（纺织工程专业论文）真空吸注工艺性能研究.pdf

真空吸注工艺性能研究摘要真空吸注工艺是近年来兴起的一种液体模塑成型的新工艺，已经在航空航天工业上取得了一些应用。为了能使这种工艺得到广泛应用，就需要用正确可靠的模型进行充模模拟，以减少试错过程。但是由于这种工艺中，上半个模具是柔性真空袋，因此其充模过程与采用双面钢模具的传统r t m 工艺有一定的区别。，本文通过实验系统地研究了真空吸注工艺中较为重要的影响因素，包括真空吸注工艺中常用织物的压缩、回弹行为，织物的渗透率。这些实验数据为下一步对真空吸注工艺进行模拟做了良好的准备，同时也为生产过程选择材料提供了依据。通过实验发现多轴向织物经真空压力压缩后得到的纤维体积含量受纤维束细度，织物层数不同和织物轴向数的影响。树脂的润湿作用也会对织物的压缩行为产生一定的影响，实验中发现树脂对织物压缩有润滑作用，而树脂浸润后，某些织物还会发生回弹的现象。织物在压力下压缩变形必然引起其内部结构，如空隙的分布和尺寸随之发生很大的变化。本文借助光学显微镜分析了不同纤维体积含量复合材料层合板的横截面。采用数学方法对图像进行了分析，计算出不同纤维体积含量时，纤维束内和纤维束外的孔隙率，进而采用理论公式计算得到了不同纤维体积含量时，纤维束内外液体流动的速度。在低注射压力和高纤维体积含量的情况下，液体在纤维束内孔隙的微观流动会显著影响总体渗透率。因而，在实验中采用自制的矩形模具，测试了不同注射压力下，两种常用的多轴向织物不同铺层方向，不同纤维体积含量的渗透率。最后，本文采用真空吸注工艺制作了复合材料层合板，讨论了在制作过程中存在的问题。通过与采用r t m 和手糊工艺制得的复合材料层合板的力学性能进行比较，研究了真空吸注生产的复合材料层合板的拉伸、压缩、弯曲、剪切等力学性能。关键词：真空吸注工艺，多轴向织物，压缩，回弹，渗透率，力学性能s t u d yo nt h ev a c u u ma s s i s t a n tr e s i ni n f u s i o np r o c e s sa b s t r u a c tr e c e n t l y ，v a c u u m a s s i s t e dr e s i ni n f u s i o n ( v a r i ) p r o c e s sh a sb e c o m eo n eo ft h ei n c r e a s i n g l yp o p u l a rm e t h o d sf o rm a n u f a c t u r i n gc o m p o s i t e si nt h ea e r o s p a c ei n d u s t r y i no r d e rt oa v o i dt h et r i a la n de r r o r ，t h ec o m p u t e rm o d e ls h o u l db ea p p l i e dt os i m u l a t et h ef i l l i n gp r o c e s s h o w e v e r ，d u et ot h ef l e x i b l ev a c u u mb a gi n s t e a do fr i g i du p p e r m o l d ，t h e r ea r es o m ed i f f e r e n c e sb e t w e e nr t ma n dv a r ip r o c e s s t h es i g n if i c a n ti n f l u e n c ef a c t o r so nv a r ip r o c e s sa r ei n v e s t i g a t e d ，s u c ha st h ec o m p a c t i o n ，s p r i n g b a c kb e h a v i o ra n dp e r m e a b i l i t y t h er e s u l t sc o u l db eu s e dt oe n s u r er e l i a b l es i m u l a t i o na n da l s oh e l pt os e l e c tt h ep r o p e rt e x t i l er e i n f o r c e m e n t si nt h ev a r ip r o c e s s t h er e l a t i o n sb e t w e e nb u n d l es i z e ，n u m b e ro fl a y e r s ，t e x t i l es t r u c t u r e sa n dt h ef i b e rv o l u m ef r a c t i o nu n d e rc o m p a c t i o na r ei n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r t h ef u r t h e rc o m p a c t i o na n ds p r i n gb a c kb e h a v i o rc a u s e db yt h el u b r i c a t i o na n du n l o a d i n gm e c h a n i s ma f t e rt h er e s i ni m p r e g n a t i o ni sa l s ob e e ns t u d i e d t h ed e f o r m a t i o no ft e x t i l er e i n f o r c e m e n tu n d e rc o m p a c t i o nw o u l dc h a n g et h es h a p ea n ds i z eo fv o i d si n t e ra n di n t r at h ef i b e rb u n d l e s l a m i n a t e sm a d eb ye p o x yr e s i nw i t hd i f f e r e n tf i b e rv o l u m ef r a c t i o n sh a v eb e e na n a l y z e db yt h em i c r o g r a p h i cs t r u c t u r e s t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ef i b e rv o l u m ef r a c t i o na n dp e r m e a b i l i t yi sp r e d i c t e d u n d e rc e r t a i np r o c e s s i n gc o n d i t i o n ss u c ha sl o wi n j e c t i o np r e s s u r ea n dh i g hf i b e rv o l u m ef r a c t i o n ，t h em i c r o s c o p i cf l o wo fr e s i nt o wa n dt h ef i b e rw e to u tcanc o n s i d e r a b l yi n f l u e n c et h eo v e r a l lf l o w ，ar e c t i l i n e a rm o l dw i t hat r a n s p a r e n tu p p e rm o l dw a sm a d ea n du s e di nt h ep e r m e a b il i t yt e s t s t h ep e r m e a b i l i t ya n dc a p i l l a r yp r e s s u r eo ft h ew a r pk n i t t e dp r e f o r m sw i t hd i f f e r e n tf i b e rv o l u m ef r a c t i o na n dl a y - u pa n g l ew e r et e s ta tv a r i o u si n j e c t i o np r e s s u r e s s p e c i m e nw e r em a d eb yv a r ip r o c e s s ，r t ma n dh a n dl a y u pt h et e n s i l e ，b e n d i n g ，s h e a r i n ga n dc o m p a c t i o np r o p e r t i e so ft h e mh a v eb e e nt e s t e d m ay u e ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g )s u p e r v i s e db yl iw e ik e yw o r d s ：v a c u u mi n f u s i o np r o c e s s ，m u l t i a x i a lw a r pk n i t t i n g ，c o m p a c t i o n ，s p r i n g - b a c kp e r m e a b il i t ym e c h a n i c a lp r o p e r t y附件一：东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学侍论文作者签名：缈日期：a 勿多年1 2 - 月弓7 日附件二：东华大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在年解密后适用本版权书。本学位论文属于不保密口。学位论文作者签名：日期：乃年，三月引日臌名：廨，日期：。：移年，j 月力日4 太 m # 位诧!l c m 工艺第一章绪论复合材料因其优异的机械性能，较轻的质量和优良的抗腐蚀性近年在高性能汽车、航空航天材料以及普通的民用产品中得到广泛应用。复合材料的成型工艺有很多种，与其它工艺相比，树脂转移模塑成型( r t m ) 工艺有很多优点，如所需设备费用低，制造周期短，制件尺寸精度高，可设计性强，内外表面光洁，可嵌入各种嵌件，孔隙含量低，生产质量重复性好对操作环境要求低，丁作环境好等。r t m 工艺r t m 即树脂转移模塑工艺，是一种是闭模液体成型工艺，其主要原理是，在模腔内预先铺放好按性能和结构要求设计好的增强材料预成型体将模具紧固和密封，采用注射设备将# 用树脂体系注八闭台模腔。使树脂能充分的漫润纤维，然后进行加热固化，脱模。r t m 的充模过程共分五个步骤，如图l - 1 所示。田梗注射树脂置化脱耀圄卜1r t l l 工艺示意图第一、二阶段是准备阶段，这一阶段主要是根据制品的形状和性能要求设计制造出充模过程所需的闭合模具，并在模具内根据产品性能和结构要求铺放好增强材料预成型体。第三阶段即为树脂的充梗阶段，在此阶段中，一定粘度的树脂在一定温度、压力下由模具注射孔注入铺放好增强材料预成型体的模腔在压力及纤维的毛细作用下迅速浸润增强材料，充满模腔。第四、五阶段为固化、脱模阶段，此时，东十 学预t 位k i* 一 镕m加热模具使树脂固化成型，然后脱模必要时经过抛光、打磨等后处理阶段即可制得制品。然而，由于r t m 工艺需要采用双面刚性模具，当形状复杂时制作模具将变得非常复杂和昂贵。真空吸注( v a r i ) 工艺是r t m 工艺的一种延伸，它仅仅需要一个单面的刚性模具，简化了模具制造工序，与传统的r t m _ 艺相比，其模具成本可以降低5 0 一7 0 。1 l2 真空吸注工艺真空吸注工艺的基本方法是使用敞开模具成型，其设备示意图如图1 2 所示。模具只有一层硬质模具，纤维增强材料按规定的尺寸及厚度铺放在模板上，用真空袋包疆，井密封四周。注射口设在模具的一端，而出口则设在另一端，注射口与树脂容器相连，出口与真空泵相连。当模具密封完好，确认无空气泄漏后，开动真空泵抽真空，达到一定真空度后，开始注入树脂，固化成型。这种工艺十分适合于大尺寸、大厚度的复合材料制件，尤其是对于采用以往的复合材料成型工艺需要= | 窭大的模具，制造十分困难，而且成本昂贵的船舶、汽车、飞机等结构件，真空吸注工艺制造的复合材料制件具有成本低、孔隙含量小、产品的性能好的优点，并且使用这一工艺在成型过程中有机挥发物( v o c ) 非常少，充分满足了人们对环保的要求。熏1东华大学硕士学位论文第一章绪论i 2 预成型体压缩行为在复合材料制作过程中，增强织物在模具的压缩变形是不可避免的。在真空吸注工艺中，由于采用柔性的真空袋取代了传统工艺中的刚性上模具，无法直接控制复合材料制品的纤维体积含量，增强体织物压缩性能直接影响到复合材料最终的纤维体积含量，因此对真空吸注工艺中预成型体压缩性能的研究就显得尤为重要。1 3 预成型体渗透率在复合材料制造过程中，纤维渗透率是影响树脂流动状态的重要因素之一。渗透率由纤维的物理特性及纤维层的内部结构如：孔隙大小、粗糙度、扭曲、流道长度等决定，反映了树脂在纤维层中流动的难易程度，在很大程度上影响了最终制件的性能。当用计算机模拟方法优化工艺时，纤维渗透率是个关键参数，对模拟结果有很大影响。是否能够准确的表征增强体材料的渗透率，对于用数学模型来模拟树脂流动的可靠性，具有关键性的作用。1 4 复合材料中孑l 隙的尺寸与分布液体模塑成型工艺中树脂主要从两个水平推进。当宏观的流动前锋( 纤维束之间的流动前锋) 和微观的流动前锋( 纤维束内的流动前锋) 不一致，就可能产生气泡，流动前锋一旦汇合，就很难排除包裹在内的空气。树脂的宏观和微观的流动速度与复合材料中孔隙的大小及其分布有关。i 5 课题的研究目的多轴向织物作为一种新型的复合材料预成型体得到了广泛的应用，它的增强纱线在制造过程中没有任何屈曲，靠捆绑纱束缚而成。这种织物与传统的织物在压缩和回弹原理上有一定的不同，而目前没东华大学硕士学位论文第一章绪论有关于多轴向织物的压缩及渗透性能系统的研究。本实验测试了多种多轴向织物压缩性能和渗透性能，获得了一手资料，为今后在实际生产中选择合适的织物提供了良好的条件。真空吸注工艺利用柔性的真空袋为上模具，使得该工艺与传统的使用双面刚性模具的树脂转移模塑成型工艺有很大的不同，有广泛的应用前景。本课题通过实验测试了其力学性能并与r t m 和手糊工艺制作的复合材料层合板进行了比较，对这种新工艺有了进一步的认识。4东华大学硕士学位论文第二章增强体压缩回弹性能第二章增强体压缩回弹性能液态成型工艺的一个重要优势是能够获得高纤维体积含量的复合材料制品。在工艺准备阶段，预先铺放在模具中的预成型体在合模过程中经二次压实获得所需的纤维体积含量通常大于5 5 ，而高纤维体积含量的获得，取决于织物的可压缩性能。某些采用柔性真空袋为上模具的工艺如：真空吸注工艺中，无法直接控制复合材料制品的纤维体积含量，因此对增强体织物压缩、回弹性能的研究就显得尤为重要。2 1 压缩性能本实验采用的织物为浙江成如旦复合材料有限公司生产的多轴向经编玻璃纤维织物，织物参数见表2 1 。分别对不同组织结构，不同纤维束粗细的经编多轴向织物进行干态压缩测试。乒一一表2 - 1 试验用织物参数表织物代号7 平方米克重( 窖m 2 )纤维束细度( t e x ) 及方向( 。)b x l 2 0 0、12lo ，8 29 0 0 ( 4 5 。1b x 6 0 06 0 9 4 l3 0 0 ( 4 5 。)b x l8 0 06 0 9 4 16 0 0 ( 4 5 。1t t x l 2 0 0l3 7 8 8 i1 2 0 0 ( 9 0 。) 6 0 0 ( 4 5 。)t l x 7 2 57 2 0i2 0 0 ( 0 。) 2 7 5 ( 4 5 。)t l x 3 6 0 0l3 7 8 8 i2 4 0 0 ( 0 。) 6 0 0 ( 4 - 4 5 。)q x 3 6 0 0l l7 8 5：2 0 0 ( 0 。) 6 0 0 ( 4 5 。，9 0 。)有导致明显的横向伸展。所以我们在讨论织物压缩行为时没有对其进行束缚。实验装置示意图见图2 。l 。实验采用真空袋密封织物，利用真空泵提供压力，将测厚仪置于真空袋上，读出加压单位时间后测厚仪的读数，再减去真空袋和压板的厚度，即可得到对应的织物厚度。采用公式2 1 计算得到纤维体积末$ 太 i 学论文* = 增强体缩回* 稚含角( vr ) 2 1 ：v ，：上也1 0 0 jdr h其中：p 。为织物的面密度，g m 2 ，p f 为纤维的密度g m 3 tn 为织物的层数，h 为织物厚度，m i l l 。图2 一l 干态压缩试验装置示意图21 1 压缩时间对纤维体积含量的影响( 21r o b i t a i l l e 研究了多次循环加压对纤维体积含量的影响。他们分别对织物施加5 1 次重复加载，发现在第一个压缩循环时，纤维体积含量迅速上升，在随后的1 0 个加载循环中纤维体积含量缓慢的上升。他们分别研究了两种复合材料层合扳的横截面，一种是增强体织物经过5 1 次加载循环的一种是增强体织物只进行1 次加载的，发现循环加载显著的提高了纤维体积含量，减少了复合材料层板中富树脂区体积含量。在真空吸注工艺中，由于上模具是柔性真空袋因而无法通过重复加载来提高纤维体积含量，但是可以通过延长压缩时间来达到相同的目的。为了确定织物受压缩后纤维体积含量与受压时间的关系，对多种织物进行了测试。图2 - 2 为b x l 2 0 0 织物三层的压缩曲线，从图中可6一是拯东华大学硕- j 学位论文第二章增强体压缩回弹性能以看出，压缩3 0 分钟后，其纤维体积含量基本达到稳定状态，延长压缩时间到4 8 0 分钟，纤维体积含量仅增加2 4 。存在这种滞后现象，可能是因为织物中的纤维束需要一定时间来克服相互之间的摩擦力重新达到平衡状态。本文中采用的纤维体积含量都是在压缩3 0 分钟后褥到的，这基本可以反映增强体织物在该压力水平下所能够得到的稳定的纤维体积含量。u1 】uz ，【j 4 w3 w时间( 分钟)图2 - 2 纤维体积含量与受压缩时间的关系2 。1 2 纤维束细度对纤维体积含量的影响纤维束细度是重要的织物参数，本实验利用现有的两组纤维束细度不同的同类织物，讨论了纤维束细度对织物受压后纤维体积含量的影响。一。试验首先对0 。纤维束为l2 0 0 特t e x ) ，4 5 。纤维束为2 7 5t e x的三轴向织物t l x 7 2 5 ，以及o 。纤维束为2 4 0 0 t e x ，4 5 。纤维柬为6 0 0t e x 的三轴向织物t l x 3 6 0 0 进行了测试。从图2 3 中可以看出，可以看出纤维束较粗的q - l x 36 0 0 压缩后的纤维体积含量高于纤维束较细的t l x 7 2 5 。为了验证这个结论，对另外一组纤维束细度为3 0 0t e x 的两轴向织物b x 6 0 0 ，以及纤维束细度为9 0 0t e x 的两轴向织物b x l2 0 0 进行了测试。从图2 - 4 可以看出三组不同层数的b x 6 0 0 和b x12 0 0 织物受到压缩时，纤维束较粗的b xl2 0 0 的纤维体积含量高于纤维束较细的b x 6 0 0 的纤维体积含量，因为两种织物结构和密度完全相同，因此可以认为受压后纤维体积含量的不同是由于纤维束细度不同引起的。7东华大学硕士学位论文第二章增强体压缩回弹性能由此可见在相同压力，相同的织物结构和层数下，纤维束细度大的织物其纤维体积含量较高。这个现象可能是因为当纤维束细度较小的时候，捆绑纱对纤维束的束缚比较紧，纤维柬不易发生变形来适应纤维束外的小孔隙：随着纤维束细度增加，捆绑纱对纤维柬的束缚作用相对减弱，纤维束中的纤维比较容易滑移，使纤维束的形状发生改变，以适应纤维柬之间的孔隙，从而得到更为密实的结构。5 5一4 5；皇誊4 03 02 5051 01 52 02 53 0时间( 分钟)图2 3 纤维体积含量与时间的关系2 1 3 增强体层数对纤维体积含量的影响器譬1 o1 52 * 02 5& 0屡数图2 - 4 层数与纤维体积含量的关系为了适应不同厚度的模腔以及得到不同的纤维体积含量，需要在模腔内铺入不同层数的增强体织物。r a s a u n d e r se ta 1 i z i 等人通过实验研究了层数对纤维体积含量的影响。他们发现当层数大于5 时，纤维体积含量与层数没有明显的关系。然而，当层数小于5 层时，纤维体积含量明显低于层数大于5 层时的纤维体积含量。他们认为这是由于相邻织物层间的粘连造成。通过试验研究了当层数小于5 层时，纤维体积含量与织物层数的关系。图2 - 4 分别是l 层，2 层和3 层的两轴向织物b x 6 0 0 和b xl2 0 0中经过压缩以后的纤维体积含量，可以看出，b x 6 0 0 和b xl2 0 0 两种织物的纤维体积含量都是随着层数的增加而增加的。然而，即使是3 层b x 6 0 0 的纤维体积含量仍然小于l 层b xl2 0 0织物受压后的纤维体积含量。这种现象说明，纤维柬细度与纤维体积含量的关系更为显著，层数只能在小范围内影响纤维体积含量。为了验证纤维体积含量与织物层数的关系，试验还测试了不同层东华大学硕士学位论文第二章增强体压缩同弹性能数的两轴向织物b h d 9 5 0 和三轴向织物t t xl2 0 0 的层数与纤维体积含量的关系。从图2 5 ，2 - 6 可以看出，3 层的b h d 9 5 0 和t t x l2 0 0受压后的纤维体积含量要比2 层的纤维体积含量的高大约2 。5 5 3 2嚣一。4 ：觐4 54 4 4 34 26 46 26 05 8；5 65 45 25 0o1 02 03 04 06 001 02 03 0加5 0时间( 分钟)时间( 分钟)图2 - 5 不同层数b x h d 9 5 0 纤维体积含量图2 - 6 不同层数丌x 1 2 0 0 纤维体积含量一般地，我们认为织物的压缩主要由三部分组成，一部分是由织物层内纤维束形状的变化引起的，纤维束在自由状态下接近于圆形截面，当受压时，截面逐渐变成椭圆甚至扁带状，导致厚度减小；另一部分是由于纤维柬屈曲的减小引起的。自由状态下，由于织造过程中受力以及捆绑纱的束缚作用，纤维束往往呈现一定的屈曲，在受压时，这些屈曲被压平，使织物的厚度减小，从而构成了织物厚度的减小：最后一部分是由织物层间相互的贴合和嵌入引起的。在较小的压力下，织物层间的嵌入和贴合是织物压缩的主要原因，而随着层数的增加，由层间的贴合和嵌入引起的压缩增加成为织物压缩的主要原因。2 1 4 纤维束取向对纤维体积含量的影晌织物结构与压缩性能有着密切的联系，r as a u n d e r s 2 i 曾通过实验讨论了机织物中平纹，斜纹，缎纹等不同织物组织的压缩行为。他们发现斜纹织物最难压缩，因为斜纹结构不对称也不平整。而平纹织物在比较低的压力以及中等压力时比较容易压缩，最高的纤维体积含量可以达到6 5 。这是因为平纹织物中纱线的屈曲比较严重，受压时容易发生层间的嵌入和粘合。五枚缎纹织物的压缩性能介于斜纹和平纹织物之间，一方面由于缎纹织物比较平整，容易压缩；另一方面由9东华大学硕士学位论文第二章增强体压缩回弹性能于缎纹织物中纱线的屈曲较少，受压时织物层间不易发生嵌入和粘合。对于经编多轴向织物，其纤维束的取向是对受压后的纤维体积含量影响较为明显的因素。由于纤维束的细度和织物的层数会对纤维体积含量产生影响，所以实验尽量采用纤维束细度相近的织物。所采用的织物有：两轴向织物b x l 8 0 0 ，三轴向织物t t x 2 4 0 0 ，四轴向织物q x 3 6 0 0 。从图2 7 中可以看出四轴向织物的纤维体积含量最大，然后顺次为三轴向织物，两轴向织物，两轴向加毡织物。这是因为纤维束取向数不同的织物，其每层所含的纤维束层数就不同，l 层四轴向织物是由4 层不同方向的纤维束组成，而l 层两轴向织物是由2 层不同方向的纤维束组成，因而即使我们对相同层数的织物进行比较，这四种织物实际所含有的纤维束的层数是不同的，四轴向最多，三轴向其次，两轴向最少。而实际的纤维束层数越多，纤维层间孔隙越多，压缩时可以填充的孔隙就越多，所以织物受压后的纤维体积含量随着层数增多而增大。为了避免纤维束层数不同对纤维体积含量的影响，在讨论纤维束取向对纤维体积含量的影响时，比较了织物层数为2 ：l 的两轴向织物b xl8 0 0 和四轴向织物q x 3 6 0 0 受压后的纤维体积含量，这样它们。一、具有相同纤维束层数。从图2 8 种可以看到，四轴向织物q x 3 6 0 0 的一纤维体积含量仍然高于两轴向织物b xl8 0 0 。这种现象是由于四轴向织物中，每层纤维束之间的夹角为4 5 。，而在两轴向织物中，每层纤维束之间的夹角为9 0 。，纤维束之间的夹角越小，纤维就越容易在压缩时向纤维束间孔隙转移，使得纤维束彼此相互嵌入，纤维层间也就贴合的更加紧密，从而提高了纤维体积含量。从图2 7 中还可以看出，l t m 2 4 0 8 织物比同为两轴向织物的1 3 xl8 0 0 的纤维体积含量小了很多。这应该是由于随机纤维层的存在，降低了受压后的纤维体积含量。可见随机纤维大大的抑制了纤维层间的贴合，从而阻碍了纤维体积含量的提高。1 0东华大学硕士学位论文第二章增强体压缩回弹性能0123456789层数6 26 05 05 65 45 2一5 0誊媚4 84 44 24 03 83 64681 0 21 4 6层数图2 7 纤维体积含量与织物层数的关系闺2 - 8 纤维体积含量与纤维束层数的关系2 1 5 铺层角度对多轴向织物的纤维体积含量的影响由于多轴向织物多为各向异性材料，因此不同的铺层角度，会对最终的纤维体积含量产生一定的影响。试验讨论了各向异性比较典型的单轴向织物t l2 0 0 ，其所有的纤维柬( 捆绑纱除外) 均为9 0 。实验采用 0 。a 。】2 的铺层方式进行铺层，铺层方式的示意图见图2 9所示。其中a 分别等于0 。、l5 。、30 。、4 5 。、6 0 。、7 5 。、9 0 。所得结果见图2 10 ，可见随着铺层角度的增大，纤维体积含量降低。当夹角为0 。3 0 。和6 0 。9 0 。时，纤维体积含量随夹角增大而下降，但趋势并不十分明显；当铺层夹角为3 0 。6 0 。之间时，纤维体积含量随着铺层角度变化而变化非常明显。分析原因可能是由于当纤维束之间的夹角在0 。30 。时纤维束之间比较容易发生滑移，来适应纤维束之间的孔隙；当纤维束之间的夹角大于6 0 。时，纤维束就相对较为稳定，不易发生滑移了。而当铺层夹角在从3 0 。变化到6 0。时，纤维束从容易发生相对滑移到稳定，表现为纤维体积含量迅速降低。罩i ：-三刿i ；前i ta卫棚田由b 南图2 9 单轴向织物铺层方法示意图图2 1 0 纤维体积含量与铺层角度关系东华 硕学位论立镕= g 强体缩目* 性如图2 1 1 所示，当铺层夹角较大时，纤维束很难发生滑移而只有自身发生变形，这样很难填补层问的孔隙。而当铺层夹角较小时，织物受到压缩，培内的纤维束会发生惰移，填入相邻织物层纤维束问的j l 隙，从而提高了纤维体积台量。矗赡圈2 同铺层角度织物的币意刚216 润湿作用对纤维体积含量的影响在液体模塑成型中，十志的预成型体织物受压后会被树脂浸润，而馒润过程会对织物的纤维体积含量产生显著的影响。些学者，如ah a m m a m i 等”通过研究发现树脂的润滑作用会导致织物进步压缩。w i l i i a m s 等”1 通过试验发现在v a r t m 工艺中，当树脂流动前沿到达时，织物的厚度迅速减小，而当树脂流动前沿流过该处后织物的厚度略有增大。本实验采用的织物分为机织物和经编多轴向织物两类。试验的过程是先进行l5 分钟左右的丁志压缩当待测织物厚度基本稳定后，再打开注胶口注八树脂。采用这种试验方式可以很好的模拟真空吸注工艺中增强体厚度( 或纤维体积含量) 的变化。试验装置如图2 12所示1 _ 。；j t n n目2 1 2 湿志压缩试验装置东华大学硕士学位论文第二章增强体压缩同弹性能分别对四种织物进行了不同层数的湿态压缩试验，试验结果如图2 13 、2 14 、2 1 5 、2 16 所示。5051 01 52 0 2 53 03 ：54 0 4 55 0 5 5。时间，曼! 。图2 1 4t t x l 2 0 0 湿态压缩曲线图2 - 1 3b x l 2 0 0 湿态压缩曲线一一1从两轴向织物b xl2 0 0 和三轴向织物t t xl2 0 0 的湿态压缩试验曲线可以清楚的看到树脂的浸润对织物压缩有明显的影响。这是由于树脂对纤维的润滑作用减小了纤维间的摩擦系数，从而使纤维更容易滑移，使纤维束的形状发生了很大的改变，一方面被压扁，另一方面也使纤维束彼此之间的孔隙被压实，从而大大增加了纤维体积含量。图2 15 ，2 一l6 为b x 6 0 0 和w o v e n 2 织物的湿态压缩曲线图，图2 16 是w o v e n 2 的湿态压缩试验，由于实验条件的限制，无法将测厚仪准确归零，所以对于这组数据采用了纤维体积含量的相对增量作为纵坐标绘图，但是我们仍然可以从实验中得出润湿过程对织物纤维体积含量的影响。从这两幅图中，我们发现这两种织物的纤维体积含量在树脂浸润织物后不仅仅是增加了，而是继而又减小了。002 04 0卯印时间( 分钟)零芎o1 02 03 04 05 07 0时间( 分钟)图2 - 1 5b x 6 0 0 湿态压缩曲线图2 1 6w o v e n 一2 湿态压缩曲线这种现象可以用古托夫斯基t 6 1 l 拘理论做以下的解释，他认为织物50505050505050505050盯盯暑：g酷“跎艘刚引始驰弘一零i5o5 0 5o50505o5d5o5o嚣粼貅掰辩戮粼貅嚣一零薯东华大学硕上学位论文第二章增强体压缩回弹性能的压缩分为三个阶段，如图2 17 所示。第一个阶段是干态压缩阶段，干态织物受压后纤维体积含量提高；然后是湿态压缩，这个时候由于树脂对纤维产生润滑作用，使纤维之间的摩擦系数降低，从而使织物厚度继续减少，纤维体积含量进一步提高。最后当进入织物内部的树脂逐渐增多，分担了部分原来全部由织物承担的压力，从而减少了织物承担的压力，这个过程对于织物来说相当于湿态卸载的过程，所以织物的厚度变大，纤维体积含量减小。瓯唾嗨( a ) 干态压缩( b ) 湿态压缩( c ) 回弹图2 - 1 7v a r i 工艺中织物的压缩回弹过程l 5 sjb x 6 0 0 和w o v e n 2 织物的结构都比较紧密，树脂浸润时不易对其结构产生影响，所以当树脂浸润后，这两种织物产生明显的反弹现象。然而b xl2 0 0 和w o v e n 1 两种织物结构较为松散，当树脂浸润时，由于受到树脂的冲刷，纤维束内部以及纤维束之间的结构都发生一定的改变，当压力减小时，也很难再发生反弹的现象。2 2 回弹性能在真空吸注工艺中，当纤维被树脂浸润后，外部的压力由树脂和增强体织物共同承担，对于织物来说相当于是一个卸载的过程【7 1 。在真空吸注工艺中，上模具是柔性的，模腔的厚度没有直接的控制，织物在卸载过程中的反弹现象会使模腔变厚，从而导致纤维体积含量减小。实验通过调节真空度来控制压力，研究了织物在压缩一定时间后1 4末$ 太学颐学n * 文# = 增体镕目弹性的卸载吨线。这可以帮助我1 门了解在实际的真空吸注工艺中织物的反弹过程。2 2i 压缩时间对回弹的影晌这组试验比较了压缩1 、4 、8 小时后织物的回弹行为。实验材料为三轴向织物t t x l 2 0 0 和两轴向织物b x l 2 0 0 。实验结果如图2 18 ，2 1 9 所示。囝2 一1 8 物卸载厉卿弹曲线。”e 劣b 品”图21 9 织物卸载厉同弹曲线对于三轴向织物t t x l2 0 0 ，分别压缩1 小时和4 小时后逐步减压，测得其厚度变化。从图2 18 可以看出两条曲线的变化趋势比较一致也就是说，压缩4 小时与压缩l 小时对于织物的回弹行为没有明显的影响。对于两轴向织物b x i 2 0 0 ，分别压缩了i 小时和8 小时，可以看出曲线的变化趋势仍比较相似。因此，可以得出结论：采用延长压缩时间的方法不能有效的控制回弹。2 22 回弹产生的压力范围图2 2 0 不同压缩试验中纤维体积音量回弹量分布东华大学硕士学位论文第二章增强体压缩回弹性能从图2 18 ，2 19 中可以看出，回弹曲线在压力为0 0 4 m p 。时发生明显的弯折。将图2 18 ，2 19 中的四组试验进行分析，分别计算出发生在压力大于o 0 4 m p 。和压力小于0 0 4 m p 。的回弹量的百分比，如图2 2 0 所示。从图2 2 0 可以看出，从压力为0 1m p 。到压力为o 0 4 m p 。仅仅回弹了2 0 左右。也就是说，如果树脂分担的压力超过总压力的6 0 ，那么增强体织物发生明显的回弹，对于真空吸注工艺，此时复合材料的厚度和纤维体积含量将发生明显的变化。为了保证织物不发生明显的回弹，应该尽量使树脂承担的压力不超过6 0 。2 2 3 层数对回弹的影响层数对织物受压后的纤维体积含量有一定的影响，本试验将讨论织物的回弹性能是否也与层数存在一定的关系。试验对三轴向织物t t xl2 0 0 进行了测试，从图2 21 中可以看出，三种层数的t t xl2 0 0织物的回弹曲线变化趋势基本相同，只是由于不同层数织物受压后得到的纤维体积含量不同而导致曲线的起点不同。这说明，与压缩不同，织物的回弹行为基本上不受层数的影响。6 46 36 26 16 0零5 9585 75 65 51 00 80 60 40 20 0b a r图2 - 2 1 不同层数t t x l 2 0 0 的回弹曲线1 6东华大学硕士学位论文第三章复合材料层合板微观形态第三章复合材料层合板微观形态在复合材料的加工过程中，作为增强体材料的织物都会受到不同程度的压缩。织物的压缩在宏观上引起了复合材料纤维体积含量以及厚度的变化，从而显著的影响了复合材料产品的最终性能。然而织物在压缩同时，其某些内部结构也发生了变化，从而使增强体织物的渗透性能产生很大的变化。目前广为接受的理论中，织物的压缩主要是由织物层间孔隙压缩，织物层的相互嵌入以及纤维束变形组成1 7 1 。但是从宏观的压缩数据上，我们无法确定在不同的压缩阶段，织物变形究竟是由哪个因素引起的。为了能够了解不同纤维体积含量的复合材料层合板内部的孔隙分布，本章借助光学显微镜研究了不同纤维体积含量的复合材料层板的横截面，并利用数学方法计算得到纤维束内和纤维束外的孔隙含量。3 1 不同纤维体积含量层合板中织物压缩情况分析选取单轴向碳纤维织物增强的复合材料层合板为研究对象，这种复合材料横截面的光学显微镜照片能清晰的显示出纤维束的变形情况。试验分别讨论了在自由状态下，体积含量为35 和7 0 的条件下，织物压缩变形的情况。由于条件所限，这组复合材料板的制作方法是先用树脂浸润织物再放入模具压缩至一定的厚度并固化成型。由于树脂的浸润会对纤维压缩过程产生一定的影响，因此这与r t m 工艺中先将织物压缩至指定的厚度再注入树脂有一定的差别。但是这基本可以反映出织物从低纤维体积含量到高纤维体积含量时，其内部结构的变化。如图3 1 所示，( a ) 是织物被树脂浸润，在自由状态下固化成型的复合材料的横截面显微镜照片。在这个试验中上模具并没有压在东$ 大学硕十学位立第三章复材料e 自扳观* 志织物上，织物在没有压力的条件下固化。可以看到在自由状态下该织物的纤维束截面成较饱满的梭形，织物层间存在较大的孔隙。每层织物中，纤维束之间的孔隙也较大，复合材料层合板中存在大量的体积较大的富树脂区。( b ) 是纤维体积含量为3 5 的复合材料层合板的横截面显微镜照片，可以看到这时纤维柬的形状发生了很大的变化，原来饱满的梭彤被压扁了，同时织物层间的距离大为碱少，基本上相邻层的纤维束都接触了复合材料中的富树脂区的面积明显减少。但是，在这个时候，纤维层问基本没有发生嵌入，织物层与层之间的界面比较平坦。这就说明，在纤维体积含量为3 5 的情况下，纤维体积含量的提高主要是由于纤维束形状变化导致纤维层厚度减小和织物层间的孔隙减小引起的。( c ) 是纤维体积含量为7 0 时的复合材料的横截面的显微镜照片，可以看出，纤维束已经基本压扁成条带状可以想象如果没有束缚纱的束缚，纤维柬的形状可能就无法维持了。此时相邻层纤维束贴台的更加紧密了而织物层已经不是很平坦了，纤维束已经开始改变形状来相互嵌入，可以看出当织物的纤维体积含量从3 5 达到7 0 的过程中，引起压缩的主要因素是纤维柬的变形和织物层的相互嵌入。( a ) 自由状态( b ) 体积含量为35 糜( c ) 体积含量为7 0 图3 - 1 碳纤维织物增强复合材料横截面光学显微镜照片东华大学硕士学位论文第三章复合材料层合板微观形态上述的讨论说明在较低的压力下，织物的压缩主要由织物层问孔隙的压缩导致，而当压力较大的情况下，织物的压缩主要是由纤维束的压扁变形和织物层的相互嵌入导致。通过前面一组实验，我们对不同纤维体积含量的层合板中织物的压缩变形情况有了直观的了解。然而，织物的压缩还有另外一个重要的组成因素，在前面的实验中我们忽略了，这就是纤维束内孔隙的变化情况。为了对这个因素进行研究，进行了以下的一组更为详细的实验。3 2 不同纤维体积含量层合板中纤维束内外体积含量在这组实验中采用的织物是单轴向的玻璃纤维织物，实验的方法与上一组有所不同。这组实验采用的是r t m 方法，即将干态的织物按照不同层数铺入模具中，然后闭合模具，注胶，固化。实验中得到的复合材料的纤维体积含量分别为2 8 6 5 、38 2 0 、4 7 7 5 、5 7 3 0 、6 6 8 5 、7 6 4 0 。将制得的不同纤维体积含量的复合材料层合板的横截面抛光，拍摄不同放大倍数的光学显微镜照片。如图3 2 、3 3 、3 - 4所示。图3 2 是放大倍数为2 5 倍的显微镜照片，图中标尺为2 0 0l am 。当纤维体积含量从2 8 6 5 到38 2 0 时，纤维束略有压扁，织物层间的孔隙略有减小，但是可以看到相邻层的纤维束基本上没有相互接触，织物并没有发生层间的相互挤压。当纤维体积含量达到4 7 7 5 时，相邻两层的纤维束开始接触了，在相互的挤压过程中，纤维束的形状进一步变化。纤维束已经开始滑移，来适应层间的孔隙。当纤维体积含量从4 7 7 5 变化到57 3 0 时，可以看到纤维束被压得更扁，层间孔隙更小了。当纤维体积含量达到6 6 85 时，由于树脂含量的降低，已经很难从显微照片中分辨出纤维束的边界，多个纤维束聚集在一起，贴合的十分紧密，几乎没有孔隙来使树脂流入。可以想象此时纤维束的形状一定发生了很大的改变，它们相互挤压，形成紧密的纤维束集合。这种现象在纤维体积含量更高时7 6 4 0 表现的更为明显，1 9$ 太学 位论文镕= 章复e 柑# 目k m 目m 态纤维束形成了更大的集合，几乎没有树脂浸入其中，这时纤维束外的孔隙几乎已经被压实了。( e ) v f = 6 6 8 5 ( f ) vr 2 76 4 0 圉3 - 2 玻璃纤维织物增强复合材料横截面为了观察在纤维体积含量不断提高的过程中纤维束内孔隙的压缩情况，拍摄了放大倍数为1 0 0 倍的显微镜照片，如图3 3 所示，图中标尺的长度为1 0 0um 。为了能够定量的分析不同纤维体积含量层合板中纤维柬内的纤维体积含量，实验采用了对单位面积内纤维根数计数的方法。图3 - 4东华 学日# 位论立第! 章复台材料层合板微观形恋( e ) v ，= 6 68 5 ( 0vr = 7 64 0 图33 玻璃纤维织物的复合材料横截面图3 4 单轴向玻璃纤维织物纤维单丝截面东华大学硕_ l 学位论文第三章复合材料层合板微观形态是纤维体积含量为7 6 4 0 的复合材料层板放大5 0 0 倍的光学显微镜照片，从图中量得纤维的直径约是6 81 tm ，这与厂家给出的常压下的纤维直径数据相同，因此我们认为纤维截面在压缩过程中是不变的。每根纤维束所含单丝束基本固定，为3 0 0 0 根。实验采用的计算方法是：其中：n 厂是单位面积的纤维根数，r ，=- - i t 车学咖= 1 一v 阳：兀a ?sf = 寺( 3 1 )( 3 2 )( 3 - 3 )s ，是纤维的截面积，s 是实验中采用的单位面积，即是所数的纤维束根数v f - i n 是纤维束内纤维体积含量，矽厂一加是纤维束内孔隙的体积含量。对每种纤维体积含量的层合板都拍摄了10 幅照片，每幅中取2根纤维束，数单位面积的纤维根数。当纤维体积含量为2 8 6 5 ，38 2 0 ，4 7 7 5 ，57 3 0 ，6 6 8 5 ，7 6 4 0 时，采用上述方法，分别数得单位面积内纤维根数，通过计算得到纤维束内纤维体积含量。图3 5 是上述纤维体积含量下，纤维束内的各种纤维体积含量的分布。东华大学硕上学位论文第三章复合材料层合板微观形态0 3 5o 3零吕0 2晷o ，n0 0 5叠摹oa o 4 0o 3 50 3 002 502 00 1 501 00 0 5o 舯v f( a ) v f = 2 8 6 5 v f( c ) v f _ 4 7 7 5 一v f( e ) v f = 6 6 8 5 0 4io3m哥0 2c基o 正0 ow( b ) v f = 3 8 2 0 ( d ) v f = 5 7 3 0 v f( f ) v f = 7 6 4 0 图3 5 不同纤维体积含量层合板中纤维束内纤维体积含量的分布在复合材料合层板中，纤维束内的纤维体积含量并不均匀。在纤维束中心纤维体积含量较高，在纤维束边缘，纤维体积含量较低。但总体上随着总体纤维体积含量的提高，纤维束内的纤维体积含量也明显提高一零一m口m芑muj9正庐8 c 0 3 j o r |：穹 ；j筋帖ooo0dnon 覆一器一e叮_c81d乱东华大学硕士学位论文第三章复合材料层合板微观形态为了表征织物纤维束间的孔隙含量，我们把纤维束看成实心圆柱。这种