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纺织预型件结构参数与模塑成型复合材料树脂渗透性关系的研究

蒋金华  
【摘要】:目前模塑成型复合材料由于其优异的性能越来越多的受到人们重视。在模塑成型复合材料加工中,模塑成型的关键是使得增强纤维与树脂基体在最终的复合材料中均匀分布,在不影响已铺置好的预型件织物前提下,使得树脂完全浸渍增强材料。本课题的研究主要围绕模塑成型工艺中织物结构参数与树脂流动渗透行为的关系和影响、纺织结构预型件制备、纤维集合体的结构形式与渗透性的关系模型、模塑成型加工过程的流动渗透模拟等进行了系统地研究。 (1)渗透性测试机理及试验构建 首先介绍了渗透性测试的机理,对于2D渗透率的测试采用面内渗透模型,3D渗透率的测试采用半椭球渗透模型。构建了间接监测技术装置,即基于线性传感器的2D渗透性测试技术及装置、基于超声波技术的3D渗透性测试技术及装置,并用LabView程序记录输出信号,再转化为流动前峰与时间的关系,快捷而精确地计算出织物预型件渗透率等参数。初步介绍了测试过程中数据分析及相关后处理曲线的手段。最后介绍了试验采用的流体的特性。 (2)纺织预型件结构对树脂流动渗透性的影响 通过系统分析织物结构参数与渗透性的关系,得出了众多因素对织物渗透性的影响作用。 不同组织结构织物的渗透率不同,平纹织物的主渗透率K1和K2均较高,缎纹织物的K1和K2比较接近,而斜纹织物的K1和K2相差最大,斜纹织物的渗透存在一定的方向性,而平纹和缎纹内流动前峰的轮廓线接近圆形程度更高。纱线屈曲角度的不同会引起预型件内流动通道的形状及尺寸的差异,从而最终影响流动渗透性。织物中较细的纱线表现为较大的屈曲角度,同时表现为纱线的卷曲缩率较高、纱线内张力较小。织物中任一向纱线细度的变化均会引起内部孔隙结构和尺寸的变化,而渗透率K1和K2均会随着细度的降低而增加。不同浸润剂整理的纤维与流体相互作用时,会存在不同的表面张力水平,从而产生不同的毛细作用力,影响流动效果。预型件内的热熔性粘合剂反应融化后会形成团片粘附在纤维束的表面,分布也更加离散化,从而树脂流动渗透比融化前的效果要好、浸润更快更容易。缝编方式和铺层形式会引起预型件织物渗透性的改变。缝合而形成的流道与纤维方向呈一定角度时,则渗透率和各向异性度系数存在显著差异。层间相对厚度大、层数少时,则每层之间的有效流通通道尺寸会加大,使得渗透更容易,渗透率也会提高。提高注入压力可以增大渗透率,提高流动速度。但压力太高时液体从注入口进入模腔后会形成压紧作用反而会使得渗透率降低。 对于厚度方向的3D渗透性。斜纹、双轴向NCFO/90、单向NCFO不同组织结构的碳纤维织物的渗透率存在较大的差异。单向织物面内层内单向流动容易,而横向和厚度方向无流道,流动困难,厚度方向的渗透率非常低,相比其他两种结构的织物要低1-2个数量级。在紧密织物结构中,双轴向比斜纹织物的厚度方向渗透率要高。不同的玻纤织物中,平纹织物比斜纹中有更高的厚度方向的3D渗透率。低的经纬密度可以提高预型件的3D流动渗透率。织物中两向纱线细度均变细或其中一向变细时,利于树脂的流动渗透。 (3)纺织预型件设计及制备 对于热固性树脂,由于其具有较低的粘度,树脂流动性好,在模塑成型加工过程中,可以通过控制加工过程及工艺参数等使得树脂基体充分地渗透浸渍到增强纤维预型件或纤维集合体中。然而,对于热塑性树脂,存在一个最大的问题是热塑性树脂的熔融粘度高、对增强纤维浸渍性差,因此在复合成型加工过程中不利于增强纤维的均匀分布和树脂的浸渍。 本文采用了包缠法预型件制作方法,提高了热塑性基体在增强纤维中分散均匀性、有效地减少了模塑加工过程中树脂融化后流动距离和渗透浸润时间、提高了渗透性和渗透效果。基于响应曲面方法模型,分析了包缠工艺参数对预型件结构和力学性能的影响,优化了中空锭转数和中空锭捻度两个主要参数,改变包缠角度、纱线表面紧密度和纤维分数,达到理想的力学性能。 本文系统地分析了增强纤维与基体两相结合的形式,及预型件结构参数对力学性能的影响。包缠法织物预型件比交织法织物预型件的强度稍低,但复合成型后的复合材料,由于浸渍渗透效果更好,则表现出较高的拉伸性能和层间剥离性能。织造密度的变化对复合材料性能有较大的影响,纬密变化比经密的影响程度要大。综合织造便利性和复合材料经纬向拉伸性能的共同作用,可将经密设定在较小的范围而纬密控制在适中的水平。织物的组织结构(包括平纹、斜纹、方平)和纱线取向(包括0°、90°、45°)对预型件的拉伸强度、伸长率和模量有较大的影响。对于平纹、斜纹、方平三种织物结构,均沿着经向(0°)强力最高、其次是纬向(90°)方向、最小是45°方向,但伸长率在45°最大,并且平纹织物的拉伸强力高于其他两种结构。复合加工过程中模具的模压厚度对材料的拉伸性能和剥离性能均有影响。综合考虑拉伸、剥离强度和浸润界面效果,模压厚度在适中的水平时,复合材料的综合性能较优,层间渗透和粘结效果好,对应的剥离峰值波动差异性小。对增强纤维和树脂基体进行碱处理和偶联剂改性处理,树脂浸润效果提高,形成了较强的结合界面,使复合材料性能大大提高。 (4)渗透性模型分析 本文系统建立和分析了2D、3D流动渗透性模型,包括热固性和热塑性树脂的流动渗透行为,及预型件结构对渗透性的影响;分析了树脂在各类纤维集合体及预型件中的流动过程,流动动态前峰、压力分布、作用时间、及预型件结构层间相互作用效应等对流动渗透的影响关系。 对于各向异性介质的2D渗透性,通过坐标变化,将直角坐标系的问题转化到椭圆坐标系中,简化了求解模型。针对厚尺寸加工部件的流动渗透过程,采用点流源注射呈半椭球状扩散渗透,建立了各向异性介质的3D渗透性模型。织物层间作用模型分析了渗透率与层间流动不同时性、滞后性差异的关系。当各层厚度方向的渗透越小,且上下层本身的面内渗透率差异越大时,层间渗透滞后效应越明显。若上下两层织物本身渗透率差别越大,则无论厚度方向上的渗透强弱,均会造成两层面内流动渗透的同步性较差。 另外,建立了热塑性预型件的径向渗透模型。将渗透问题转化到局部状态的渗透进行研究,避免了类似RTM中长距离的流动渗透,从而对每一束预型件纱线浸润直至完全渗透的过程进行建模分析。模型描述了浸渍度与浸渍过程中工艺参数的关系,即与浸渍压力、温度(引起粘度变化)、纤维束尺寸、时间等因素的相互影响。(5)树脂流动及成型过程模拟 从预型件参数、注塑成型参数等因素,分析流动渗透充模形式和相互影响效果,模拟了各种参数下流动渗透成型的充模过程。 预型件参数,包括主渗透率、各向异性度、主轴取向角等对流动渗透行为和充模时间有较大的影响。主渗透率大,则树脂渗透流动快、充模时间较短。主渗透率的差异,会造成各向异性度差异,从而造成流动前峰轮廓线的圆整度或椭圆度的差异,影响充模时间。主轴取向角会改变流动前峰轮廓线的取向,相同条件下,取向角越大,充模时间越短。 注塑成型参数(压力、注入口及流道分布)对流动渗透行为和充模时间影响显著。在适当的压力范围内,可通过增加注入压力缩短充模时间。单孔方式注入,中心孔径向注入时充模较慢,单边注入时间也较长,注入口所在的流道较短时充模时间更长,而环形通道径向注入时充模时间较短。注入口充模方式的影响比注入口数量的影响效果更显著。环形流道上设置不同数目的注入口,发现虽然注入口增多时,充模时间稍微减少,但影响效果不明显。模腔内部有无流道对充模时间和流动渗透充模形式的影响差异较大,多条流道将整个流场区域划分为多个更小的子区域分别径向中心渗透扩散,会加快渗透充模速度。


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