復(fù)合材料液體成型工藝特色實驗

段躍新，肇 研

(北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

樹脂基復(fù)合材料在航空航天、國防、交通運(yùn)輸、電子化工等領(lǐng)域應(yīng)用愈來愈廣泛，復(fù)合材料的研究成為各個國家研究的重點(diǎn)，復(fù)合材料的技術(shù)水平也成為國家綜合技術(shù)實力的標(biāo)志［1－5］。我國在樹脂基復(fù)合材料方面的研發(fā)和應(yīng)用起步較晚(20世紀(jì)70年代末期)，無論原材料還是制備工藝都遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家［6］。因此，國家對復(fù)合材料的發(fā)展尤為重視，除了投入重金開展科研攻關(guān)外，積極鼓勵和扶持各大高校建立復(fù)合材料專業(yè)，開展復(fù)合材料的教學(xué)和研究工作，以推動復(fù)合材料的人才技術(shù)儲備。

北京航空航天大學(xué)是建立復(fù)合材料專業(yè)、開展復(fù)合材料研究最早的高校之一。已建立了復(fù)合材料設(shè)計、材料、制造等一系列專業(yè)學(xué)科，形成了在功能復(fù)合材料、液體成型技術(shù)等方面的研究特色，培養(yǎng)了大批專業(yè)的技術(shù)人員，現(xiàn)已在航空、航天和國防等領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。

但是，自2000年以來，由于擴(kuò)招等因素的影響，在復(fù)合材料教學(xué)實驗方面出現(xiàn)了學(xué)生人數(shù)多、教學(xué)設(shè)備臺套數(shù)少、場地小等現(xiàn)象，導(dǎo)致實驗教學(xué)的學(xué)時數(shù)減少，演示實驗增多，學(xué)生動手機(jī)會不多等不利于學(xué)生培養(yǎng)的現(xiàn)象。

為解決該現(xiàn)象，學(xué)校投入了大量經(jīng)費(fèi)，更新設(shè)備，改造實驗室，增加設(shè)備臺套數(shù)量，以保證學(xué)生實驗質(zhì)量。

復(fù)合材料液體成型工藝(Liquid Composites Molding，LCM)是近30年發(fā)展起來的復(fù)合材料成型工藝之一。具有成本低、效率高、質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，成為各國關(guān)注和研究的焦點(diǎn)［7－9］。LCM技術(shù)的研究和應(yīng)用已成為低成本復(fù)合材料技術(shù)的主要發(fā)展方向，預(yù)計該技術(shù)將成為21世紀(jì)復(fù)合材料的主導(dǎo)技術(shù)之一［10］。本實驗室是國內(nèi)最早研究LCM工藝的高校實驗室之一，具備模具研發(fā)、模擬、制造等技術(shù)優(yōu)勢，也是最早將該工藝技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)實驗的高校實驗室。實驗室為本科生及研究生設(shè)立了復(fù)合材料液體成型工藝模擬分析特色實驗。

1 實驗設(shè)計

復(fù)合材料液體成型工藝原理是將預(yù)先設(shè)計好的纖維增強(qiáng)材料鋪放在模具中，閉合模腔，將樹脂注入或真空抽入模腔中，依靠帶壓樹脂的流動浸潤纖維并排除纖維中的氣體，加熱固化樹脂使復(fù)合材料成型［11］。RTM(Resin Transfer Molding，RTM)為復(fù)合材料液體成型工藝中最具代表性的一種［12］。RTM工藝原理如圖1所示。

圖1 RTM工藝原理圖

液體成型工藝雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是由于其模腔密閉，工藝控制難，所以一般采用工藝模擬的方式輔助模具設(shè)計及工藝參數(shù)的選擇與優(yōu)化［13］。

本實驗的設(shè)計目的在于使學(xué)生了解復(fù)合材料液體成型工藝的成型原理，模擬的目的和意義，模擬的理論依據(jù)，模擬方法，模擬的組成部分及驗證方法。圖2為液體成型工藝模擬流程圖。圖3為簡化的工藝模擬流程圖。

圖2 復(fù)合材料液體成型工藝模擬流程圖

圖3 簡化的復(fù)合材料液體成型工藝模擬流程圖

2 實驗設(shè)備和模具

實驗設(shè)備是本實驗室與廠家根據(jù)實驗特點(diǎn)專門設(shè)計的。設(shè)備具有占地面積小，操作簡單，易維護(hù)等特點(diǎn)。圖4為RTM設(shè)備圖。

圖4 RTM設(shè)備圖

模具自主設(shè)計，采用復(fù)合材料作為模具下壁板，上壁板采用聚碳酸酯透明塑料，在中心、邊緣中點(diǎn)、邊緣角點(diǎn)設(shè)置溢料口和注射口，并可互換。圖5為RTM模具圖。

圖5 RTM模具圖

3 實驗要求

實驗的具體要求分為兩部分:(1)模擬部分;(2)實驗部分。

3.1 模擬部分

學(xué)生根據(jù)實驗指導(dǎo)書的內(nèi)容學(xué)習(xí)模擬的一些基本理論知識，如DARCY定律、流體連續(xù)性方程，有限元等，了解掌握液體成型工藝的原理和模擬的組成部分。之后，采用本實驗編制的二維流動模擬軟件，對模擬軟件進(jìn)行操作，使學(xué)生了解RTM工藝注射口、溢料口的選擇、粘度的設(shè)定、滲透率的設(shè)定等。根據(jù)模擬軟件，學(xué)生自主設(shè)計各種工藝狀態(tài)如溢料口改變對工藝的影響、粘度/滲透率的改變對工藝的影響等，并總結(jié)其中的規(guī)律，做出相應(yīng)的數(shù)據(jù)和分析曲線。

3.2 實驗部分

學(xué)生根據(jù)實驗指導(dǎo)書和模擬分析的結(jié)果，自主選擇注射方式等變量進(jìn)行實驗。首先學(xué)生通過滲透率的測定，確定纖維織物滲透率。織物層數(shù)、鋪層可自主設(shè)計，通過旋轉(zhuǎn)粘度儀確定樹脂體系的粘度，根據(jù)模擬結(jié)果確定二至三種注射方式，進(jìn)行實驗。最后對比模擬和實驗結(jié)構(gòu)，分析寫出實驗報告。

3.3 實驗例證

3.3.1 樹脂粘度測試

將300 mL樹脂放入500 mL的燒杯中，放入旋轉(zhuǎn)粘度計，測定結(jié)果:樹脂的粘度為0.062 Pa/s。

3.3.2 不同注射壓力的實驗

注射壓力的大小是RTM工藝過程中影響樹脂充模的一個重要工藝參數(shù)［14］。

改變注射壓力，測試不同注射壓力條件下樹脂充模所需要的時間，測試中所使用的實驗裝置如圖6所示。

圖6 樹脂充模實驗裝置

將不同注射壓力下對應(yīng)充模時間的測試結(jié)果同軟件模擬結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。

表1 不同注射壓力充模時間的比較

3.3.3 滲透率測試

滲透率是描述充模過程中增強(qiáng)材料滲透性的一個重要參數(shù)。用來表征樹脂流過多孔介質(zhì)纖維織物的難易程度，也是充模過程中樹脂模擬的重要參數(shù)［15］。

樹脂充模過程中，記錄流動前峰流過一定距離所對應(yīng)的時間，并將已知的樹脂粘度、注射壓力等代入DARCY定律即可計算出滲透率的數(shù)值［16］。最終測定得到玻璃布的滲透率為9.709 2×10－10m2。

滲透率測試過程中樹脂流動前峰對增強(qiáng)纖維的浸潤過程如圖7所示。圖8則給出了樹脂流動前峰流經(jīng)距離的平方與所對應(yīng)時間的關(guān)系曲線。

圖7 滲透率測試實驗

圖8 樹脂流動距離平方與對應(yīng)時間的關(guān)系曲線

3.3.4 不同注射口的實驗

樹脂注射口的位置也是影響RTM工藝過程中樹脂充模的重要工藝參數(shù)。

圖9分別給出了注射口在底線中點(diǎn)、側(cè)邊線中點(diǎn)、中心點(diǎn)以及角點(diǎn)等4種不同注射方式時，樹脂充模過程的實驗與模擬圖片。

不同注射口位置對應(yīng)充模時間的實驗與模擬結(jié)果如表2所示。

圖9 不同注射口位置的實驗與模擬圖片

表2 不同注射方式充模時間的比較

3.3.5 分析完成實驗報告

根據(jù)模擬和實驗結(jié)果完成實驗報告。

4 結(jié)束語

通過實驗的設(shè)計，學(xué)生可以掌握復(fù)合材料液體成型工藝的原理、基本的數(shù)學(xué)模型理論、模擬方法、參數(shù)的測定、模擬結(jié)果的分析;學(xué)生可以自主設(shè)計、自主實驗，調(diào)動了學(xué)生實驗的積極性，提高了學(xué)生的動手能力和分析能力。

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