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真空导入模塑工艺树脂流动行为研究

杨金水  
【摘要】: 真空导入模塑工艺(Vacuum Infusion Molding Process,简称VIMP)是一种新型的大尺寸复合材料制件的低成本液体模塑成型技术,其工艺原理是在单面刚性模具上以柔性真空袋膜包覆、密封纤维增强材料,利用真空负压排除模腔中的气体,并通过真空负压驱动树脂流动而实现树脂对纤维及其织物的浸渍。VIMP工艺中,确保树脂充分浸渍增强材料预成型体是保证制品质量的关键。而充分了解VIMP工艺中树脂的流动行为是准确预测树脂流动前锋曲线及压力场分布,合理设置工艺参数,实现工艺过程控制和保证树脂充分浸渍增强材料的基础。为了掌握VIMP工艺中纤维/树脂的浸渍机理和树脂的流动规律,本文围绕VIMP工艺特定树脂体系化学流变模型的建立及其低粘度平台的预报、增强材料预成型体渗透率的测试及其影响因素、特定材料体系对树脂流动行为的影响规律等开展了较为系统的研究;最后,本文对VIMP工艺整体成型技术实际应用的工艺性能和流道设计进行了分析。 对两种VIMP工艺专用不饱和聚酯树脂体系进行了分析。根据树脂的反应动力学特性,建立树脂的化学流变模型,模型分析结果与实验结果吻合较好。所建立的粘度模型,可有效模拟和预报树脂体系在不同工艺条件下的粘度行为,并准确地预报VIMP工艺的低粘度工艺窗口,为优化VIMP工艺参数和保证制品质量提供必要的工艺数据。 系统地研究了注射压力、流体粘度、流体种类、增强材料预成型体孔隙率、增强材料形态和增强材料种类等因素对增强材料预成型体渗透率的影响规律,并将其应用于树脂充模时间的估算。考虑到VIMP工艺增强材料预成型体的压缩特性,采用真空袋膜法测试导流介质和VIMP工艺预成型体的渗透率。结果表明本文所用导流介质渗透率的平均值为1.30×10~(-8)m~2,比一般纤维增强材料预成型体的渗透率常数大1~2个数量级;导流介质的加入使10层、20层和30层4:1(经纬比)编织布预成型体的表观渗透率测试值分别提高了10倍、6倍和4倍。 导流介质辅助渗流的VIMP工艺中,树脂同时在两种渗透率差别很大的多孔介质中流动,使之比传统RTM工艺中的树脂流动行为更为复杂。导流介质铺在增强体表面或夹在增强体中间都能显著地提高树脂的充模流动速度,缩短树脂的充模时间;树脂的充模时间随着导流介质使用比例的增加而成线性减少;增强材料预成型体上、下表面树脂流动前锋的差距随着增强材料预成型体厚度的增加而成线性增加。 分析了脱模布、注射方式、抽气方式和重力等工艺参数对VIMP工艺中树脂流动行为的影响。结果表明,VIMP工艺中,脱模布能够略微提高树脂的充模流动速度:注射方式和抽气方式改变时,树脂的流动模式和流动速度均发生改变:树脂的流动倾角越接近竖直方向重力对树脂流动的影响越大。 引流槽辅助VIMP工艺中,夹芯材料开槽的数量和尺寸对树脂的充模时间和浸胶质量具有重要的影响作用。实验研究表明,槽宽一定的情况下,槽间距越小树脂的充模速度越快,充模时间越短,反之,则树脂的充模时间越长。 根据预测的VIMP工艺操作窗口和估算的树脂充模时间,综合考虑VIMP工艺中特定材料体系对树脂流动行为的影响规律,进行VIMP工艺树脂/真空通道的设计,并将其成功应用于指导大型复合材料风电叶片的整体成型。结合该大型风电叶片的整体成型,本文分析了VIMP工艺的工艺性能、流道设计和缺陷形成机理,为VIMP工艺过程设计和改进提供了参考依据。


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