2.5维机织增强材料渗透率的测量与分析

论文摘要

树脂传递模塑(Resin Transfer Molding,RTM)工艺是一种制造高性能纤维增强复合材料的先进技术,具有成本低、成型速度快、产品质量好、对环境污染小以及能够制造大型复杂结构构件等优点,因此在航空航天和交通运输领域得到了广泛应用。2.5维机织结构复合材料是机织结构复合材料又一新的发展方向。随着机织复合材料的深入研究,2.5维机织复合材料的研究获得了飞速发展,引起了材料研究领域的广泛重视。渗透率是2.5维增强材料的一个固有属性,它描述了充模过程中2.5维增强材料对树脂流动的阻碍作用,精确描述树脂在2.5维增强材料中的渗透特性,对优化模具设计、充模过程数值模拟、保证产品质量等方面至关重要。由于用理论解析的方法获取渗透率还处于初步发展阶段,求解结果与实际渗透率相差也较大,而且具有很大局限性,因此,在实际生产中2.5维增强材料的渗透率通常通过实验测量的方法来获得。本文以四种不同体积含量的2.5维玻纤增强材料作为研究对象,采用RTM充模原理,利用单向法和径向法相结合的方法测量了其渗透率,并将图像处理技术应用于渗透率的测量过程中。结果表明2.5维玻璃纤维织物的渗透率为各向异性,主渗透率方向平行于织物纬向,并且体积含量对2.5维机织增强材料的影响很大。渗透率测量过程中的影响因素很多,例如注射压力、流动速度、流体特性、纤维微观结构、纤维体积分数、模具结构等。弄清其中的一些参数对渗透率测量值大小影响的规律,并做到能够设计、控制这些因素,将会对控制复合材料的生产效率和产品质量有很大的帮助。为了分析充模参数对渗透率测量值大小影响的规律,本文通过正交实验分析了纤维体积含量、注射压力、流体粘度和模具宽度对2.5维机织增强材料渗透率影响的主次顺序,并得出渗透率随各因素的变化趋势。结果表明:随着织物的体积分数的增加,渗透率的测量值迅速减少;注射压力对充模渗透率影响也较明显,注射压力越大,充模渗透率越大;粘度对渗透率测量值的影响较小,粘度增大,渗透率测量值有增大趋势,但不明显;模具宽度对渗透率测量值在影响较小。本课题的研究为2.5维机织复合材料RTM工艺成型过程中的工艺参数设计提供了一定的客观依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的目的和意义
• 1.1.1 纺织结构复合材料的应用与发展
• 1.1.2 RTM 模塑成型工艺发展概况
• 1.1.3 机织增强材料渗透率测量的现实意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 有关2.5 维机织增强材料的研究
• 1.2.2 机织增强材料渗透性能的研究
• 1.2.2.1 理论研究
• 1.2.2.2 实验研究
• 1.3 本课题研究的主要内容
• 第二章 2.5 维机织增强材料的结构特点及应用
• 2.1 2.5 维机织增强材料的几何结构
• 2.2 2.5 维机织增强材料的织造
• 2.3 2.5 维机织复合材料的特点
• 2.4 2.5 维机织复合材料的应用
• 第三章 机织增强材料渗透率测量的理论基础
• 3.1 RTM 渗流的基本理论
• 3.1.1 Darcy 定律
• 3.1.2 树脂流动基本微分方程
• 3.1.3 RTM 一维流动模型
• 3.1.4 RTM 二维流动模型
• 3.2 渗透率的测量方法
• 3.2.1 单向流动法测量
• 3.2.2 径向流动法测量
• 第四章 2.5 维机织增强材料渗透率的测量
• 4.1 实验材料及装置
• 4.1.1 实验材料
• 4.1.2 实验装置
• 4.2 主渗透率方向确定
• 4.3 单向法测量
• 4.3.1 理论推导
• 4.3.2 图像采集与处理
• 2/t 的求解'>4.3.3 A²/t 的求解
• f体积含量求解'>4.3.4 纤维 V_f体积含量求解
• 4.4 渗透率测量结果与讨论
• 4.4.1 实验结果
• 4.4.2 结果讨论
• 4.4.2.1 流体流动过程讨论
• 4.4.2.2 不同方向的渗透率
• 4.5 小结
• 第五章 RTM 充模参数对渗透率测量值影响的分析
• 5.1 实验方案
• 5.2 实验结果及讨论
• 5.2.1 实验结果
• 5.2.2 结果分析
• 5.3 充模参数对渗透率测量值影响
• 5.3.1 体积分数与渗透率测量值的关系
• 5.3.2 注射压力与渗透率测量值的关系
• 5.3.3 流体粘度与渗透率测量值的关系
• 5.3.4 模具的宽度与渗透率测量值的关系
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的论文