（材料学专业论文）复合材料液体模塑成型工艺增强材料渗透率研究.pdf

武汉理i ：人学硕+ 学位沧文 摘要 复台材料高比强度、高比模量以及可设计性等优点使其一直受到国防工业 的重视。随着复合材料成型技术的发展，复合材料液体模塑成型( l i q u i d c o m p o s i t e sm o l d i n g ，简称为l c m ) 工艺作为一种先进复合材料低成本化制造技 术，具有适宜大型复杂复合材料结构件批量化制造的特点，将使复合材料应用 领域进一步拓宽。l c m 工艺常用增强材料有玻璃纤维、碳纤维、凯芙拉纤维等， 每种纤维按照实际要求又可以编织成不同结构的织物或预成型体，成熟的l c m 工艺要求低粘度树脂在规定的时间内充满模腔，完全浸渍各种纤维增强材料， 从而制造出高品质的复合材料产品。因此，深入研究l c m 工艺常用增强材料的 渗透率，揭示其复杂的纤维树脂流动浸润机理，对复合材料的应用推广具有重 要意义。 沦文针对l c m 工艺面临的主要工艺基础理论和应用技术问题，着重研究了 与l c m 工艺最密切相关的材料参数一渗透率的测量及其影响因素，以指导实际 选材和工艺生j “。文章先介绍了l c m 工艺发展概况、工艺特点以及存在的问题， 从i | i i 得出渗透率研究的必要性，接着凹顾总结了国内外渗透率研究历史，分析存 在的问题，引出本文研究的内容和意义。然后对常见的渗透率测量方法以及理 论模型进行了全面详细的描述，涉及到剪切效应和边缘效应理论，重点对以前 研究较少的国内l c m 工艺常用增强材料横向渗透率进行了研究。研究表明，纤 维体积含量、织物编织结构、剪切以及叠合铺层形成的中问层对增强材料的横 向渗透率有很大影响，而注射压力等影响则不大。研究结果有助于深入了解和 掌握l c m 工艺基础理论，促进我国先进复合材料低成本化技术的发展。 另外，采用自己设计制作的模具对模具拐角半径对增强材料渗透率的影响 进行了深入研究。采用模拟软件实现对自己设计模具的l c m 工艺充模过程的模 拟仿真。模拟与实验研究表明，充模时间随着模具拐角半径的增加l 面减少，纤 维体积含量越高，充模时间越长，通过模拟结果与实际充模图比较，发现模具 拐角的存在减小了渗透率，延长了充模时间，改变了树脂在预制件中的浸渍过 程，注射过程中形成的压力场与注射口布局对充模效率和缺陷的形成具有重要 影响作用。实验验证表明模拟结果与实验结果有较好的一致性。研究成果对科 学地建立和掌握l c m 工艺基础理论具有重要的学术价值。 火键训：l c m 工艺，渗透率，预成型体，充狭 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p o s i t e sa r ep o p u l a ru s e di nd e f e n s ei n d u s t r i e sf o rt h e i rs e v e r a la d v a n t a g e s ， i n c l u d i n gh i g hm o d u l u s ，h i g hs t r e n g t h ，d e s i g n a b l e ，a n ds oo n a l o n gw i t ht h e d e v e l o p m e n to fc o m p o s i t e sp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , l c m ( l i q u i dc o m p o s i t e m o l d i n g ) p r o c e s s ，a saa d v a n c e dc o m p o s i t e sc o s t - c f f c c t i v em a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , i ss u i t a b l ef o rb a t c hp r o d u c t i o no f i n t e g r a ls t r u c t u r e so f h i g hp e r f o r m a n c ec o m p o s i t e s ， w i l lf a r t h e re x p a n dt h ea p p l i c a t i o nd o m a i no fc o m p o s i t e sm a t e r i a l s n 他 r e i n f o r c e m e n tc o m m o nu s e di nl c mp r o c e s si n c l u d e s 斟a s s ，c a r b o n ，o rk e v l a rf i b e r s e v e r yk i n do ff i b e r sa l s oc a nb ew o v e ni n t ov a r i o u sf a b r i c so rp r e f o r m sa c c o r d i n gt o t h ep r a c t i c a ld e m a n d t h ef a v o r a b l el c mp r o c e s sr e q u i r e st h a tt h el o w - v i s c u s i t y r e s i n sf i l jt h em o u l da n dp e r m e a t et h ep r e f o r m sp e r f e c t l yi nad e s i g n a t e dt i m e , a c c o r d i n g l yp r o d u c et h eh i g hq u a l i t yc o m p o s i t e sp r o d u c t s a sar e s u l t ，m a k i n ga n i n d e p t hs t u d yo ft h ep e r m e a b i l i t yo ff a b r i c sc o m m o nu s c di nl c mp r o c e s s e sa n d d i s c l o s i n gt h em e c h a n i s mo ft h er e s i n sf l o wa n dp e r m e a t i o na r co fv e r ys i g n i f i c a n c e t ot h ea p p l i c a t i o ne x t e n s i o no f c o m p o s i t e sm a t e r i a l s i nt h i st h e s i s , s o m ec r i t i c a li s s u e so fl c mp r o c e s s e sh a v eb e e ns t u d i e d i n o r d e rt og u i d et h em a t e r i a l l ss e l e c t i o na n dt h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o n ，t h ei n f l u e n c e so f m a j o rp r o c e s s i n ga n dm a t e r i a lp a r a m e t e r so nm o l df i t t i n gp r o c e s sw e r ei n v e s t i g a t e d w i mm ea i do fe x p e f i m e n t sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n f i r s t l y , t h i sp a p e r 露v eab r i e f i n t r o d u c t i o na b o u tl c mp r o c e s s e s ，w h i c hc o n t a i n st h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o n ， p r o c e s s i n gp e c u l i a r i t ya n de x i s t i n gp r o b l e m s ，t h e nw ed e d u c et h en e c e s s i t yo f p e r m e a b i l i t ys t u d y s e c o n d l y , t h ep a p e rr e v i e w st h ch i s t o r yo fp e r m e a b i l i t yr e s e a r c h ， f a r t h e rp o i n t so u tt h e i rs h o r t a g e sa n ds y n t h e s i z e st h ec o n t e n ta n ds i g n i f i c a l i c eo ft h i s p a p e r ，f o l l o wt h a t 。t h i sp a p e rg i v e sad e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h em o s to f t e nu s e d p e r m e a b i l i t ym e a s u r e m e n t sa n dt h e i rt h e o r e t i c a lm o d e i s 。w h i c hi n c l u d e st h es h e a r i n g e f f e c t st h e o r y , t h ee d g ee f f e c t st h e o r y , a n ds oo n o n ee m l b h a s i so ft h i sp a p e ri st h e s t u d yo ft r a n s v e r s ep e r m e a b i l i t ym e a s u r e m e n to fr e i n f o r c e m e n tc o m l n o nu s e di n c h i n aw h i c hw a sl e s si n v e s t i g a t e d n l er e s u l t ss h o wt h a t ，t h ev o l u m eo ff i b r i l s ，t h e s i m c t u r do ff a b r i c s s h e a r i n ga n dt h ei n t e r s p a c e 、o ft w od i f f e r e n tf a b r i c sa l lt o g e t h e r a f f e c tt h ef i n a lt r a n s v e r s ep e r m e a b i l i t yo fp e r f o r m s ，b u tt h ep r e s s u r ed o e s n ta f f e c ts o m u c h t h er e s u l t so ft h i sr b s e a r c hw i l lb ei m p o r t a n tf o rt h ed e v e l o p m e n to f s c i e n c e b a s e da p p l i c a t i o no f l c mp r o c e s s e s 。 i na d d i t i o n ，t h em o l d sd e s i g n e db ym y s e l fw e r eu s e dt oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c e o fm o l dc u r v a t u r eo np e r m e a b i l i t y t h ep a m - r t m w a se m p l o y e dt os i m u l a t em o l d f i l l i n g f ti ss h o w nt h a t t h ef i l l i n gt i m er e d u c e sa l o n gw t ht h er a d i u se n a r g i n g , b u t p r o l o n g sa st h ev o l u m ec o n t e n to ff i b e r si n c r e a s e s 。b yc o n t r a s tt dt h ep r a c t i c a lm o l d f i l l i n g ，w cf i n dt h a t t h ec u r v a t u r ed e c r e a s e st h ep e r m e a b i l i t y , p r o l o n g st h ef i l l i n gt i m e 。 c h a n g et h ec o u r s eo ff i l l i n g ，t h ep r e s s u r el ，r o f i l e sd u r i n gt h ep r o c e s s i n gh a v ei m p a c t i n f l u e n c e so nf i l l i n gt i m ea n dv o i df o r m a t i o n i ti ss h o w nt h a tt h ee x p e r i m e i t t a lr e s u l t s a l ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h es i m u l a t e do n 锄n 圮c o i i c l u s i o n sa r ci n v a l u a b l et o e s t a b l i s ha n du n d e r s t a n dt h eb a s et h e o r yo f l c mp r o c e s s k e y w o r d s ：l i q u i dc o m p o s i t em o l d i n gp r o c e s s ，b e r m e a b i l l t y , p e r f o r m ，m o l df i l l i n g n 武汉理工大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 复合材料液体模塑成型技术 1 1 1 复合材料液体模塑成型技术的发展状况和工艺特点 复合材料的轻质高强以及极强的可设计性等优点使其一直受到国防工业的 重视，随着复合材料成型技术的发展，复合材料液体模塑成型技术( l i q u i d c o m p o s i t em o l d i n g ，l c m ) 作为一种新兴的先进复合材料低成本化制造技术， 具有适宜大型复杂复合材料结构件批量化制造的特点，将使复合材料应用领域 进一步拓宽。典型的l c m i 艺是指以液态树脂注入预先铺放好增强材料预成型 体的闭合模腔中，或加热熔化预先放入模腔内的固态树脂膜，使液态树脂在流动 充满模腔的同时完成纤维树脂的浸润并随后固化成型为复合材料的一类工艺技 术。其主要代表技术有树脂传递模塑成型技术( r e s i nt r a n s f e rm o l d i n g ，r t m ) 、 结构反应注射成型技术( s t r u c t u r er e a c t i o ni n j e c t i o nm o l d i n g ，s r i m ) 、树脂膜渗 透工艺( r e s i nf i l mi n f u s i o n ，r f i ) 、树脂注射模塑成型技术( r e s i ni n j e c t i o n m o l d i n g ，r i m ) 、真空注射模塑成型技术( v a c u u mi n f u s i o nm o l d i n gp r o c e s s ， v i m p ) 、s c r i m p 技术( s e a m a n nc o m p o s i t e sr e s i ni n f u s i o nm a n u f a c t u r ep r o c e s s ) 及整体真空袋成型技术等【j 。 r t m ( 图i 1 ) 是最早的一种l c m 成型技术，最初是为了克服手糊和喷射工 艺中存在的种种弊端( 如效率低下、制品强度不高、尺寸不稳定、表面质量差、 苯乙烯挥发导致环境严重污染等缺点) 而开发的新工艺：目前许多l c m i 艺( 如 v i m p 、s c r i m p 等) 都是由r t m 演变发展而来。近年来，高性能复合材料低成 图1 1r t m i 艺流程图 武汉理工大学硕士学位论文 本化的发展要求推动了l c m 工艺的不断发展，l c m 制品的应用范围逐步扩大， 从民用物品到国防尖端产品，品种繁多，用量激增。理论研究空前活跃、覆盖 面广，涉及到基本理论和成型工艺的各个方面，如原材料的开发、预成型体的 制作、注射设备和模具设计及成型工艺等，丰富的理论成果有效地指导了人们 的工艺实践 7 - 1 2 】。 制造复合材料的方法基本上可分为三大类，即开模( 缠绕、手糊等) 、闭模 和连续成型( 拉挤) 。l c m 成型技术属于闭模工艺，与传统复合材料成型工艺的 最大不同点在于它使用的增强材料未经预先浸润，树脂对纤维的浸润是在液态 树脂流动充模过程中一次实现，既可制造大型的整体复合材料构件，又可制造 各种精密的小型构件。l c m 的工艺一般包括以下体系和装置：树脂输送体系、 纤维预成型体体系、相互配合的模具及其夹紧和操作装置、排气和树脂流动控 制方案”“。 l c m 成型工艺相比于手糊、喷射、缠绕、模压、高压釜等传统复合材料成 型工艺，主要特点如表1 1 2 1 1 表1 1l c m 成型工艺的特点 优点局限性 制品表面光滑( 双面可达a 级表面) 增强材料多样化( 可用多种组合材料) 成型周期短( 一般为5 l or a i n ) 模具费用较低，可设计性好 注射压力低( 一般低于7 x 1 0 5 p a ) 制品尺寸稳定，重复性好 空隙含量低，机械性能好( 缺陷 1 ) 可使用填料降低成本，改善性能 污染小，废料少，工作强度低 可预埋嵌入件可整体成型形状和结构 复杂的大型结构 只适合一定批量的产品，经济规模产 品件数为5 0 0 件以上 模具设计和制造难度大，注入口和排 气口位置选择、模具密封对充模浸渍 至关重要 树脂流动控制困难，特别是在模具边 角处易出现富树脂区域 数据库不够完善，注射模塑软件不够 完善，预制件渗透率数据库还没真正 建立起来 1 1 2l c m 成型技术中缺陷形成机理以及纤维增强材料渗透率研 究必要性 l c m 成型技术中容易出现的质量缺陷是空隙和干斑，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l c m 成型工艺中最严 武汉理一火学颈十学位论文 重的缺陷i ”j 。 树脂在纤维预制件中的流动分为宏观流动和微观流动。宏观流动是指树脂 在纤维束空隙之间的流动；微观流动是指树脂在纤维单丝之间的流动。树脂对 预制件的浸渍流动，依赖于纤维束之间孔隙率和纤维束中单丝之间的孔隙率、 树脂的注射速度、纤维和树脂的表面张力、毛细管效应、温度、单丝的排列等。 注射树脂时形成空隙的主要原因是宏观流动和微观流动不均，要减少空隙量就 应该优化工艺参数，使树脂流动尽可能均匀。 气泡主要存在于树脂和纤维的界面上，导致树脂和纤维的不良粘合，产生 分层。“裹入气泡”的形成原因是由于纤维束内部渗透率比纤维柬之间的渗透率低 很多，注射树脂时，树脂先包围纤维束，把空气裹在纤维束里面形成气泡。“反 应气体气泡”是由树脂和固化剂反应放气形成 2 0 - 2 2 1 。 干斑形成的主要原因是纤维预成型体中局部渗透率的变化：树脂注射口和 排气口的位罱设计不当：预制件的渗透率不均匀，纤维变形、织物局部结构松 散或紧密、使得树脂沿着渗透率小的区域边缘流动；预制件与模具边缘形成间 隙，模具的拐角以及加筋处等的流道效应导致干斑产生。 图1 2 树脂宏观流动图 除了这两种主要的缺陷外，其它的例如：树脂固化不均、纤维脱胶、分层、 微孔等，很大程度上都受到纤维增强材料渗透性能的影响。复合材料液体模塑成 型工艺包含树脂纤维的浸润和树脂的固化两个重要步骤，这两个步骤对最终产 品的微观结构和产品质量与性能产生重大的影响。 渗透率是综合反映纤维体渗透特性的参数，用来表征树脂流过多孔介质纤 维织物的难易程度。作为纤维材料的基本性能之，渗透率的重要性在于：一 武汉理工大学硕士学位论文 方面它控制充模时间，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，是流动充模数值模拟所需的关键参数：另一方面，它决定了树脂纤 维的撩润，并且进一步影响固化过程及产品质量；此外，它也是平衡考虑工艺性 和力学性能钓复合材料智能设计所需的重要参数之一。因此，深入研究充模过 一程串树脂对纤维的渗透特性，做到能够设计、控制这些因素，优化模具设计、 缩短制造周期、提高生产效率、保证产品质量，将会对l c m 工艺的广泛应用起 封巨大的推动作用吨6 1 。 、由于l c m i 艺过程都是在闭合模腔内进行，预成型体渗透特性、树脂特性、 压力场分布、注胶口设置等多个参数对流动浸润均有显著影响，加上l c m 工艺 优点在于能制造几何形状较为复杂的构件，这时树脂纤维流动浸润过程的可控 制性及可预见性较差。 复合材料l c m 技术涉及纤维树脂流动浸润机理、流体力学、计算机模拟仿 真、专用树脂技术、低成本高性能缝编增强材料预成型体技术、低成本复合材 料模具设计和制造原理、生产设备以及工艺过程的监控与控制技术，具有技术 难度大、多学科交叉和多类高技术综合集成的特点。充分认识、分析充模过程 的物理和化学现象，提出数学模型和数值模拟方法以确定树脂注入口、排气孔 的位置并设计树脂流动通道，确定出能在最短时间内充满模腔且避免产生缺陷 的充模方案。通过模拟仿真技术直观地预测流动浸润过程，对于制定l c m 成型 工艺参数、控制工艺过程、提高产品质量、优化模具设计等具有重要的指导意 义。 近年来l c m 成型工艺在航空航天、汽车工业、机械制造、船舶、建筑等领 域的应用不断增加，进一步降低l c m 工艺的成本、增强可控制性，成为l c m 工 艺发展的重要方向，应用计算机对l c m i 艺过程进行模拟是解决这一问题的有 效途径【2 7 五9 1 。 1 2 纤维增强材料渗透率研究发展概况 1 2 1 国内外渗透率研究历史、现状和存在的问题 公认的液体流过各向同性多孔介质的最早研究者是d a r c y ，他研究了水在沙 子中流动的实验，在1 8 5 6 年发表了著名的d a r c y 定律。1 9 2 7 年，k o z e n y 建立 了流道理论，他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。 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 武汉理工大学硕士学位论文 k ：旦! 生坚( 1 - 1 ) 4 k ：妒； 式中，r 是纤维半径；伊，是纤维体积分数；k z 是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3 0 l 。 大约在达西推出他的著名方程之后一个世纪，b r i n k m a n 提出了一个更加符 合实际的多孔介质流动关系式： v p ：一丝“+ v 2 “ ( 1 2 ) 式中，p 是压力，“是速度场，k 是渗透率，是粘度，是一个类似粘度参 数，l u n d g r e n 后来发现当它等于标准粘度时是最佳情况。方程中拉普拉斯算 子( v ) 的存在是对达西定律的一种进步，它使b r i n k m a n 方程能模拟在注射口和 多孔区域之间存在边界时多孔介质周围的流动( 3 1 1 。 还有几种没有经验常数的渗透率近似分析方法。最著名的是g e b a r t 提出的 渗透率预测方法，他研究规则有序平行纤维组成的单向增强材料中沿着以及横 向通过纤维束的流动。g e b a r t 主要缺点是，将纤维束视为一个不能渗透的圆柱， 纤维束内部区域( 例如纤维细原丝之间) 的流动被忽略了。后来的研究者经常 报道从试验得到的有效渗透率很少与g e b a r t 理论模型得到的预测值相符【3 甜。 典型l c m 工艺使用的纤维预制件由纤维束组成，并且每一束纱包含许多纤 维单丝。近年来，随着多孔介质孔隙结构研究的深入，研究者倾向于用数学方 法更好地理解渗透率与多孔介质微观结构之间的联系以及背后的物理关系，并 更加精确地模拟纤维束几何形状。 p h e l a n 等人根据纤维束不同交叉方式研究了多孔介质的流动，预测了固体 纤维束矩形排列时的渗透率。p h e l a n 的结论能够预测纤维束横向渗透率，并考 虑了纤维束内部渗透率1 3 3 j 。 r a n g a n a t h a n 等人用一维单元法研究了通过多孔介质的流动。他们假设整个 多孔介质必须是一个重复的相同单元，这时能用单元结构确定多孔介质渗透性 能。p i l l a i 和a d v a n i 用二维单元法研究了通过与流动方向垂直排列的纤维多孔介 质的流动。p a p a t h a n a s i o u 还对矩形排列的纤维束的有效横向渗透率进行了计算 研究。另外，c h a n g 和k i k u c h i 还寻求利用均质化法得到渗透率张量【。 不管使用什么数学模型预测渗透率，前面提到的方法都有一个共同的局限 武汉理工大学硕士学位论文 性，只能预测满足特定假设条件的织物的渗透率，不能真实地模拟实际复杂结 构织物的流动情况，渗透率的实验测量必不可少。 渗透率测定方法很多，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。按状态又可分为动态、稳态、恒压以及恒定流速测定等。 其他的分类方法依据各不相同，例如恒压和恒定流速测定就是依据注射方式来 分类。恒压注射条件容易满足，缺点是开始液体流速非常大，导致待测材料变 形，使测量结果不同。而恒定流速测量的缺点是随着流体流过材料越远，所需 的压力越大，很难控制。测定增强材料预制件的渗透率所采用的方法及设备应 简单、容易操作、便于分析数据结果。常用的渗透率的测定方法可分为两大类， 第一类是单向饱和流动法( 简称单向法) ，第二类为非饱和径向流动法( 简称径 向法) 。达西定律是由流体在已浸润的饱和介质内，于外加压力作用下的流动导 出的，而实际的充模过程是树脂流过干纤维束，符合实际充模过程的径向法测 得的是反映纱束浸润、纤维浸润、表面张力和毛细作用综合效果的表观渗透率。 到目前为止，尚不能确定何种方式测得的渗透率更接近实际情况，而且渗透率 的测量还未形成国际化测试标准 3 5 - 3 8 】。 由于纤维预成型体本身微观织构的复杂性和不可重复性，加上诸多的影响 因素，渗透率的测量结果往往表现出一定的分散性，需要大量细致的工作。2 0 世纪9 0 年代以来，随着纤维预制件材料品种的多样化和结构的复杂化，对渗透 率的测量和研究也日渐深入。 b o j a l lm a r k a c e v i c 3 9 】利用有限元法和边界元法对纤维多孔介质的横向渗透率 进行了深入研究。f l o r e n c ed a r m i e l l ed u n g a n 4 0 】研究了影响复合材料渗透率的微 观流动现象。t s l u n d s t r o m 4 】系统地研究了面内渗透率的测量。s u h a i lq a d e e r f 4 2 】 研究了动态相对渗透率的测量。m j b u n t a i n 4 3 】设计了一种连续渗透率测量技术。 j s h e a r d 4 4 等研究了边缘效应对充模过程的影响。a h a m m a m i 4 5 j 等对边缘效应进 行了理论分析和实验研究。e m a n u e l l ef g i l l i o t 4 6 】等对多层材料构件层间横向流动 进行了研究。d i a l l om l l 4 7 】等研究了复合材料液体模塑成型工艺流过多层纤维增 强材料的充模模拟和实验研究。k r i sh o e s 4 8 l 等采用一套新装置测量纤维增强材 料的渗透率，对渗透率的分布进行研究。c h y i l a n 9 1 4 9 等研究了剪切作用对纤维 增强材料渗透率的影响。n d n g o 5 0 l 对一些纤维多孔介质的渗透率进行了预测研 究。 国内学者近年来也陆续开展了渗透率的研究工作，主要研究单位有华东理 工大学、上海交通大学、北京航空材料研究院、哈尔滨工业大学、北京航空航 天大学、武汉理工大学等。不少学者对渗透率测量方法、实际充模过程中渗透 率的变化和影响因素、树脂充模的流动形为、渗透率的预测及充模流动的模拟 武汉理工大学硕士学位论文 进行了探讨。这些工作多数沿袭了国外研究的方向和理论方法，与国外的渗透 率研究相比有较大差距【5 l 娟】。 尽管目前国内外在渗透率方面做了不少工作，但仍存在不足【9 】： 首先，渗透率研究主要以理论或实验室研艽为主，实验结果精确度不高， 分散性大，难以准确量化，建立起可信的增强材料渗透率数据库，也未充分用 于指导生产实践，实际产品充模流动中的渗流情况与实验有差异。 其次，纤维预制件渗透率测试研究采用了一些新的技术，但是距离人们的 要求还很远，生产实践需要快速准确的渗透率数据，目前还没有大的进展，测 量方法难以标准化。 第三，国内外常用的增强材料结构和性能有差异，两者测量的渗透率结果 不能统一，难以比较，国内研究应该以国情为基础。 第四，渗透率测量结果的影响因素很多，国内在此方面的工作缺乏系统的 研究，很多影响因素由于条件限制还没有得到深入研究，有待进一步探讨，对 这些影响因素的定量研究将是今后渗透率研究的重要方向。 第五，国内渗透率的研究很多是循着国外的思路进行，创新性的东西较少， 应该向如下方向努力：揭露确定增强材料渗透率的本质，建立国内增强材料渗 透率数据库，开发模拟应用软件，模拟纤维预成型体中树脂流动行为，指导和 优化实际生产工艺参数，为提高生产力服务。 1 3 本文研究内容和意义 1 3 1 论文研究的意义 l c m 技术是一种高性能低成本制造技术，是当前先进复合材料低成本化技 术( c o s t e f f e c t i v em a n u f a c t u r et e c h n o l o g y ) 的主要发展方向。国外对于l c m 类 工艺的研究开发已经往多样化、灵活性、可控性发展，大型复杂构件的成型技 术已日趋成熟，而国内研究尚处于起步阶段，赶超国外先进水平迫在眉睫，对 渗透率进行深入研究是其中的一个非常重要的环节【9 】。 纤维预成型体的渗透率是构件成型过程中控制渗流方式和进行充模模拟的 关键参数，属于l c m 工艺基础性课题研究。本论文以国内l c m 工艺常用纤维 渗透率为研究对象，总结前人渗透率研究的成果，在此基础上，通过自己设计 制作的装置测试几种国内常用的l c m 工艺用增强材料的横向渗透率，研究充模 过程中不同材料、工艺参数对纤维横向渗透性的影响。指导工艺选材，以平衡 工艺性和产品的结构性能。然后再自己设计制作三套透明模具进行充模实验， 对目前研究较少的、对成型产品质量容易产生较大影响的模具拐角因素进行深 入探讨，以发现其对增强材料渗透率的影响规律。通过研究渗透率与工艺参数 武汉理工大学硕士学位论文 的相互联系，解决l c m 技术因浸透不良、充模不满，造成废品率高的缺点，为 l c m 流程设计和工艺生产提供依据。 1 3 2 论文研究的内容 论文在国家“8 6 3 ”项目“车用树脂基复合材料大型结构件制造关键技术研究 的支持下，较系统地研究了纤维预成型体渗透率的测量、计算方法及其计算机 模拟技术，主要对纤维织物结构、纤维体积含量、充模压力、剪切作用、模具 拐角半径、重力等对增强材料横向渗透率的影响进行了探讨，论文主要内容包 括： 1 渗透率测量理论、测量方法以及铡量结果的影响因素研究； 2 对纤维增强材料在不同铺层时的横向渗透率进行测试，分析测试方法、纤维 体积含量、充模压力、剪切作用等对增强材料横向渗透率的影响； 3 对在实际生产中容易出现的纤维变形、模具拐角半径、重力等因素对织物渗 透率及树脂流动的影响进行探讨； 4 在实验的基础上，对充模流动进行计算机模拟，通过模拟结果与实验中流动 f 搿峰的比较，分析实际渗透率的影咖因素以及缺赂形成的原因，指导生产实 践。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章渗透率测量的理论 2 1 渗透率的计算 2 1 1 子l 隙率的计算 孔隙率是与渗透率关系非常密切的参数。没有孔隙，树脂就不能在增强材 料中流动。增强材料的孔隙率是增强材料体积分数的函数： 旷 口= 1 一上 ( 2 1 ) 式中缈为无量纲量，即孔隙率； 为模腔的体积；为增强材料体积分数。 又由于 m = p s = 见圪 ( 2 2 ) ，2 亡 p b2 。 r ( 2 3 ) 式中m 为增强材料质量；乃玻璃纤维密度；n 增强材料体积密度；肝为增强 材料层数：善为增强材料表面密度；t 为模腔厚度。 所以得到增强材料孔隙率：舻：l 一盟：i 一n 4 ( 2 4 ) p ，t p f 2 1 2 渗透率的计算方法 渗透率的测定从维数上可以分成一维测定、二维测定及三维测定。从状态 上又可以分为动态测定和稳定态、恒压和恒定流速测定。测量计算的依据的基 本公式是d a r e y 方程。 2 1 2 1 一维流动渗透率计算方法 该方法用于计算渗透率k 。和k 。 ( 1 ) 稳定态渗透率的计算9 l 由一维流动d a r c y 公式可以得出 一ok 心 彳 7 7 ， 9 ( 2 5 ) 武汉理工大学硕士学位论文 式中v 为液体表面流动速度：q 为液体体积流速；a 为模腔截面积；k 为预制 件渗透率：尸为注射口和流动前沿的压力差；刀为树脂粘度：，为流动前沿长 度。 通过q 对舻作图，由直线的斜率即可求出渗透率。 ( 2 ) 动态渗透率的计算 由d a r c y 定律得到的动态公式为 d ij k p d t r 妒( t ) 式中d 为流动前沿在f 时的位置；舻为注射口与流动前沿之间的压力差；p 为 预制件的孔隙率。 ( 3 ) 横压渗透率的计算 在f - - - - 0 、1 = o 的初始条件下对方程( 2 6 ) 积分得到下列公式 ，z ( f ) ：2 k a pf ( 2 7 ) 7 7 缈 其中p = 只一只。，一只 ( 2 - 8 式中为注射口压力；只。为排气口压力；只为毛细管压力。 通过，2 对f 作图就可以求出渗透率。在渗透率已知时，此式也表达了流动前 沿位置与时间的关系。 ( 4 ) 恒定流速渗透率的计算 对方程( 2 - 6 ) ，在t = 0 、1 = o 初始条件下积分得到下列表达式 塑：尘( 廿沈 ( 2 - 9 ) 2 7 7 驴4 在恒定流速实验下，用q t 口魍代替，( f ) 可得出渗透率的表达式 k = 7 7 q “t 瓦祀币i 翮 2 1 2 - 2 二维面内径向流动渗透率计算方法 面内渗透率张量的形式是 ( 2 1 0 ) 武汉理工大学硕士学位论文 kk 小lk “k 9 。n 可以证明张量是对称的，交叉项k ，= k 。由于方程的连续性和液体的 不可压缩性，d a r c y 方程可以写成 v ( k v 尸) = 0 ( 2 1 2 ) 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 分别表示织物的经向和纬向方向、r i 和 r 2 分别表示流动前沿长轴和短轴的长度，0 表示r l 和x 之间的夹角。 l 久刁r气口一 7 ( 图2 1 各向异性织物流动前沿 下面分别讨论各向同性织物和各向异性织物的渗透率计算。 ( 1 ) 各向同性织物 各向同性织物的渗透率张量只有一个k ，k = k 。= k y ，方程( 2 1 2 ) 的解为 f = ( r ，i r o ) 2 2 l n ( r , r o ) 一l j + 1 = 4 脚f “7 7 妒r 二。) ( 2 1 3 ) 式中月，为时的流动前沿半径：民为注射口半径；p 为压力梯度；f 为时间； ，7 为树脂粘度；9 为预制件孔隙率。 通过f 对t 作图，得到一条通过原点的直线，由这条线就可以求出渗透率 k 。 ( 2 ) 正交各向异性织物 0 为零的f 交织物的流动前沿是椭圆形，渗透率张量表达式( 2 - 1 2 ) 中只有 对角线张量k 。和k 。存在。 武汉理工大学硕士学位论文 由方程( 2 1 2 ) 得到正交织物方程 k 筹+ 巧筹= 。 协川 此方程可以转换成等效各向同性坐标系。在变换中，点( x ，y ) 通过变换转 变成等效点( k 和y e ) y = ( i k y ) x k 。= ( e e ) “2 x 。= c 争x h 4 y 由实验获得在相同时间的每一组数据，用r x ( 椭圆短轴) 对b 作流动前沿图。通过原点僻一盲缱苴斜室曲 用式( 2 - 1 7 ) 由( 2 2 0 各向同性坐标系内的值 轴上的等效注射口半径 。( 耖r 把( 2 2 0 ) 和( 2 - 2 1 ) 代入( 2 1 3 ) 中得到 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 椭圆长轴) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) f = ( r 。& o 。) 2 2 l n ( r 吃，。) 一l 】“= 4 k a p t ( r l ( o r 2 。) ( 2 - 2 2 ) f 对f 作图，得到一条通过原点的直线，由斜率 朋：= 4 k 。p ( 刁娥。) ( 2 2 3 ) 可以求出k ，再由( 2 - 1 6 ) 和( 2 - 1 9 ) 两式即可解出k ，和k y 。 k ，：墅( 2 2 4 ) 聊 黝 机成t ：| 釜姘气娥套，溅辱， 刮 一剐 = 。 谢 把 月 船 可 武汉理工大学硕士学位论文 k = m k ( 3 ) 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4 个分量是 k ：坐+ k - k ! c o s 2 0( 2 2 5 ) 22 g y y - - 半一毕c o s 2 口 k ：k ：塑s i n 2 r 9 = ! 掣” 2 ( 4 ) 椭圆叠加原理 对不同的玻璃纤维铺层方式，可看成每个单层渗透前沿的迭加，最终的流 动方程符合椭圆叠加原理，可由此预测整个铺层的渗透率。假设铺层方向成口角 的两个单层织物流动椭圆方程分别为： ，2c o s2 口r 2s i n2 0 口2b 2 11 堕塑二竺) + ! ：鲤鱼二竺! ：1 口2b 2 则叠加后流动椭圆方程为： c o s2 i 口一 以2 b 2 割 + ，：。i n zr ，口一 矿b 2 詈) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) = l( 2 2 8 ) 6 2c o s 2 些+ 口2s i nz 兰6 2s i nz 里+ 口2 c o s 2 竺 2222 根据式( 2 1 5 ) ( 2 1 8 ) ，整个铺层的主渗透分量存在如下关系： k k ( 5 ) 多铺层的渗透率 ( 2 2 9 ) 口一2一口一2 蓦淞矿一矿 + 一 + 口一2一口一2 毋一时 c s 武汉理工大学硕士学位论文 在制品实际制作中，预制件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。有时需要在某些局部区域多铺放增强材料，以增加部件的局部强 度和刚度：有时由于部件厚度要求，需要在某一区域增加铺层数目。因此多铺 层预制件的渗透率具有实际意义。 多铺层预制件平均渗透率计算公式 k = 寺办8 巧 ( 2 3 0 ) 。h 9 式中k 为整个预制件面内平均渗透率张量；h 为整个预制件的厚度；h 为 每一层织物的厚度：k ! 每一层织物的面内渗透率张量。 2 1 2 3 三维渗透率的计算方法 依据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 k - 掣3 埘+ s ， k = 型6 a p t j2 他t b ) 、f 埘+ l i l 6 i 足：= 掣6 a p i2 t c j 3 埘+ tl 。 f l l c i 式中p 为注射i m l 与流动前沿处的压力差：伊，为纤维体积分数；z 、y 、z 为f 时流动前沿的位置坐标；口、b 为虚设的半椭球注射口的主轴。 为了方便起见，a 、b 一般被简化处理成近似等于树脂注射口的半径，即a = b = c = r o 。用热敏电阻法或者光导纤维法测定树脂在三维空间的流动前沿位 置坐标，再由式( 2 2 7 ) 便可以计算出渗透率。 2 2 常见的渗透率测量方法及测量装置 2 2 1 一维渗透率的测量 常见的一维渗透率测量方法是一维平行流动渗透率测量( 长方形模具) ，它 1 4 武汉理i i 人学硕士学位论文 可以是单向饱和流动，也可以是单向非饱和流动，另外，测量增强