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陶瓷基复合材料RTM工艺实验与数值模拟

何州文  
【摘要】:陶瓷基复合材料具有高强度、高硬度、耐磨损、耐高温和抗腐蚀等优异性能,可用于下一代热结构材料。树脂传递模塑(RTM)工艺不仅成型效率高、表面质量好,而且可用于复杂形状构件的制备。被认为是21世纪复合材料生产领域的主导成型工艺之一。RTM在树脂基复合材料的制备方面已近取得重要进展,但在陶瓷基复合材料的制备方面处于起步阶段。随着陶瓷先驱体的不但发展,陶瓷基复合材料的RTM制备工艺在低成本和精确成型等方面正在显示出巨大的优势,已经引起越来越多的关注。因此,研究树脂在纤维预制体中的渗透行为对发展高性能、低成本碳化硅陶瓷基复合材料的精密成形RTM工艺具有重要意义。 本文根据高性能低成本RTM制造技术的发展需求,重点研究了纤维预制体的渗透率,M-3193不饱和聚酯树脂的RTM工艺,并对充模过程进行了计算机模拟。主要研究内容和结果如下: (1) 根据达西定律建立了渗透率测量的理论模型,研究了主要工艺参数对渗透特性的影响规律。发现提高充模压力和流动速度可以缩短充模时间,在一定程度上可以提高渗透率,最后通过实验数据计算出了增强体的渗透率。 (2) 对树脂传递模塑用M-3193不饱和聚酯进行了系统的研究,分析了温度、边缘效应以及SiC纳米粉填料对树脂流动性和材料力学性能的影响。结果表明,该体系在80℃以上存在低于60mPa·s的低粘度平台,满足RTM工艺对树脂粘度的要求:较大的边缘效应导致树脂在预制体内流动不充分,复合材料强度降低;添加SiC填料使材料的硬度提高了30%,而对材料的强度影响不大。通过对预制体进行真空浸渍前处理,提高了复合材料的强度,测得的材料弯曲强度达到345MPa。 (3) RTM-PWD软件对RTM工艺充模过程进行了模拟,分析了树脂流动情况以及不同工艺参数下的充模过程,给出了不同时刻的树脂流动前沿曲线,计算网格和终止时刻的压力场分布,确定了排气孔位置,计算结果与实验结果吻合良好。


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