RTM工艺过程缺陷产生机理分析

高国强 薛忠民

(北京玻璃钢研究设计院 102101)

摘要: 本文全面分析了R T M工艺过程中缺陷产生的原因,并讨论了如何根据缺陷的特征找出问题的根源。关键词: RT M 缺陷

1 概述

RTM工艺是一种采用对模制造聚合物基复合材料的工艺。将反应性的热固性液态树脂注入含有干纤维预成型体的模腔中,浸润纤维,同时将模腔中的空气排出。树脂充满模腔,开始固化。RT M工艺可用于生产轻质、高强和具有复杂几何形状的聚合物基复合材料制品,具有很大的发展潜力。

限制RTM工艺广泛应用的障碍之一是由于树脂注入过程中空气的陷入,导致难以连续一致地生产高强度和高表面质量的复合材料制品。缺胶、微孔和浸润不良使复合材料制品质量、性能下降。有资料表明,当微孔含量增加1%,机械性能如层间剪切强度、弯曲强度和弯曲模量下降将超过5%[1、2]。微孔还使复合材料的耐候性和疲劳性能下降,同时增加了材料对气候和潮湿的敏感性。因此控制微孔含量(孔隙率)是非常重要的。其它问题还包括制品尺寸不精确,芯材在模腔中的移动,富树脂区,以及表面质量不佳等等。影响缺陷产生的因素是多方面的,如原材料的性质、界面、温度、注射压力、真空条件等,有时候多种因素综合作用,使得很难查找产生缺陷的主要原因。

2 RT M工艺过程中缺陷产生原因的

调查

在问题调查之前,第一步是定义这个问题,在这个过程中要保证问题的真实性。问题通常用产品质量的变化来定义,虽然绝对质量水平没有变化,检查原则的改变可能会导致不同的结果。其它类型的问题也可能存在,如注射机的故障或模具的损坏。例如,如果具有连续流动速率的注射机器在使用,设备没有压力保护,树脂的粘度由于某种原因上升(或增强材料渗透率下降),机器仍以同样的速度注入树脂,可能会导致工艺时间不明显的改变或产品质量的变化。另一方面注入压力会升得很高,影响密封件的寿命,也许还会影响到树脂混合比例(如果密封开始泄露),或者导致纤维冲刷,在极端的情况下,使模具型面发生严重变形,模具被损坏。这时,检查工艺记录,几乎不可能发现问题的根源。但如果使用前检查了粘度(或测试了渗透率),并作了记录,这个问题就很容易判断。缺乏这些记录,诊断将非常困难。

2 1 缺陷产生原因调查的原则

首先检查所有的工艺记录,确认原材料性质、工艺条件是否发生了变化。从表象寻找根本原因需要许多证据,我们采取的解决办法是,保持足够的相关记录,包括使用的材料特性,工艺参数和要求的产品质量。这通常被认为是过于繁杂的作法,但非常简单的检查经常会得出有用的结论,例如落球式粘度计并不是高精密度的仪器,费用低,易操作,耗时少;杯式粘度计,使用也很简便,这些手段虽然简易,但非常能说明问题。再如,纤维的渗透率可以用靶环法来表征,所需设备简单,却可以直观的反映树脂在纤维中的渗透情况。

假设检查所有可用记录并未发现任何改变,可以考虑是工艺的改变导致产品质量变化。第二步将是严格监控操作工艺过程,使用作业指导书和过程控制文件为向导,提高其稳定性。在此之前,除非这些记录都可得到并且足够详细,否则问题的解决将十分困难。这种监测包括生产阶段的所有过程:增强材料的购进、贮存和准备,铺层,注射,固化,脱模和切除飞边。虽然,作业指导书的确反映了生产过程中的所有步骤,但值得注意的是,树脂注射过程中出现的问题不一定就是问题的根源。

最后,如果所有的工艺条件都符合要求,要考虑检查相关的生产设备,尤其是质量敏感部分。例如,在某一生产过程中,产品质量下降到一个不可接受的水平,在线研究表明,材料没问题,过程也同样正确。通过工艺研究,发现在较宽的范围内改变注射工艺参数,可以提高产品质量,但仍不能达到所要求的质量水平。问题最终追溯到模具的闭合,模腔内真空度的变化导致了质量问题。这个问题很容易改正,通过模具维护,更换真空检查设备和新的程序,

FRP/CM 2001 No.2

可以更准确地检查真空状态,使问题不再发生。我们需要做的是建立一套工艺程序,通过这种工艺程序尽可能减小日常的、微小的可变因素。2 2 常见缺陷产生原因分析

(1)制品尺寸不精确

制品尺寸不精确主要是由模腔尺寸不精确造成的。模具刚度、增强材料和注射压力都会增大这种影响。将一小块橡皮泥或胶泥置于模具型面之间,闭合模具,开模后测量其厚度,可以用来检测零压力下模腔尺寸。将模腔尺寸、设计尺寸以及制品尺寸相比较,很容易发现原因所在。在模具制作结束后,试模前,应检查模腔尺寸是否符合设计要求;首件制作完成后,要检查制品与设计之间的差异,以确认模具是否符合要求。如果通过降低注入压力(或提高真空度),可以使尺寸在公差范围内,说明模具刚度不够。最理想的解决办法是强化模具刚度。

(2)制品表面质量差

模具表面质量不高和脱模剂涂刷不良都会使制品表面质量下降。除此之外,对于收缩率高的不饱和聚酯树脂,如果固化没有控制,制品表面将会产生气泡。当树脂固化收缩时,产品在某一点可能会从模具表面脱离,这部分的表面会变得凸凹不平,比较部件两面;如果表面一面很好,另一面较差,这种原因可能性最大。使模具一面温度略高于另一面,强制一面先固化,通常可以解决这个问题。

(3)过早凝胶

过早凝胶可能是由下列原因产生:注射机计量不准、树脂混合不均或注射时间过长,厚度方向上的放热,或者模具温度控制不准。

(4)固化不均

固化不均或不固化与2 2 3的原因类似,除此以外,固化剂对潮湿很敏感,如果保存条件不良可能会导致使用时树脂固化不完全。在某些情况下,也可能是树脂混合和计量设备出现了问题,如树脂泵或固化剂泵密封不好、单向阀不能完全打开。

(5)浸润不良

浸润不良可能是由于树脂与增强材料相容性差。在这种情况下,一些区域随机毡的粘接剂,会在树脂完全浸润纱束前被润解.如果固化太快,在工艺过程结束前发生凝胶,以及由于铺层不良或增强材料铺层设计不好,使局部纤维含量过高,都可能产生不完全浸润现象。

(6)芯材移动

注射时芯材的移动是由于流动的不稳定性引起的,可通过在芯材上开孔来解决,或确保加在芯材上的闭合压力远大于该处树脂的压力。增强材料的移动如纤维的冲刷也是由于合模压力相对于注射压力不足。典型的纤维冲刷通常发生在随机毡中。相似的结果,在织物厚度方向上常会看到,在这时,树脂在纱束之间形成通道。

(7)富树脂区

富树脂区可能是由于模具和增强材料件几何尺寸不匹配造成的。当使用刚性模具时,增强材料在合模时受到力的作用,发生变形,与模腔壁间形成间隙,就会形成富树脂区,如图1箭头所示。而且,这种情况会破坏流动前锋,造成其它地方空气的陷入。注口处由于高的注射压力也容易产生富树脂区。

图1 增强材料变形产生富树脂区

图2 注入口处的富树脂区

图3 模具变形

(8)脱模困难

脱模剂的选择或使用不当可能引起脱模困难。应当注意的是使用过量的脱模剂会导致不良的脱模性能。其它潜在的原因如模具刚度不足导致过度的形变,制品几何形状发生了改变,如图3所示。

(9)制品分层

制品的分层一般发生在厚的制品中,减缓固化速度对防止制品分层有所帮助,如改变树脂的使用条件。分层也可能是由于固化时产生的挥发物和不

FRP /CM 2001 No.2