e s i g n e d t om e a s u r et h e penetrationr a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e p e r m e a b i l i t y o ft h eg l a s sf a b r i c l a y e r s ( 3 6 - 一7 2 1 a y e r s ) v a r i e sb e t w e e n 0811012m2and2931012m2whichagreeswiththedatapublishedintheliterature2 、t h e e x p r e s s i o n o f o n e d i m e n s i o n r e s i nf l u i d i t yo nt h eb a s i so fd a r c y s l a ww a so b t a i n e dd u et ot h ec h a r a c t e r i s t i c o fr e s i nf l u i d i t y t h ee x p r e s s i o nc a np r e d i c t t h e positiono ft h er e s i nf r o n t i e ra n dt h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni nt h ef a b r i ca td i f f e r e n tt i m e t h er e s u l t s a r ev a l i d a t e d b ye x p e r i m e n t s 3 ) t h ef r pm o l dw i t he m b e d d e dh e a t i n gd e v i c ew a sf a b r i c a t e d a f t e r t h es e l e c t i o no f m a t e r i a l s a n dt h ed e s i g n i ti ss h o w nt h a tt h eh e a t f l o w sf r o mt h eh e a t i n g l a y e rt ot h em o l ds u r f a c eb ym e a n so f h e a t t r a n s f e rm o d ea fter s t u d y i n go nt h eh e a t i n gw a y sa n dt h em o l ds t r u c t u r e t h ep r o p e r t i e so ft h ef r pm o l dw a sa l s os t u d i e da l t e rc y c l i ch e a t i n ga t8 0 cf o ral o n gt i m e s o m ew o r kw a sc a r r i e do u tt os t u d yt h ep r o c e s s i n gp r o p e f t i e so f t h ef r pm o l d 4 ) t h em e t a lp l a t em o l dw a sf i x e d ，a n dt h ee x p e r i m e n tw a sa l s od e s i g n e dt od e t e r m i n eh o w t h en e g a t i v ep r e s s u r e ，r e s i nf i l m ，i n f u s i o nt e m p e r a t u r ea n di n f u s i o nt i m ea f f e c tt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h es a m p l e i ti ss h o w nt h a tt h ef i b e rc o n t e n tr e a c h e s5 0 w h e nt h en e g a t i v e p r e s s u r ei so 1 m p a t h et h i c k n e s so f t h ep l a t es a m p l ev a r i e sw i t h i n1 0 o f t h ea v e r a g et h i c k n e s s w i t ht h ev a c u u m i z i n gt i m eg o i n go n ，t h et h i c k n e s st e n d st ot h ea v e r a g e 第1 i 页 一 旦堕型堂垫查奎主塑塞尘堕堂垒笙奎 扪r f ii ss u i t a b l eo ff a b r i c a t i n gc o m p o s i t ec o m p o n e n t so ft h es a m et h i c k n e s s ，w h i c hm a y a c h i e v e2 0 r a m ，t h eu p p e rl i m i t s o m ef u r t h e rw o r ki s r e q u i r e dt oi m p r o v et h ep r o p e r t i e so f 抽s t i f f e n e da n ds a n d w i c hc o m p o s i t e c o m p o n e n t sf a b r i c a t e db yr f i k e y w o r d s ：c o m p o s i t em a t e r i a l sr 1 f if l i pm o l d 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 图1 1 真空袋压构成示意图1 图1 2r 1 m 系统示意图2 图1 3r f i 工艺示意图一4 图1 4r f i 工艺中光纤传感器及热电偶的铺放示意图l o 图1 5 半跨度缝合翼板( 左) 和缝合，r f i 壁板( 右) 1 l 图2 1 等效渗透率计算的并联模型1 5 图2 2r f i 树脂流动模型1 6 图2 3 厚度方向浸润距离( 左) 及浸润速率图( 右) 1 8 图2 4 梯次铺层示意图1 9 图2 5 不同时刻树脂流动的前沿位置曲线2 0 图2 6 渗透率测试所用的纤维织物( 左为4 ：1 织物，右为0 4 平纹织物) 2 l 图2 7 单向流动厚度方向渗透率测试模具示意图2 2 图2 8 渗透率测试模具制备流程图2 2 图2 9 纤维铺层在真空负压下压缩厚度测量示意图2 3 图2 1 0 渗透率实验梯次铺层示意图2 3 图2 1 l 增强材料的渗透率随孔隙率中的变化关系曲线2 5 图2 1 2 增强材料的渗透率随真空负压的变化曲线2 7 图2 1 3 不同增强材料形态下树脂流动前沿位置随时间变化的曲线2 9 图3 1 模具材料选择实验路线图3 3 图3 2 模具结构剖面图3 5 图3 3r f i 工艺实验用模具加热带( 左) 和加热布( 右) 3 6 图3 4 二维正交排列纤维增强复合材料单元模型3 6 图3 5 单层平壁的热传导3 7 图3 6f i 冲模具制备工艺流程3 8 图3 7 研究i 江i 工艺用内含加热装置的f r p 模具( 左：加热带；右：加热布) 3 8 图4 1 排水法测定试样体积：4 l 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章前言 1 1 r f l 相关成型工艺 在复合材料成型工艺中，闭模成型( c l o s e dm o l d i n g ) 工艺如热压罐( b a gm o l d i n g p r o c e s s 自 m l t o c l a v e ) 和液体模塑工艺( l i 州d m o g r t m ，糊m 等) ，由于其制件 尺寸精确、挥发性有机物含量( v o c ) 少而被广泛应用。i 心i 工艺是在热压罐袋压和液体 模塑成型的基础上发展的一种新工艺，其工艺过程简单、成型压力低、劳动强度低、生产 周期短、制造成本低，是目前制造航空级大尺寸复合材料构件的主要工艺之一。 1 1 1 热压罐袋压成型工艺毋m p a ) 热压罐袋压成型工艺【1 l 主要由两部分组成，一为真空袋系统，二为热压罐系统。真空 袋系统的基本构成原理如图1 1 ，按叠层部件的铺层方向与顺序将预浸料铺设在金属模板 上，为防止固化制件与金属模板、压板间粘结，提高其表面平整度，分别在预浸料的上下 面各铺上一层脱模布，依次放置金属压板和吸胶布，最后用真空袋将整个系统密封。将系 统放置在热压罐中，通过加热、抽真空、加压等工艺过程，用高温气体加热使预浸料中的 树脂熔融、浸透纤维层的同时，排除压力袋中夹杂的空气及固化反应时产生的挥发物，压 实预浸料到设计尺寸后发生固化反应，成型复合材料构件。一般情况下热压罐袋压成型以 加工预浸料为主，因而在选用纤维及织物品种上受到很大的限制。另外装袋过程劳动强度 大、自动化水平低，固化后辅料消耗大，制造成本相对较高。热压罐袋压成型工艺主要适 合航空、船舶及建筑等行业制造大型板类、壳类部件。 图1 1 真空袋压构成示意图 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 1 2 树脂传递模塑成型( r t m ) 树脂传递模塑成型( r t m ，r e s i n t r a n s f e rm o l d i n g ) 工艺是一种采用刚性闭模制造聚 合物基复合材料的工艺，其基本原理如图1 2 所示，将纤维预制件准确地铺放到闭合的模 具内，使用夹紧或加压方式将模具密封、紧固，在低压下将低粘度反应性液体树脂注入模 腔，使树脂充分浸润纤维预制件并充满模腔，同时将模腔中的空气排除。整个模具系统加 热到一定的温度使树脂发生交联固化反应，待模具完全冷却后，脱模取出成型制品。r n d 制品具有较高的形状与尺寸精度，其表面光洁平整，易于加工结构复杂、尺寸精度高的制 件。相对于设备投资规模大、辅助材料消耗量大、加工速度较低的预浸料的生产，r t m 相 关材料的消耗，如树脂和纤维增强材料，大约为预浸料生产的7 0 ，因此其生产成本相对 较低。r t m 生产过程主要使用密封模具，相对于复合材料开模加工工艺，如手糊、喷射、 缠绕等，有害气体的挥发量及树脂污染物有限，对操作人员健康的威胁较小，易于达到环 境保护的要求。r 1 m 工艺的技术优势是将纤维预制件的设计与树脂模塑过程分开，从而使 其可广泛采用缝纫、二维( 或三维) 机织、二维( 或三维) 编织和多轴向经纬编织等现代 纺织预成型工艺，加工不同纤维品种的预制件，使设计、制造复杂结构复合材料方便易行。 图1 2r 1 m 系统示意图 r t m 由于是闭模加工，受纤维预制件品种、树脂种类、模具结构与成本、脱模工艺的 难易程度等因素的制约，制造某些大尺寸部件，如大型机翼，工艺难度较大，有时甚至在 工艺上无法实现。另外，装模缺陷、树脂浸润状态无法实现实时观测与控制，闭模固化造 成挥发物不能排除，影响固化制品的质量与性能。 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 1 3 树脂膜熔渗工艺( r n ) r f i 工艺过程是将预催化( 已经添加了固化剂和其他助剂) 的树脂膜铺放在模具表面， 其上铺设纤维预制体和真空袋膜，通过加热、抽真空，使树脂膜熔化后形成的液态树脂在 真空负压作用下，向上浸润纤维预制体后，进一步加温，固化形成所需的复合材料构件。 l i 心i 工艺特点 r h 工艺【2 捌是在m 、b m p ：a 等工艺基础上发展的一种新工艺技术。作为树脂浸渍工 艺的一种，r f i 工艺有着诸如s c i u m p 、u v v a r t m 等浸渍工艺的共同特点。如r f i 工艺 是一种分批成型法，增强材料与基体的组合自由度大，赋形性高，增强材料的不同形态的 组合自由度大；复合材料制件具有结构与性能的可设计性，成型过程中可根据制件受力情 况进行x 、y 、z 三个方向的结构设计，同时制件也易于局部增强；树脂的宏观和微观流 动可用数学模型模拟分析，为工艺参数的准确制订提供了可靠依据。r f i 工艺中，树脂以 柔性薄膜状同纤维预制体一同封装于普通模具中，采用真空袋压法成型复合材料，因而它 还具有其它浸渍工艺所没有的优点瑚】，主要如下： 1 ) 树脂膜存贮、运输方便，铺放操作简便； 2 ) 成型压力低，一般只需一个大气压； 3 ) 模具制造与材料选择的机动性强，不需要庞大的成型设备就可以制造大型制件，设 备和模具的投资低； 4 ) 复合材料性能优异，纤维含量高( 接近7 0 ) ：空隙率低( o o 1 ) ； 5 ) 由于i 强i 工艺不采用预浸料，树脂体系挥发物质少，v o c 含量符合i m 0 标准。因 而更有利于操作者的身体健康和环境保护。 r f i 工艺也存在一些不足之处，如对树脂体系要求严格，不太适合于成型形状复杂的 小型制件。复杂形状制件的成型中，模具精度是保证制品性能的关键因素之一。r f i 工艺 由于采用真空袋压法，制品表面受内模的影响，一般达不到所需的复杂程度及精度要求。 另外，r f i 工艺中，树脂的用量不能精确计量，需要吸胶毡等耗材除去多余树脂，因而固 体废物较r 1 m 等浸渍工艺多。 2 姗工艺原理 r f i 工艺如图1 3 所示，主要包括固定的底板模具( 金属或复合材料) 、可移动的金属 模具( 复杂结构使用) 、b 态( 处于未凝胶前的预成型膜形态) 树脂膜、尺寸较准确的纤维 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 预制件、真空袋、吸胶毡、脱模布等基本材料构成。制造过程中需先将一定量的树脂膜放 于模具底板上，再将预制件置于树脂膜上，依制件的结构特性安放嵌块和可移动的金属模 具，用真空袋密封整个结构并保证真空袋内具有一定的真空度，排除真空袋内的空气，最 后将整个系统置于热压罐中或启动模具内含的加热系统，进行加热固化。当树脂膜的温度 达到一定程度后，b 态树脂膜变为可流动的b 态液体树脂，借助真空的作用力可使液体树 脂沿纵向流动以充分润湿纤维预制件，然后依设计的工艺路线进行加压升温。加压的主要 功效为：树脂对预制件的润湿更加完善、吸走多余的树脂、压实制件到设计的尺寸和纤维 体积含量。待固化完全后取出制件并加工成所需的成品。 1 2 1 脚用树腊膜研究 图1 3 r f i 工艺示意图 1 2r f i 工艺的研究现状 i 强i 工艺的一个限制性因素是树脂膜体系。由于r f i 工艺的特点，对树脂基体工艺性 要求较苛刻，具体如下阻1 3 】： 1 ) 树脂在室温环境中具有很好的成膜性，所成树脂膜( 一般3 5 嘲厚) 能任意弯曲 而不破碎，并且不粘手； 2 ) 树脂在工作温度( 即熔融温度) 下能够持续一段时间的低粘度，随后随温度的升高， 粘度增长较快： 3 ) 树脂的固化温度要高于熔融温度。固化条件下，粘度升高较快，固化中和固化后基 体不易发生裂纹； 4 ) 树脂熔融工作时，对纤维预制体具有良好的浸润性、匹配性和粘附性。 此外，由于r f i 工艺主要用于成型高性能复合材料，因此还要求树脂基体的力学性能 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 和耐热性、耐湿热性能优异。 r f i 用高性能树脂膜的要求是来自飞行器高速飞行时产生的空气动力热【1 4 1 。当飞机以 马赫数为2 o ，在相对湿度为8 0 的空气中飞行时，复合材料结构要求耐温1 2 7 ，此时环 氧树脂( e p ) 可以满足这个条件。当速度达到2 2 马赫，相对湿度7 0 时，使用温度就要 求达到1 4 9 ，这则需要双马来酰亚胺树脂( b m i ) 来满足。 对于更新的飞机，如美国发展的先进战术战斗机( a d v a n c e dt a c t i c a lf i 曲t e r ，a t f ) ， 要求达到1 7 1 甚至更高，这时树脂只是问题的一半，结构的刚性变得十分重要。要求有 高模量和高弹性的纤维。由合适的纤维和相应的b m i 匹配是研究的目标。 氰酸酯树脂以其优良的力学性能、耐热性能及耐湿热性能、极低的介电损耗、低的介 电常数而备受人们的关注。氰酸酯树脂适用于模压、r 1 m 、热压罐、纤维缠绕和拉挤等多 种成型工艺。表1 1 为几种常见的氰酸酯树脂( a c y 系列) 与增韧e p 、改性b m i 树脂的性 能比较【1 0 ，1 5 j 。从中看出，氰酸酯树脂的力学强度远高于环氧树脂，与双马树脂相当，韧性 较好，但其模量稍低，在各种氰酸酯树脂中，双酚型氰酸酯树脂具有较优良的综合性能。 表1 1 常见的氰酸酯树脂与增韧e p 、改性b m i 的性能比较 聚酰亚胺树脂分子链柔性差，熔体粘度大。因而将聚酰亚胺树脂作为主体应用于r f i 工艺的难度极大，并且也不现实。但将聚酰亚胺树脂作为成型树脂膜的骨架分子，意义极 大。它可在不降低固化树脂力学性能、耐热性和耐湿热性能的前提下，成型出性质优异的 树脂膜。 国内r f i 用树脂膜研究概况 由于r f i 用树脂膜基体工艺性能独特，目前国内尚不能生产商品化r f i 用树脂膜，树 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 脂膜基体研制尚处于起步阶段，西北工业大学王东、梁国正【1 3 1 等领导的研究小组以烯丙基 化合物改性双马来酰亚胺为基体，通过加入酚酞聚芳醚砜( p e s ) 热塑性工程塑料增韧剂， 成功研制出满足r f i 工艺要求的高性能树脂膜，在1 2 0 下，树脂粘度仅为o 3 4 p a s ，7 0 i i l i n 后，粘度升高到o 6 2 p a s 凝胶化时间达2 2 0 觚n ，固化后树脂基体具有优良的热学、机械 性能，使用该树脂膜基体可以制造高性能复合材料制件。 北京玻璃钢研究院的赵龙等以q y 9 5 1 2 型双马来酰亚胺树脂为基体，通过增塑改性， 研制出厚度约l 5 m m 的r f i 用树脂膜，在1 0 0 1 1 0 下，其粘度为0 5 肚1 o p a s ，树脂沿 纵向浸润距离高达1 0 0 i 砌( 通过测试底板尺寸为2 0 0 1 0 0 5 m m 的t 型碳纤维缝纫r f i 板) ，凝胶时间为3 0 q o m i n ：当温度升至1 2 5 1 3 5 范围时，凝胶时间缩短到1 5 2 8 m m 。 由于该树脂膜凝胶时问较短，因此不宜制造纤维体积含量较高的制件。 中航一集团6 0 1 所王海，6 2 3 所谢明久等分别开展了复合材料缝合i 疆i 结构力学研究， 并取得了一定的研究成果。 鞠苏【l 研等利用混配的环氧树脂流延法制成树脂膜，该树脂膜能在8 0 时，粘度很低， 能很好满足r f i 工艺的使用要求。 国外姗用树脂膜研究概况 二十世纪七十年代，美国国家航空航天局( n a s a ) 率先进行r f i 工艺与树脂膜的研 究。随着该工艺的不断完善，国外主要树脂和复合材料制造厂家相继开展环氧树脂、乙烯 基树脂、双马来酰亚胺等r f i 用基体树脂膜的研制工作，目前h e x c e l 公司、a d 咄c d c o m p o s i t e sg m u p 公司和c i b a g e i g y ( g e 肌鲫y ) 已分别商品化生产m 1 8 、h e x p l y m 3 6 、 n 5 、f i b r e b l i 】【9 1 4 型环氧树脂膜。 m 1 8 环氧树脂是一种使用温度高达1 8 0 高性能环氧类i 强i 用树脂膜，在低于1 5 0 下的湿热环境条件下吸湿率低，机械性能优异。在1 5 1 6 0 下，其粘度达到最小值 1 5 8 2 p a s 此时凝胶时间可达到7 肚8 5 m i n ，由于m 1 8 树脂膜工艺性能、机械性能优异， 航空用高性能r f i 复合材料制件已广泛使用m 1 8 树脂膜。 1 2 2r n 用模具研究 r f i 工艺多成型大中型制件，制件形状较r t m 成型制件形状简单。r f i 用模具有外模 具和内模具嘲，一般只需单面精度加工，这样其加工设计费用大大降低。r f i 工艺成型用 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 真空袋压工艺，压力在o 1 m p a 左右，压力较低，因而在模具材料的选择上机动性强，可 以选择相对廉价的钢材或玻璃钢。 r f i 工艺用模具与传统的真空袋压工艺用模具相类似，主要包括基盘( 外模) 和软内模 等。但由于r f i 工艺的特殊性，其模具中有其特殊部件。树脂熔融后，为防止树脂在充分 渗入预制体前向四周的流动，r f i 模具中常放置隔栏，充分保证树脂对纤维预制体的浸润； 另外，当树脂膜熔融渗入预制体后，隔栏高度可能大于预制体厚度，对于预制体四周容易 造成加压不均匀或压力施加不上，因此常在预制体之上放置溢胶板，均匀地将压力充分传 递到预制体上，以利于成型高质量的复合材料；另一方面，树脂的宏观流率与其微观流率 相差越小，越有利于纤维的浸渍。但在压力作用下，树脂的宏观流率远大于微观流率。因 此r f i 工艺中首先采用阶梯加压，其次在模具中放入溢胶板，增加树脂流动路径，从而保 证树脂对纤维的充分浸渍。多孔板的厚度应保证树脂充分浸润纤维后，预制体与多孔板的 厚度之和大于隔栏高度。 目前，r f i 用模具主要是金属平板模具，而金属平板模具的加工性限制了其发展，若 采用r f i 工艺成型大尺寸复合材料构件，这就要求制造出与成型工艺相适应的大型模具。 由于制品尺寸大，结构较为复杂，若采用金属铸造模具，其加工难度大，成本也高；采用 手糊工艺制备的f r p 模具则成本低，且适合成型复杂结构构件与简单型面构件。但对于 i 强l 工艺成型大尺寸复合材料构件而言，由于工艺过程中需要对树脂膜进行加热、熔融浸 渍，构件模具尺寸大，难以找到与之适应的外部加热设备，因此不适合采用外部加热，需 要对模具进行重新设计。 本文设计出内含电加热带或加热布的f r p 模具，使模具具备了自加热功能，解决了模 具用复合材料的耐热问题以及模具材料与构件材料的热膨胀系数匹配问题。 1 2 3i 疆i 用预制体的研究 预制体技术是包括r f i 工艺在内的所有树脂浸渍工艺的一项关键技术。r f i 工艺对预 制体的要求如下： 1 ) 增强材料的分布符合制件结构设计的要求； 2 ) 树脂的浸润性要好。 预制体所用材料主要有玻璃纤维、碳纤维、k e v l a r 纤维和石墨纤维等。预制体加工工 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 艺流程中需重点注意的是纤维的密度及排列方式、织物的层问形式、纤维的整体上胶情况 等。预制体的成型一般采用编织、缝合、辫织等方法，其中以编织、缝合应用最为广泛。 多维编织技术是由l r s 锄d e r s 发明并应用于工程之中的。目前较为成熟的是三维 编织。三维编织就是通过长短纤维相互交织而获得的三维无缝合的完整结构。其工艺特点 是能够制造多种形状及异形实心体，并可以使构件具有多功能性。 编织有其优点，但编织会在结构中造成树脂聚集区( r e s i np o c k e t ) ，减少纤维体积含量 ( v f ) ，降低结构的面内性能，并且由于工艺的复杂性而降低了造型性。缝合则工艺简单， 能够避免大量改变原来的纤维结构。 缝合分为预制和预浸两种，i 江i 工艺采用预制缝合。预制缝合形式最常见的有锁形缝 合和链形缝合。锁形是将针线( n e e d l en 啪a d s ) 和r o b b i i i 线的交叉部分置于织物内部， 但对复合材料来说将会引起很高的应力集中。为解决这一问题，发展了改进的锁形缝合， 它通过拉紧r o b b i i l 线和放松针线而使得针线穿过整个织物的厚度。另一种链形缝合( c h a i l l t c h ) 类似于单根线的编织，较复杂，对纤维的柔韧性要求很高。 m i g n e r y ，1 b ，s u n ，d e x t e r 和f u l l l 【等人【1 7 18 】的研究表明缝合不仅能实现不改变原有 层板结构的基础上实现对复合材料像机械和粘接接头一样的连接，而且能大幅度提高断裂 韧性和c 趟强度。当然缝合可能会造成纤维的局部损伤，会导致复合材料层和板表面涂层 的弯曲，进而形成表面起伏( s u r f 如e l o o p ) 。表1 2 列出了几种成型方法的优缺点【1 9 1 。 表1 2 几种预制体成型方法优缺点的比较 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 2 4r f i 数值模拟技术的研究 r f i 工艺出现较晚，因此基于r f i 工艺的树脂流动性能的数学建模分析及相关参数的 研究也为数不多。制约此项工作的主要因素是适用于r f i 工艺的树脂膜极少。由于i 疆i 工 艺的特点，对树脂膜有特殊要求。因此要研究r f i 工艺中树脂的流动特性，建立流动模型， 必须要有相适应的树脂膜，这与r t m 完全不同。在对r t m 工艺中树脂的流动特性的研究， 可用一般液体代替，进行充模研究。目前，国外从事这方面研究的主要是美国弗吉尼亚理 工及州立大学的a c l o o s 教授领导的研究小组【l l ，12 1 。l o o s 等人通过建立树脂流动模型、 树脂热化学模型、预制体压缩模型等子模型，以f e m c v ( f i l l i t ee l e m e mm e m o d c o n n o l v o l 啪e ) 方法，较精确地预测了树脂的流动，并进而建立起制品成型模型。 i s e v o s t i a i l o v 【2 0 等建立了r f i 工艺中气孔形成模型，利用流动网格法和有限元法来研 究各个工艺参数对气泡形成的影响，所得结果能很好指导工艺参数设计与模具设计。 d c b l e s t 【2 l 】等基于d a r c y 定律和s t o k e s 方程，利用有限差分法建立了r f i 树脂流动模型、 热传递模型和固化模型。 1 2 sr 可工艺中树脂流动的跟踪、监控 纤维织物的渗透率严重影响熔渗工艺其它参数，它决定着工艺循环时间，纤维是否被 完全浸润，及最终制品的性能指标。因此，精确的测定出渗透率的值十分关键。 v a m o n u c c i 【2 2 】等提出了新型光纤传感器测试方法，能够测量纤维织物的渗透率。光纤 传感器被固定在纤维增强材料中，为了减轻光纤的负载，可以裁去一小段纤维，在熔渗过 程中，能够根据光的密度的降低值来确定树脂到达的位置，这种方法测定的渗透率与传统 的根据流动可视演示装置测得的基本吻合。因此，这种方法可以对树脂流动前沿进行实时 监控，其装置如图1 4 。 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图1 4i 强i 工艺中光纤传感器及热电偶的铺放示意图 这种方法能够测定现实工艺中渗透张量的基本方向，通过对树脂流动的探测来控制纤维的 浸润，况且，光纤传感器能在不同位置进行多路传输，由于其尺寸非常小( 1 0 0 1 4 0 l im ) 不影响试验。目前，一些研究者用这种方法来监控树脂流动行为。 1 2 6r f i 制备复合材料构件研究 由于先进复合材料具有重量轻、比强度和比模量高等特性，使用复合材料蒙皮替代金 属蒙皮可大幅度降低蒙皮重量。自二十世纪7 0 年代起复合材料机、尾翼蒙皮首先在军用 飞机上应用嘲，而复合材料机翼，特别是水平翼尺寸较大，现有的复合材料成型工艺整体 成型比较困难，美国n a s a 首次利用r f l 工艺整体成型出带有加强结构的水平翼，经测试 各项性能均符合要求。 b q i 【2 钾等用r f i 制备出半跨度缝合翼板( 3 m o 6 m 1 4 m m ，图1 5 左) ，并通过5 m h z 超声波检测面板固化质量，没有缺陷信号，板材厚度变化约5 5 ，孔隙率为l 。美国航 空航天局( n a s a ) 和波音公司( b o e i n gc o m p a n y ) 使用h c x c e i3 5 0 1 6 预浸料环氧树脂系 统制造r f i 树脂膜，并成功生产出1 3 m 长的商用飞机机翼蒙皮。北京航空材料工程研究所 制备的缝合力r f i 壁板性能优越( 图1 5 右) 。 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图1 5 半跨度缝合翼板( 左) 和缝合r f i 壁板( 右) 1 3 本文的研究内容与意义 本文研究工作是以“8 6 3 ”课题“r f i 成型高速列车大尺寸复合材料构件技术研究”为 背景，探索了r f i 整体成型高速列车大型复合材料构件的模具设计及工艺参数。围绕着该 课题，本文主要进行了如下的研究工作： 1 ) r f i 用f i 冲模具的设计与制备；主要研究模具材料的耐热性能和力学性能，模具的 加热方式和结构形式。 2 ) 设计和制备了纤维铺层z 向渗透率测试模具，并利用该模具测定了玻璃纤维织物预 制体的z 向渗透率；研究r f i 工艺树脂一维流动规律及进行实验验证。 3 ) 进行r f i 工艺参数的研究，设计、制备复合材料板材，夹芯板材的合理工艺路线， 得出制备大型列车构件的实验数据。 r f i 工艺是一种新型的复合材料成型工艺，它所包含的b 态树脂膜的制造、模具制备 及数值模拟技术是目前国内外研究的热点，探索用r f i 工艺成型大型、复杂结构部件的规 律性，对于开发低成本、低污染和高质量的复合材料制造技术，提高复合材料在航空、船 舶、机车和建筑领域内的应用份额具有深远的意义。 第l l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章纤维铺层中z 向树脂流动行为研究 渗透率k 是指一定粘度的流体润湿多孔介质( 纤维预制件) 能力的参数，其值越大，表 明流体通过纤维铺层的阻力越小。用渗透率k 可表征高粘度树脂浸润多孔介质( 纤维预制 件) 的难易程度，它是多孔介质材料本质结构特性的反映。渗透率与测试该性能使用的流 体种类无关，其主要影响因素有纤维增强材料的结构形式、所用纤维的种类、预制件孔隙 率大小以及外力作用等。研究不同结构形式纤维增强材料的渗透率是精确计算树脂运动、 压力分布的前提条件。 对于i 沛i 流动规律与模型，目前国内外许多学者做了许多工作，如j 0 0 h y u l 【p a r km o o n k o ok a l l 【2 5 】的弹簧一粘壶模型。认为r f i 工艺中树脂流动的粘性阻力和变形纤维的弹性张 力与外载荷组成力学平衡体系。假设条件为： 1 ) 靠近基板的所有熔化的树脂受到的压力相同； 2 ) 所有树脂的温度相同； 3 ) 还没有浸润纤维的树脂压力相同，但是在树脂浸润纤维区域，压力明显下降； 4 ) 纤维预制体最初受到压缩，树脂熔渗后，又膨胀。 j o o l l y u kp a r k 【2 5 1 等对树脂流动前沿位置，纤维预制中压力的分布及纤维的变形等进行 预测。胁n c c l i i aa ta l f 2 6 1 采用固定网格划分法，大大简化了复杂构件的模拟及减少了计算量， 尽管这种方法与其它方法相比不能非常准确的预测树腊前沿的具体位置，但仍能很好的近 似求解，因此被广泛的采用。i s e v o s t i 锄o v 【2 0 1 模拟f 成型过程来研究孔隙的形成机理。 r f i 工艺中树脂的熔渗，充模周期较长，这可以较好地匹配宏观流率与微观流率，再加上自 始至终均以负压抽吸，因此本身对降低孔隙含量有很大的积极影响。然而，充模周期较长， 导致的树脂粘度的增加，对树脂熔渗，浸渍的影响较大，一般认为孔隙是在流动前沿形成的 【2 7 3 2 】，研究发现孔隙形成的最初驱动力与预制体的非均质相关，在快速流动条件下，流体在 纤维束之间的流动能力大于纤维束中的流动能力，而孑l 隙就是在此过程中形成，相反，在 纤维束内部，如果树脂与纤维的表面张力作用大于其粘滞阻力时，树脂流动更易在纤维束 中流动，这时孔隙就容易在纤维束间形成，但由于r f i 工艺中树脂熔渗周期长，加上负压 抽取，孔隙含量已很低( o o 1 ) 。 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 本章测试了纤维织物铺层z 向渗透率，并对国内学者提出的一种r f i 树脂流动模型进 行实验验证。 2 1r f i 工艺z 向一维流动的基本理论 2 1 1d a r c y 定律的一维流动公式 在树脂浸润纤维织物铺层中，在树脂流动前沿与树脂膜之间的压力梯度提供了树脂流 动的动力，树脂膜上的压力分布均匀，等于真空负压，树脂流动前沿树脂的压力为零【3 刖， 树脂通过纤维织物铺层厚度方向可以看作是树脂流过多孔均质板。 各向异性多孔介质中流体渗流的d a r c y 定科3 3 1 ，其数学表达式为： 号：一墨譬 ( 2 1 ) 4“出 17 q ：树脂的单位体积流量 a ：垂直流动的横截面积 屹：纤维铺层z 方向的渗透率 u ：树脂的粘度 驯d z ：纤维铺层厚度方向上的压力微分值 由于在树脂熔渗过程中，真空负压一直保持不变，则纤维织物铺层厚度及渗透率也保 持不变。反映表观速率和微观速率的关系式是： 罟= 吼= 等吲= 去 ( 2 2 ) 吼：树脂表观流动速率： ：微观速率 ：纤维铺层的孔隙率； 4 。：流动横截厦积 由质量守恒方程： 粤= o( 2 3 ) 联立方程( 2 1 ) 、( 2 2 ) 和( 2 3 ) 可得： 兰l 业兰羔一查盔堂竺窒生堕堂垡笙苎 要f 竺譬1 ：o ( 2 4 ) 出l 出j 。 ” 若整个狭腔中的渗透率和粘度傈持恒定不变，方程( 2 4 ) 表明：树脂注射孔和流动前 峰之间的压力呈线性分布，则。 妾妒：耋竺 ( 2 5 ) d l hz 对式( 2 5 ) 进行积分，可得流动前沿位置z 的表达式，它是时间t 的函数。 如 掣 ， ( 2 6 ， l删 j p i 、p o 分别为树脂膜区域熔渗压力、树脂流动前沿压力( p 0 ：o ) ，式( 2 6 ) 可蛮为 z 2 = 2 1 2 姗工艺z 向一维流动流体力学基本方程及边界条件 ( 2 7 ) l 连续性方程和运动方程 由质量守恒定律得，任何给定质点所组成的流体，在流动过程中，所有的质量m 保持 不变。其数学表达式为【3 4 】： 誓+ 誓+ 誓：o ( ：8 ) 苏 勿出 d 。，哆，屹分别为x ，y z 的速度分量 根据树脂运动的连续性方程，树脂沿z 轴运动的方程为： 誓= o孥：o ( 2 9 ) 出 式中，为树脂膜区域内树脂沿z 轴的流动速度，为液态树脂在纤维预制件z 轴方向 的流动速度。 如果在纤维预制件中忽略毛细管作用力、纤维对树脂的摩擦力及树脂的惯性力，且树 脂仅沿z 向运动。则树脂流动的运动方程为： 一 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 争= 鲁詈= o 式中p l ，p 2 分别是树脂膜区域和树脂浸润预制体区域的压力 2 边界条件 一般r f i 工艺z 向一维流动所满足的边界方程为： 1 ) 在液态树脂膜的底部，树脂流动的速度为零； 2 ) 在液态树脂与预制件界面间速度、压力皆连续； q ：( x ，z 。o ) ，r ) = 屿：( z ，乞( r ) ，f ) 当t _ o 时， 毛( r ) = 毛( o ) = 乞( f ) = 乇( o ) = q 3 ) 在树脂浸润纤维预制件的过程中，纤维预制件厚度不变； 4 ) 在树脂流动前沿处，树脂流动速度满足运动学条件【3 5 1 。 2 1 3 等效渗透率计算模型 对于复杂的复合材料构件，其所用纤维种类较多，铺层方式也较为复杂，可以采用先 求得某种纤维及其铺层方式z 向渗透率，再根据等效渗透率并联模型来进行计算而求得总 的渗透率，其计算模型见图2 1 。 m l 砭艟 船m 一盖动 图2 1 等效渗透率计算的并联模型 皑。础+ 峨+ 鹕 ( 2 1 1 ) 由总流量= 单层流量知： 心。芦乞耐= h 碣= 鸬嘎= 鸬马 ( 2 1 2 ) 由d 盯c y 定律得： k 箬“- 箍蝎喝差埘z 喝等崛眨 可推导出： 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 上：兰l + l + 望l( 2 1 4 ) k e ok l h lk 2 h 2k 3 h 3 。：翌 晓 ，k ， 在已知每层纤维织物的渗透率及厚度后，就可利用上式来计算混合纤维预制体的z 向 渗透率，并且由式( 2 1 5 ) 可知纤维铺层的种类及形态相同时，纤维铺层z 向的渗透率与 2 2r f i 工艺z 向流动模型与规律 2 2 1r f i 一维树脂流动模型 假设在树脂流动过程中液态树脂不可压缩p 6 】；真空袋密封良好；成型工艺过程中无任 何泄漏发生；且树脂仅沿预制件纵向( 厚度) z 向运动；如果在数值分析过程中仅考虑树 脂膜和纤维预制件两部分，并忽略其它r f i 工艺组成部分对树脂流动的影响，则可建立如 图2 2 所示的r f i 树脂流动模型。其中z l ( t ) 、z 2 ( t ) 和z 3 ( t ) 分别表示树脂膜、树脂流 动前沿和纤维预制件的高度，z f 表示树腊在纤维预制件中流动的垂直距离；p 代表所旄加 的真空负压值；下标l 和2 分别表示树脂膜熔融区域和树脂浸润的纤维预制体区域。 f 王 lljl 燃 玎ct ) z f 丝( t ， 树脂厦 z i t ) i 图2 _ 2 r f i 树脂流动模型 由连续性方程、运动方程和d a r c y 定律及边界条件可推导出树脂浸润高度、树脂前沿 第1 6 页 国防科学技术大学研究生院学位