三维整体夹芯织物增强复合材料的研制

212. 2 复合板材空隙率的计算 根据复合材料的密度和纤维质量分数 , 可以计
的黏度要求 。
212 复合板材空隙率的测定
算复合材料的空隙率 : Vv = 1 - ρc
Mf
ρ
+
Mm
ρ
,式中
f
m
21211 复合板材实际密度 ρc 的测定
纤维的质量分数
Mf
= Wf Wc
×100 % ,树脂的质量分数
Abstract The typical 32D integrated and sandwiched fabrics including X ,V and honeycomb types in warp wise are designed and manufactured with glass fibers on the common 22D loom , and reinforced composites are made of the fabrics by means of the technology of vacuum assisted resin infusion. For better penetration of resin into the fiber and fabric , the components , ratio and viscosity of the resin liquid are studied. The resin liquid flowing in the 32D sandwiched fabric and the cause of bubble forming are discussed. The manufacturing method used in this research can effectively exclude the air trapped in the voids between fibers or inside the fibers of the reinforced composites. The results show that the reinforced composites have retained the original structure , shape , and physical properties of the sandwiched fabrics. Key words 32D integrated and sandwiched fabric ; honeycomb ; matrix resin ; vacuum assisted resin infusion
第 28 卷 第 1 期 2007 年 1 月
文章编号 :025329721 (2007) 0120056204
纺 织 学 报 Journal oБайду номын сангаас Textile Research
Vol. 28 No. 1 Jan. 2007
三维整体夹芯织物增强复合材料的研制
祝成炎 ,陈俊俊 ,朱俊萍 ,谭冬宜 ,徐国平
第1期
祝成炎 等 :三维整体夹芯织物增强复合材料的研制
·57 ·
提供 。脱模剂为 R504 (Loctte 7002NC Frekote) , Scott Bader 有限公司生产 。丙酮试剂由杭州汇普化工仪 器有限公司提供 。真空泵型号为 2XZ24B ,温岭市发 达真空泵厂制造 。
112 玻璃纤维包覆
构的结构单元都采用 单元体 ,对此可取出如图 3
所示的基本单元来分析气泡在三维机织物经向切面 内的形成机制 。在这个模型中 ,清楚地显示了树脂 胶液在经向纤维束间及纤维束内 2 种不同通道内的 流动区域 、流动前缘及遇纬向纤维束时的流动情况 。
真空辅助成型工艺是一个高速注射过程 ,在这 一过程中 ,纤维束间的大气泡基本无法产生 ,但会出 现纤 维 束 内 部 形 成 微 气 泡 及 由 此 造 成 缺 胶 的 现 象[6] 。其产生原因是 : 1) 在高速灌注过程中由于表 面张力的作用 ,纤维束内的胶液流动滞后于纤维束 间的胶液流动 ,当纤维束间的流动前缘与横向纤维 束相遇时 ,瞬时引发沿横向和轴向纤维束 2 种方向 的流动 ,当这 2 种流动汇合时 ,若轴向纤维束内的树 脂仍未达到或超过横向纤维束 ,那么横向流动的液 体会封闭气体通道 ,即形成气泡 ,这种气泡较小可称 为微气泡 ;2) 当树脂通过纤维束间的流动注满模腔 后 ,纤维束内部树脂仍未能完全浸透纤维 ,因此造成
114 真空辅助成型方法
真空辅助成型工艺 :净化玻璃板 →检查模具密 封性 →配树脂胶液 (树脂与 MEKP、Cobalt 的质量比 为 100∶115∶2) →塑模 →抽真空 →灌树脂胶液 (同 步抽真空10 min) → 剥离并抽出填芯棒 (约10 min后 树脂呈黏稠状) →大气中固化成型 。
213 板材参数的计算
忽略玻璃纤维和树脂胶液反应对体积和质量的
试样 , 每组 3 个 ,用天平称得试样在空气中的质量 , 影响 ,将长宽相同的复合板材剥离后进行比较 ,复合
记为 Mc ,复合板材浸入水后的排水量记为 V水 。
板材各个参数由表 1 列出 。
ρ c
=
McΠV水
表 1 试样板材参数
Tab. 1 Parameters of composite
周期 ,有利于生产工艺的合理安排及广泛推广 。
1 预制件的制作
111 材料和仪器
预制件采用 E2玻璃纤维 ,杭州玻璃厂生产 ,密 度为2154 gΠcm3 ,纱线线密度为600 tex。树脂为上海 富晨有限公司生产的 854 标准型环氧乙烯基酯树 脂 。树 脂 固 化 剂 和 促 进 剂 分 别 是 过 氧 化 甲 乙 醇 (10 %) 、环烷酸钴 (1 %) ,杭州东日玻璃钢有限公司
ρm
=
Wm Vm
=
10315 100ρMEKPρCo
ρ酯ρMEKPρCo + 115ρ酯ρCo
+ 2ρ酯ρMEKP
(3)
在成型过程中 ,可通过公式计算所需树脂胶液的质
量 Wm 。
abh
=
Wf
ρ
+
Wm
ρ
+
Vk
(4)
f
m
式中 : a , b , h 分别为织物经向长度 、纬向长度 、织物
厚度 ;ρf ,ρm 分别为玻璃纤维的密度 、树脂胶液的密
(浙江理工大学 ,先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室 ,浙江 杭州 310018)
摘 要 用玻璃纤维在普通二维织机上分别试制经向为 V 形 、X 形和蜂窝形 3 种典型三维整体夹芯织物 ,利用真 空辅助成型工艺研制复合材料夹芯板 。为使树脂能较好地渗入织物和纤维内部 ,对灌注用树脂胶液的组成 、配制 比例以及树脂黏度等进行了研究 ,并讨论了三维空芯结构织物中树脂胶液流动过程及气泡形成原因 。该复合材料 成型工艺能有效地排除在成型过程中产生于织物纤维束之间和纤维束内的气泡 。研究结果表明所研制的板材保 持了夹芯织物原有的孔形结构 、形状与较好的力学性能 。 关键词 三维整体夹芯织物 ;蜂窝 ;基体树脂 ;真空辅助成型 中图分类号 :TS106168 文献标识码 :A
3218
5105
3
蜂窝形
16 ×16 ×113
22517
18312
5510
5416
3214
2123
3 真空辅助成型板材制作中的气泡
在真空辅助工艺中 ,一般存在 2 种尺度的树脂 流动 :一种是纤维束之间空隙中的相对宏观流动 ;另 一种是存在于单丝内部的流动 。对于不同结构的增 强体材料 ,产生气泡的形式也不相同 。本文大多结
真空辅 助 成 型 ( vacuum assisted resin infusion , VARI) 工艺是在 RTM ( resin transfer molding) 工艺[1] 基础上发展起来的一种新型复合材料成型技术 ,属 于高性能低成本制造技术 ,工艺灵活 ,能够一次成型 带有夹芯 、加筋的大型结构件 ,是复合材料领域重要 的发展方向之一 。32D 整体夹芯织物增强复合材料 可以减轻高强三维实芯机织复合材料的自重 ,以满 足更多领域的要求[2 - 3] 。本文采用真空辅助成型工 艺研制不同结构的三维整体夹芯机织物增强板材 , 研究表明这种成型方法操作简便 ,可大幅缩减成型
度 。其中 a 、b 、h 通过取 3 次实际测量数值的平均
值得到 , Vk 根据设计的不同夹芯孔形计算得出 ,综
上由式 (3) 、(4) 可以得出 Wm ,再根据环氧乙烯基酯
树脂与 MEKP 和 Cobalt 固化系统的质量比即可求得
·58 ·
纺织学报
第 28 卷
树脂胶液的配比质量 。20 ℃时此树脂的黏度基本 上在0135 Pa·s左右 ,能较好地满足织物对树脂体系
试样 1
经向截面 V形
试样板材尺寸 (长 ×宽 ×厚)Πcm
16 ×16 ×210
试样板材 质量Πg
36815
夹芯体积Π cm3
28116
夹芯体积 分数Π%
5510
纤维质量 分数Π%
4917
纤维体积 分数Π%
3113
空隙率 VvΠ% 5125
2
X形
16 ×16 ×113
37714
6714
2012
5816
收稿日期 :2006 - 05 - 07 修回日期 :2006 - 09 - 22 基金项目 :浙江省科技计划重点项目 (2005C21073) 作者简介 :祝成炎 (1962 —) ,男 ,教授 ,硕士 。主要从事三维织造技术与纺织复合材料 、纺织工程技术 、纺织 CAD 技术等的教学 和科研 。E2mail :chengyanzhu @126. com。
完成组装后的模具见图 2 。
图 2 完成组装后的模具 Fig. 2 Mould used in vacuum assisted resin infusion
2 实验分析
211 树脂胶液配制质量计算
玻璃纤维和基体 854 标准型环氧乙烯基酯树脂 都比较稳定 ,计算复合材料板材体积时不需考虑它 们之间的反应对总体积 、总质量的影响 。故得出 :
Development of 32D integrated and sandwiched fabric composites
ZHU Chengyan , CHEN J unjun , ZHU J unping , TAN Dongyi , XU Guoping
( The Key Laboratory of Advanced Textile Materials and Manuf acturing Technology , Ministry of Education , Zhejiang Sci2Tech University , Hangzhou , Zhejiang 310018 , China)
113 三维整体夹芯织物的结构设计
本文中三维整体夹芯织物结构有经向 V 形 、经 向 X 形 、经向蜂窝形 ,结构见图 1 。这些织物均在普 通二维平面样机上试制 。
图 1 三维整体空芯结构经向截面图 Fig. 1 Warp section structures of 32D integrated cellular woven. (a) V hollow ; (b) X hollow ; (c) Honeycomb hollow
测试参照标准为 GB 1463 —1983 ,室温 ,试样在 水中 , 表面不应附有气泡 , 且在水中时间不超过 1 min 。
测试方法 :从制成的复合材料上切割测试所需
Mm = (1 - Mf ) ×100 % ,ρc 为复合材料的实测密度 ,
ρ f
为玻璃纤维密度
,ρm
为树脂胶液密度 [ 5 ]
。
Vc = Vf + Vm + Vk
(1)
Wc = Wf + Wm
(2)
其中 : Vc 、Vf 、Vm 、Vk 分别为复合材料板材的体积 、玻
璃纤维的体积 、树脂胶液的体积和空芯部分的体积 ;
Wc 、Wf 、Wm 分别为复合材料板材的质量 、玻璃纤维
的质量 、树脂胶液的质量 。
已知 854 标准型环氧乙烯基酯树脂的密度ρ酯 为 1105 gΠcm3 ,10 %MEKP 的密度 ρMEKP 为110 gΠcm3 ,1 % Cobalt 的密度 ρCo 为0185 gΠcm3 ,环氧乙烯基酯树脂与 MEKP 和 Cobalt 固化系统的质量比为 100∶115∶2 ,此 外 ,在混合过程中体积改变较小 ,因此假设混合树脂 胶液体积不变 ,通过计算公式可求得树脂胶液的 密度 :
为符合实验使用的线形 ,对所购置的玻璃纤维 长丝束用锦纶长丝进行包覆 ,其中锦纶长丝的线密 度是156 dtex ,锦纶长丝呈螺旋形包覆在玻璃纤维束
外 ,以形成稳定的线形结构 。在这种线形中 ,锦纶的 体积分数所占比例较低 ,对复合材料固化过程中树 脂的渗透影响甚微 ,且对玻璃纤维在复合材料板材 中的体积分数和质量分数影响不大[4] 。