真空辅助RTM工艺中孔隙的形成机理及实时控制研究
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５ ％左 右¨Ｉｊ 因而 提高成 型过 程 中树 脂对 纤 维 的浸 ２， 润性 和降低 孔 隙率 非 常 重要 。真空 辅 助 Ｒ Ｍ 制 品 Ｔ 的孔 隙量变 化取决 于很 多 因 素 ， 纤 维 预成 型体 的 如
动受 到两 个 驱 动 力 的作 用 ： 压 力 和 毛 细 作 用 力 。 动 纤 维增强 材料 中 ， 束纤 维 内含 有大 量 的纤 维单 丝 ， 一 纤维 束 内 的孔 隙 （ 当于 毛 细 管 ） 远 小 于 纤 维 束 相 远 间的孔隙 ， 因此 ， 纤维 束 内的毛 细作用 力远 大于纤 维
动 前 沿均 匀性 ， 缩短 注胶 时 间 ， 是提 高 复合 材 料 产 品质 量 的 重 要 方 法 。
关 键 词 真 空辅 助 树 脂 传 递 成 型 孔 隙 浸 润
真 空辅 助 树 脂 传递 成 型 （ Ｔ 工艺 是一 种 新 Ｒ Ｍ）
型的大 型复 合 材 料 制 件 的低 成 本 液 体 模 塑 成 型技 术 ， 主要 利用 真空 负 压 排 出纤 维 中的气 体 及 实 现 它 树脂 对纤 维 的浸 润 。在 真空 辅 助 Ｒ Ｍ 中孔 隙 的形 Ｔ 成是 一个重 要 的问题 。孔 隙的存在 不仅 对层 间剪切
强度 有显著 影 响 ， 且 也影 响材料 的压 缩 强度 和横 而
为是 注射速 率 的两个 相 反 的对 数 函数 ， 不 是 流动 而 速率 与孔 隙包埋 百 分 比的直 接 关 系 ， 究 人 员 利用 研
一
个无 量纲 参数 ， 称为 毛细 作用 数 （ 来 研 究粘 Ｃ）
性力 和表 面张力作 用 。如式 （ ） １：
束 间的毛细 作用 力 ， 就是说 ， 维束 间的流 动取决 也 纤
渗透性 ， 树脂 体系 中最初 的气 泡量 ， 注射过 程 中形 成
的孔 隙 ， 固化过 程 中孑 隙 的增加 或减小 ， Ｌ 由于树脂 和
固化剂 化 学反 应 而 生 成 的 空 气 等 。虽 然 由 于 技
术 原 因以及基 体树 脂 和增 强 材 料 本 身 的缺 陷 ， 得 使 制 备无孔 隙复合 材 料 非 常 困难 ， 研 究孔 隙的 形成 但 机 理及排 除措施 ， 其 在 复合 材 料 中的含 量 降 低 到 使 最 低 限度 ， 提 高复 合 材 料 的 质 量 是 非 常 重 要 的。 对 笔 者 现就 真空 辅 助 Ｒ Ｍ 工艺 中孑 隙形 成 的机 理及 Ｔ Ｌ
低时 的机 理 相 似 。在 纤 维 织 物 层 间 也 会 形 成 大 气
工 程 塑 料 应用
２１ ００年 ， ３ 第 ８卷 ， １ 第 Ｏ期
真空辅助 Ｒ Ｍ工艺中孔隙的形成机理及实时控制研究 术 Ｔ
郑 澎 张彦 飞 赵 贵哲 刘亚 青 杜瑞奎
００５ ） ３ ０ １ （ 中北 大 学 山西 省 高 分子 复合 材 料 工 程 技 术研 究 中心 ， 原 太
摘要
根 据 国 内 外的 研 究成 果 对 真 空 辅 助树 脂传 递 成 型 （ Ｔ 工 艺 过 程 中 气 泡 的 形 成 机 理 进 行 了分 析 总 结 ， Ｒ Ｍ）
同时介 绍 了几种真 空辅助 Ｒ Ｍ 实时过程控制方法。研 究结果表 明， Ｔ 实时过程控 制能够减少孔 隙形成 的几 率， 改善 流
实 时控制作 一介 绍 。 １ 孔隙理 论的研 究
于施加 的动压力 ， 纤 维束 内 的流 动 主要 受 毛 细作 而 用力 的控制 。在 纤 维 预成 型 体 的任 一 位 置 ， 果两 如 种驱动 力 的大小 不一 致 ， 流体 流 动 方式 也 就 有所 差
别 ， 动前沿 的形 态也 就改 变 了 』 流 。
Ｃ 。＝ （） １
向弯 曲强度 。实验 研究 表 明 ， 隙含量 每 增加 １ ， 孔 ％
式 中 ： 为液 体表 面粘 度 ； 为 液体 表 面 流动 速 度 ； Ｊ ， ７ 为 液体表 面 自由能 。 Ｒ Ｍ 充模 过程 中， Ｔ 流体在 纤 维 预成 型 体 中 的流
弯 曲和层 间强度 降低 １％ ， 中弯 曲弹性 模量 下 降 ０ 其
原 因 。在 一定 温度 下 ， 塑压力 较低 时 ， 维束 内的 注 纤 毛细作 用力起 重要 作 用 ， 体 的流动 前 沿 形 态如 图 流
１ 所示 ， 纤维 束 内的流体 将 向纤 维 束 间 的孔 隙流 动 ，
成 的孔 隙及 在纤维 单丝 表面 的宏观 或微 观裂纹 形成
的孔， 为微观孔 隙， 微孔 的尺寸在 １ ～ ～ ０ ４ ０ １ ＿数
量级 （ ｍ ） 二是 在相邻 纤维 束 之 间所 形成 的孔 隙 ， ｃ ；
此 时在纤 维束 之 间就会裹 入空 气而形 成大 气泡 。在
一
定 注塑 压力下 ， 度较 高时 ， 容 易导致 大气泡 的 温 也
为宏 观孔隙 ， 宏观 孔 隙 的尺 寸在 １ ～ ～１ 数 量 级 ０ ０ （ｍ ）４。这 两种孔 隙在 充模 过程 中同时 出 现且 相 ｃ ［ １ 互 竞争 ， 而导 致 了气 泡 的卷裹 。 从 要解 决 Ｒ Ｍ 成型工 艺 中气泡缺 陷 的问题 ， Ｔ 必须
１ １ 宏 观 孔 隙 的 形 成 ．
当动 压力 小 于 毛 细作 用力 时 ， 维束 内 的流动 纤 较之纤 维束 间 的流 动要 快 ， 是 大气 泡 形 成 的 主要 这
在 Ｒ Ｍ充 模过 程 中 ， 以将 纤维 增强材 料看 成 Ｔ 可 是 多孔介质 。孔 隙有 两 种 ： 是 在纤 维 单 丝 之 间形 一
对 流体在 多孔介 质 中的流动 行 为进行 系统深 入 的研 究 。过去研 究人 员认 为 ， 观／ 观孔 隙的 比例接 近 宏 微
形成 。主要原因是温度升高 ， 树脂流体的流动性得 到改 善 ， 注塑 压力 及 毛 细 作用 力 下 小 孔 隙 内 的流 在
动超 前 于大 孔 隙 内的流动 。气泡 形成 机理 与压力 较
动受 到两 个 驱 动 力 的作 用 ： 压 力 和 毛 细 作 用 力 。 动 纤 维增强 材料 中 ， 束纤 维 内含 有大 量 的纤 维单 丝 ， 一 纤维 束 内 的孔 隙 （ 当于 毛 细 管 ） 远 小 于 纤 维 束 相 远 间的孔隙 ， 因此 ， 纤维 束 内的毛 细作用 力远 大于纤 维
动 前 沿均 匀性 ， 缩短 注胶 时 间 ， 是提 高 复合 材 料 产 品质 量 的 重 要 方 法 。
关 键 词 真 空辅 助 树 脂 传 递 成 型 孔 隙 浸 润
真 空辅 助 树 脂 传递 成 型 （ Ｔ 工艺 是一 种 新 Ｒ Ｍ）
型的大 型复 合 材 料 制 件 的低 成 本 液 体 模 塑 成 型技 术 ， 主要 利用 真空 负 压 排 出纤 维 中的气 体 及 实 现 它 树脂 对纤 维 的浸 润 。在 真空 辅 助 Ｒ Ｍ 中孔 隙 的形 Ｔ 成是 一个重 要 的问题 。孔 隙的存在 不仅 对层 间剪切
强度 有显著 影 响 ， 且 也影 响材料 的压 缩 强度 和横 而
为是 注射速 率 的两个 相 反 的对 数 函数 ， 不 是 流动 而 速率 与孔 隙包埋 百 分 比的直 接 关 系 ， 究 人 员 利用 研
一
个无 量纲 参数 ， 称为 毛细 作用 数 （ 来 研 究粘 Ｃ）
性力 和表 面张力作 用 。如式 （ ） １：
束 间的毛细 作用 力 ， 就是说 ， 维束 间的流 动取决 也 纤
渗透性 ， 树脂 体系 中最初 的气 泡量 ， 注射过 程 中形 成
的孔 隙 ， 固化过 程 中孑 隙 的增加 或减小 ， Ｌ 由于树脂 和
固化剂 化 学反 应 而 生 成 的 空 气 等 。虽 然 由 于 技
术 原 因以及基 体树 脂 和增 强 材 料 本 身 的缺 陷 ， 得 使 制 备无孔 隙复合 材 料 非 常 困难 ， 研 究孔 隙的 形成 但 机 理及排 除措施 ， 其 在 复合 材 料 中的含 量 降 低 到 使 最 低 限度 ， 提 高复 合 材 料 的 质 量 是 非 常 重 要 的。 对 笔 者 现就 真空 辅 助 Ｒ Ｍ 工艺 中孑 隙形 成 的机 理及 Ｔ Ｌ
低时 的机 理 相 似 。在 纤 维 织 物 层 间 也 会 形 成 大 气
工 程 塑 料 应用
２１ ００年 ， ３ 第 ８卷 ， １ 第 Ｏ期
真空辅助 Ｒ Ｍ工艺中孔隙的形成机理及实时控制研究 术 Ｔ
郑 澎 张彦 飞 赵 贵哲 刘亚 青 杜瑞奎
００５ ） ３ ０ １ （ 中北 大 学 山西 省 高 分子 复合 材 料 工 程 技 术研 究 中心 ， 原 太
摘要
根 据 国 内 外的 研 究成 果 对 真 空 辅 助树 脂传 递 成 型 （ Ｔ 工 艺 过 程 中 气 泡 的 形 成 机 理 进 行 了分 析 总 结 ， Ｒ Ｍ）
同时介 绍 了几种真 空辅助 Ｒ Ｍ 实时过程控制方法。研 究结果表 明， Ｔ 实时过程控 制能够减少孔 隙形成 的几 率， 改善 流
实 时控制作 一介 绍 。 １ 孔隙理 论的研 究
于施加 的动压力 ， 纤 维束 内 的流 动 主要 受 毛 细作 而 用力 的控制 。在 纤 维 预成 型 体 的任 一 位 置 ， 果两 如 种驱动 力 的大小 不一 致 ， 流体 流 动 方式 也 就 有所 差
别 ， 动前沿 的形 态也 就改 变 了 』 流 。
Ｃ 。＝ （） １
向弯 曲强度 。实验 研究 表 明 ， 隙含量 每 增加 １ ， 孔 ％
式 中 ： 为液 体表 面粘 度 ； 为 液体 表 面 流动 速 度 ； Ｊ ， ７ 为 液体表 面 自由能 。 Ｒ Ｍ 充模 过程 中， Ｔ 流体在 纤 维 预成 型 体 中 的流
弯 曲和层 间强度 降低 １％ ， 中弯 曲弹性 模量 下 降 ０ 其
原 因 。在 一定 温度 下 ， 塑压力 较低 时 ， 维束 内的 注 纤 毛细作 用力起 重要 作 用 ， 体 的流动 前 沿 形 态如 图 流
１ 所示 ， 纤维 束 内的流体 将 向纤 维 束 间 的孔 隙流 动 ，
成 的孔 隙及 在纤维 单丝 表面 的宏观 或微 观裂纹 形成
的孔， 为微观孔 隙， 微孔 的尺寸在 １ ～ ～ ０ ４ ０ １ ＿数
量级 （ ｍ ） 二是 在相邻 纤维 束 之 间所 形成 的孔 隙 ， ｃ ；
此 时在纤 维束 之 间就会裹 入空 气而形 成大 气泡 。在
一
定 注塑 压力下 ， 度较 高时 ， 容 易导致 大气泡 的 温 也
为宏 观孔隙 ， 宏观 孔 隙 的尺 寸在 １ ～ ～１ 数 量 级 ０ ０ （ｍ ）４。这 两种孔 隙在 充模 过程 中同时 出 现且 相 ｃ ［ １ 互 竞争 ， 而导 致 了气 泡 的卷裹 。 从 要解 决 Ｒ Ｍ 成型工 艺 中气泡缺 陷 的问题 ， Ｔ 必须
１ １ 宏 观 孔 隙 的 形 成 ．
当动 压力 小 于 毛 细作 用力 时 ， 维束 内 的流动 纤 较之纤 维束 间 的流 动要 快 ， 是 大气 泡 形 成 的 主要 这
在 Ｒ Ｍ充 模过 程 中 ， 以将 纤维 增强材 料看 成 Ｔ 可 是 多孔介质 。孔 隙有 两 种 ： 是 在纤 维 单 丝 之 间形 一
对 流体在 多孔介 质 中的流动 行 为进行 系统深 入 的研 究 。过去研 究人 员认 为 ， 观／ 观孔 隙的 比例接 近 宏 微
形成 。主要原因是温度升高 ， 树脂流体的流动性得 到改 善 ， 注塑 压力 及 毛 细 作用 力 下 小 孔 隙 内 的流 在
动超 前 于大 孔 隙 内的流动 。气泡 形成 机理 与压力 较