纤维预制体铺层法向渗透率测定方法及影响因素的研究

论文摘要

本课题来源是国家自然科学基金“树脂膜熔渗成型及质量控制非等温耦合模拟理论与实验研究”,项目编号:50573060。复合材料液态模塑成型(Liquid Composites Molding,LCM)是近年来倍受重视的一类高性能复合材料制作技术,其中树脂传递模塑(Resin Transfer Molding,RTM)和树脂膜熔渗(Resin Film Infusion,RFI)是具代表性的两种工艺。两种工艺中都存在液态树脂对纤维织物的渗透过程,但前者主要在面内渗透,而后者主要沿织物厚度方向渗透。纤维织物的渗透率是影响树脂在其中流动的重要参数,工艺过程中树脂的渗透行为直接影响产品的质量,研究纤维预制体渗透率的测试技术以及对其进行准确测定,对于实际生产过程的工艺参数优化和产品质量控制、以及开展进一步的数值仿真研究都具有重要的意义。本文重点研究了玻璃纤维织物在面内和法向的渗透率测试技术、数据处理方法,以及织物构成形式、孔隙率等因素对渗透率的影响。首先对纤维织物预制体渗透率测试装置进行了设计与加工,设计了两个模具,拟定两种实验方案,分别用于对纤维织物面内渗透率和法向渗透率的测试,结果表明,该装置可以较方便地实现恒压力注射及其渗透率测试。利用自行设计的面内渗透率实验装置,采用并行渗透测量规程,对纤维预制体的面内不饱和渗透率进行了一维实验研究,采用了传统数据处理方法,通过对实验数据的分析处理,计算得到了预制体的平均渗透率。由于在数据处理中用到了实验过程中的多点测量数据,因此可以对整个的充模过程进行很好的描述,渗透率测试结果具有较高的稳定性和精确性。利用自行设计的铺层法向渗透率测试装置,对纤维预制体的铺层法向不饱和渗透率进行了重点实验研究,在实验数据分析与处理中,分别采用了传统数据处理方法、分步法和分段差值法,通过对各种数据处理方法得到的渗透率值并进行比较分析,得出分步法对于不饱和渗透率的测试结果处理更加合理和有效。本文最后分析了纤维织物构成形式和体积含量(或孔隙率)与渗透率的关系。研究表明纤维织物的构成形式对渗透率有较大影响,同种织物形式渗透率随着纤维体积含量的升高而非线性降低,但降低速率随体积含量的升高而逐渐减缓;纤维织物面内非饱和渗透率要远大于铺层法向非饱和渗透率。论文还讨论了毛细作用和边缘效应对渗透率实验测量的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 复合材料液体模塑技术
• 1.1.1 树脂传递模塑技术和树脂膜熔渗工艺的发展
• 1.1.2 RTM和 RFI工艺流程
• 1.1.3 RTM和 RFI的技术特点
• 1.1.4 RTM和 RFI技术中渗透率系数的重要性
• 1.2 国内外关于纤维增强材料渗透率研究的现状
• 1.3 课题研究的意义和内容
• 1.3.1 本文研究的意义
• 1.3.2 本文研究的内容
• 第2章 增强材料渗透率的测定方法及理论模型
• 2.1 充模过程的树脂流动分析
• 2.2 渗透率的计算
• 2.2.1 孔隙率
• 2.2.2 一维渗透率的计算
• 2.2.3 二维面内渗透率的计算
• 2.2.4 三维渗透率的计算
• 2.3 渗透率实验测定方法
• 2.3.1 一维面内渗透率的测定
• 2.3.2 一维铺层法向渗透率的测定
• 2.3.3 一维多模腔渗透率的测定
• 2.3.4 二维面内径向渗透率的测定
• 2.3.5 三维渗透率的测定
• 2.4 不同测试方法的影响
• 第3章 面内非饱和渗透率的实验测定
• 3.1 面内非饱和渗透率
• 3.2 实验方案
• 3.2.1 模具设计
• 3.2.2 实验材料
• 3.3 实验数据处理
• 3.4 实验结果及分析
• 3.4.1 测试点压力随时间变化
• 3.4.2 纤维织构形式、体积含量与渗透率的关系
• 3.5 小结
• 第4章 纤维铺层法向非饱和渗透率的实验测定
• 4.1 实验材料
• 4.2 实验研究内容
• 4.2.1 渗透率测试装置
• 4.2.2 渗透率测试
• 4.3 实验数据处理
• 4.3.1 传统方法
• 4.3.2 分步法
• 4.3.3 分段差值法
• 4.4 实验结果及其分析
• 4.4.1 注射口压力
• 4.4.2 三种数据处理方法比较
• 4.4.3 相同的体积百分含量不同初始注射压力实验
• 4.4.4 相同初始注射压力不同纤维体积百分含量实验
• 4.4.5 边缘效应影响
• 4.4.6 其它因素对渗透率影响
• 4.5 一维平面内和一维铺层法向的渗透率比较
• 4.6 小结
• 第5章 总结与展望
• 参考文献
• 附录1
• 附录2
• 致谢