液体模塑成型工艺用纤维织物厚度方向饱和渗透率的预测模型液体模塑成型工艺用纤维织物厚度方向饱和渗透率的预测模型

树脂在复合材料预成型体厚度方向的渗透能力对复合材料液体模塑成型工艺（LCM）的成功实施至关重要。本文采用连续加载的方式,研究了玻璃纤维增强树脂基复合材料液体成型过程中多轴向无屈曲织物（NCF）和斜纹织物（WF）的压缩响应行为,并建立描述该行为的数学模型。采用自制测试装置对预成型体在重力等不同注射压力驱动下的厚度方向渗透率进行测试,考察了预成型体纤维体积分数、测试流体注射压力等对预成型体厚度方向渗透率K_z的影响。基于预成型体压缩响应数学模型和厚度方向渗透率与注射压力的关系,对Kozeny-Carman公式进行修正,提出了变注射压力条件下的厚度方向渗透率预测模型。结果表明:预成型体厚度方向渗透率随着纤维体积分数的增大而减小,与Kozeny-Carman方程结果相符合。当纤维体积分数为0.42≤V_f≤0.58时,注射压力对厚度方向渗透率影响较大,实验结果验证了本文提出的预测模型;当纤维体积分数V_f≥0.58时,注射压力对厚度方向渗透率影响较小,厚度方向渗透率趋于恒定。      

真空导入模塑工艺中织物预成型体的可压缩性

采用真空加载方法研究了循环加载、织物形态、纤维种类、织物层数、铺层方式和混杂方式等参数对真空导入模塑工艺(VIMP)中纤维织物预成型体压缩行为的影响。结果表明: 预成型体纤维体积分数随着压缩循环加载次数的增加而逐渐增大, 但增幅呈现逐渐减小的趋势; 在相同的压缩载荷下, 预成型体的纤维体积分数随着织物层数的增加而增大, 但增幅很小, 对于VIMP制备复合材料构件基本可以忽略; 纤维预成型体在压缩载荷下的响应方式与织物形态、纤维种类、铺层方式和混杂方式等因素密切相关, 单向铺层比正交铺层更容易压缩而获得较高的纤维体积分数, 夹芯混杂比层间混杂方式更容易压缩。      

织物预成型体毛细作用研究

研究了不同定型剂含量、纤维体积分数的三种织物的毛细作用,运用达西定理由非线性回归法得到了纤维织物的毛细压力和渗透率的解析值.并由实验结果分析了定型剂含量、纤维体积分数对不同种类织物的浸润的影响规律.研究结果表明:织物的毛细渗透速度主要是由毛细压力决定;在本实验范围内渗透率随Vf的增加而线性下降,而毛细压力和渗透速度随Vf的增加呈现了一个先减小后增大的过程;定型剂的加入使织物的毛细压力减小,使SW280和3186两种缎纹布渗透率略有减小而G827单向布的渗透率增大.     

不同纤维堆积状态下饱和渗透率实验研究

通过调节压力控制纤维体积分数, 用单向饱和流动法对纤维层厚度方向的饱和渗透率进行了测定。考察了纤维体积分数随压力的变化规律, 并分别研究了纤维体积分数、纤维层数、铺层方式和纤维种类对渗透率的影响。结果表明, 当纤维体积分数超过某临界值后其值随压力增大的幅度减小。单向和正交铺层时层数变化对渗透率没有影响, 而平纹布渗透率随着纤维层数的增加而减小。此外, 纤维种类的改变对渗透率有明显影响。      

“离位”增韧预成型体压缩特性

针对"离位"增韧预成型体的液态成型工艺性,研究了两种不同结构形式增韧层"离位"增韧预成型体的厚度压缩特性。分别采用多孔薄膜结构增韧层、高孔隙率无纺布结构增韧层与碳纤维织物交替铺层制备"离位"增韧预成型体,采用力学试验机测试其厚度压缩特性。实验结果表明,预成型体压缩过程中,在相同压力水平下,增韧层的引入会降低预成型体的纤维体积分数;不同压力水平下,预成型体的压缩行为与增韧层结构形式有关。此外,采用织物预成型体厚度压缩本构模型,对"离位"增韧预成型体的压缩厚度进行了预测,通过模型预测值与实验值的比较,确定了模型中的经验指数k=2时,两者吻合较好。     

树脂传递模塑成型工艺中嵌套效应引起渗透率变异的实验与数值模拟

树脂传递模塑成型工艺(RTM)中最重要的变形模式之一是厚度方向压缩。厚度方向压缩减小了织物预成型体的厚度,使织物预成型体局部结构形式发生改变从而引起嵌套效应。嵌套效应不仅会减少织物预成型体的厚度,增加纤维的体积分数并改变孔隙率,而且相邻织物层嵌套效应具有一定的空间分散性,从而使得织物预成型体渗透率具有变异性。本文针对低黏度树脂设计了一种实验装置用以测量局部渗透率的空间分散性,随后建立了随机嵌套单胞模型,利用ANSYS/CFX有限元软件实现了单胞填充浸润的数值模拟,通过流量分析获得局部渗透率,并研究了渗透率的统计分布。通过实验结果与数值模拟结果相对比,验证数值模拟结果的可靠性。最后,基于渗透率的统计分布建立了随机渗透率场,并进行填充浸润的数值模拟,通过与传统恒定渗透率的方法进行比较,证明该方法具有更高的先进性。研究结果可以对未来RTM工艺的稳健性优化提供依据。      

功能预制结构织物(ES-Fabric~(TM))渗透特性研究

比较了不同纤维体积含量的功能织物毛细渗透高度、毛细压力以及渗透率的大小,通过测试功能织物的渗透性能,研究了定型剂及增韧剂含量、注射压力、铺层方式以及增韧剂涂覆方式对其渗透率的影响。结果表明,毛细压力由纤维体积分数和涂覆颗粒的相互作用决定;在高纤维体分时各种状态的功能织物的毛细压力相差不大,渗透率趋于一致;[0/90]5,[0]10,[45/0/-45/90]2S等不同的铺层方式对面内渗透率Kx,Ky有一定的影响;添加定型剂后的功能织物更趋于各向同性;在相同增韧剂含量的情况下,单面涂覆功能织物的渗透率大于双面涂覆功能织物,这种差异随着体积分数的增加而减少。     

z向流动RTM工艺树脂的流动浸润行为

研究了层间“离位”附载多孔薄膜结构形式增韧层的大厚度纤维预成型体中等代流体（树脂）沿预成型体厚度方向（z向）的流动行为,通过压力传感器监测z向流动RTM（z-RTM）工艺注射过程中进、出胶口压力的变化规律,进一步反推树脂在层间“离位”增韧与非增韧预成型体中的宏观流动及微观浸润模式。结果表明,在 z-RTM工艺注射过程中,树脂在沿纤维束间z向快速流动的同时完成对纤维丝束内部的浸润。层间“离位”附载的增韧层虽延缓了树脂的宏观流动,但使流动前锋曲面更加平滑。层间“离位”增韧预成型体z向渗透率为3.5×10^-15m²,与非增韧预成型体的z向渗透率2.9×10^-14m²相比,降低约一个数量级。     

预成型体渗透率预测及其受压缩变形的影响

建立了织物预成型体单胞内纱线间细观流动和纱线内部微观流动的统一的数学模型。基于最小势能原理建立了织物松弛状态下的单胞几何模型,同时对在模具压缩下的单胞变形进行了分析,并建立了不同压缩状态下的单胞几何模型。通过对单胞内树脂流动数学模型的数值求解,获得了流动速度场及压力场,进而预测了预成型体的渗透率。预测1组不同压缩状态下的单胞渗透率,研究了预成型体压缩变形对渗透率的影响。结果显示:随着压缩量的增加,其渗透率逐渐降低。通过实验测量及数据分析,验证了建模和预测方法的正确性。     

国产CCF300碳纤维单向织物液体成型工艺性及其复合材料力学性能

选取国产碳纤维CCF300所制备的2种单向织物,单向无纬织物U3160及单向无屈曲织物KUC160,分别对其预成型体进行压缩特性和渗透特性测试,以研究2种单向织物的液体成型工艺性,并采用树脂传递模塑(RTM)工艺制备2种单向织物/双马来酰亚胺树脂基复合材料,测试并对比其面内力学性能。结果表明:预成型体压缩试验中,嵌套效应受压力及织物层数影响较大,压力越高、层数越多,嵌套效应越显著。U3160织物的嵌套效应较KUC160织物更为明显,在较高压力下,KUC160织物预成型体的纤维体积分数较U3160织物的下降了约20%。渗透率测试结果表明:相比U3160织物,KUC160织物0°方向的渗透率较高,而90°方向的渗透率有所降低;这是由于经编线的绑缚作用能促进0°方向的宏观流动,而阻碍90°方向的微观渗透。此外,KUC160织物的经编线与U3160织物的纬向纱线的导流作用也对渗透率有影响。力学性能试验结果表明:相比U3160织物增强复合材料,KUC160织物增强复合材料0°方向的拉伸、弯曲和压缩性能均有所下降,拉伸强度和弯曲模量降幅最大,分别约为11%和21%;而层间剪切强度有小幅提高,增幅约为8%。      

预定型机织物剪切变形实验研究

在改进像框实验的基础上,对斜纹和缎纹预定型碳纤维织物的剪切性能进行了实验观察。研究发现,预定型机织物的剪切机制与织物剪切相似。根据实验结果,从定型剂的浓度和织物结构分析了预定型织物的剪切性能。随着定型剂浓度提高,织物的折皱角越大,织物剪切性能越差;与预定型斜纹织物相比,预定型缎纹织物相对较容易成型,剪切载荷较小。利用立式显微镜观察剪切过程中纱线宽度的变化,拟合得到了宽度变化方程,建立预定型机织物的折皱角模型,预测结果与实验结果误差在2°内,证明了该模型的有效性。     

铺层方式对织物渗透率的影响

增强材料的渗透率是研究和模拟RTM工艺的关键参数。采用单向玻璃纤维织物,在恒定的注射压力下,通过记录树脂在织物内流动前缘椭圆长、短轴随时间的变化,利用Darcy定律测定了不同铺层方式下织物的渗透率,研究了铺层方式对织物渗透率的影响。实验证明,铺层方式改变时,织物的渗透率大小和主轴方向发生改变,其关系符合椭圆的叠加原理。      

层间纳米纤维膜对玻纤预制体渗流特性的影响

为了研究层间纳米纤维膜对玻纤织物渗流特性的影响,使用超景深三维显微镜表征了纳米纤维含量对玻纤织物微观结构的影响,采用径向法测量了纳米纤维膜夹层玻纤织物预制体的渗透率,重点分析了纳米纤维含量对玻纤织物预制体渗流模式的影响。结果表明:玻璃纤维束间的毫米尺度区域被纳米纤维膜填充而离散成微米尺度区域;预制体孔隙率及渗透率值均随着纳米纤维含量的增加而减小;随着纳米纤维含量的增加,复合预制体表现出的各向异性程度逐渐减小;树脂宏观流动前沿内部分饱和区域面积比例随纳米纤维含量的增加而增大;相同纳米纤维含量预制体的部分饱和区域面积比例随注入时间的增加呈先增大后减小趋势。     

Analysis of Transversal Permeability for Different Types of Glass Fiber Reinforcement

In some of the new processes to produce elements in composite materials, the innovation is due to the fact that the resin flow is perpendicular to the plane of the reinforcement during the impregnation.So a very important parameter is the transversal permeability of the reinforcing materials used in these processes. In fact for a high value of this parameter it is possible to increase the product quality and to reduce the process time.In this work, using Darcy's law and a particular permeameter, the transversal permeability of preforms constituted by fabric and mat layers of fiber glass has been valued for different injection pressures. In particular, the permeability of two types of preform, consisting respectively of only mat layers and of only fabric layers, have been determined by tests and calculated by Kozeny–Carman equation. The research has been also focalised on the evaluation of the permeability of preforms constituted by a mix of the two different types of reinforcement. Furthermore an analytical model has been studied to calculate the permeability of preforms consisting of layers of different reinforcement types, starting from the permeability data characterizing the single reinforcement type and determined by the tests or by Kozeny–Carman equation.     

基于数字图像技术的纤维织物面内渗透率表征

材料渗透率的表征受其结构空间离散性和求解方式准确性的严重影响。基于数字图像技术,评估了纤维织物渗透率的空间分布,并探讨了阶梯铺层对灌注工艺的影响。首先,从恒压单向注射实验的视频流中动态提取了流动前沿的流速分布和流动前沿角,通过织物渗透率与结构的关系仅一次实验便可求得纤维织物的面内局部渗透率分布;其次,利用正态分布函数拟合,建立了基于数字图像技术的纤维织物面内主方向渗透率张量的求解方法,并利用该方法研究了编织形式对渗透率的影响;最后,研究了阶梯铺层和恒定铺层对灌注过程的影响。结果表明:建立的基于数字图像技术的渗透率表征方法可以通过一次实验同时获取面内主方向上的渗透率及其空间离散型;在恒定铺层下缎纹织物渗透率随着纤维层数增大而增大,从厚铺层向薄铺层的灌注方式可以达到最优的灌注时间。      

定型剂对单轴向经编织物复合材料力学性能影响的试验研究

研究了真空辅助树脂注射（VARI）工艺中定型剂对环氧树脂的影响及其在织物表面的分布形式,以及定型剂用量对单轴向经编织物复合材料力学性能的影响,以确定最优的定型参数。采用示差扫描量热法（DSC）和扫描电镜（SEM）分别对加入不同用量定型剂的环氧树脂的玻璃化转变温度和相形貌进行分析,并测试了加入不同用量定型剂后复合材料的力学性能。结果表明：随着定型剂用量的增加,环氧树脂的玻璃化转变温度逐渐降低,且其相形貌逐渐由海岛结构经过双连续相结构到最后的相反转结构;室温下,随着定型剂用量的增加,织物表面定型剂的厚度及不均匀性增加,经过高温处理后,定型剂均匀分布在织物表面。定型剂用量对单轴向经编织物复合材料力学性能有较大影响,用量为20 g/m²时,复合材料体系的综合力学性能最优。     

2.5维机织物剪切性能实验研究

本文基于2-2带衬经结构的层-层正交角联锁织物结构优势,织造了7种不同规格参数的角联锁织物和一种三向正交结构的织物,利用像框实验分析了纬纱密度、纬纱细度、织物层数和不同种结构织物对剪切性能的影响。研究发现,织物中纱线密度越大,其所需的载荷越大,达到锁紧角的时间就越短;载荷随着织物层数的增加而增加;纱线细的织物,其所需载荷也小;相同参数的角联锁织物与三向正交织物的剪切性能基本没有太大差别。     

In-plane permeability of sheared fabrics

Shear is the main mode of deformation in the draping of fabrics over complex mould geometries in composites manufacturing. Hence, the measurement and prediction of the in-plane permeability of sheared fabrics is a crucial task for the design of resin transfer moulding and other composites processing techniques of complex shaped articles. A mathematical model has been developed and applied to predict the in-plane permeability in the two principal directions and the angle of the flow ellipse for sheared assemblies of bi-directional woven fabrics that are in-plane isotropic to flow when unsheared. Modelling was accompanied by in-plane permeability measurements for unsheared and sheared woven fabric assemblies, and a comparison of this experimental permeability data with the proposed model proved encouraging. A study into the change of the areal density of different woven fabrics with shear angle has also been included.     

Processing of Sisal Fiber Reinforced Composites by Resin Transfer Molding

In this paper, a linear flow model based on Darcy's law was used in the experiment to measure permeability of sisal textile. The Kozeny-Carman equation was employed to predict the permeability of sisal textile and the Kozeny constant was calculated through experimental results. Both experimental and predicted permeability values of sisal textiles were compared. Effects of fiber surface treatments and fiber volume fraction on the permeability of sisal textile were also studied in this research. Comparisons of mechanical properties of sisal-textile-reinforced composites manufactured by different processing technologies were made.     

Simulation and Experimental Validation of Spacer Fabrics Based on their Structure and Yarn’s Properties

Warp-knitted spacer fabrics are considered, which are plates or shells composed of two knitted plane layers connected by vertical beams. Our aim is to compute the effective stiffness and permeability of such spacer fabrics on the basis of their structure and properties of yarns and the monofil. In order to reduce the computational effort and simplify the computational model, homogenization and dimension reduction techniques are applied. They replace the fabric by an equivalent two-dimensional plate or shell with effective elastic properties. To compute the effective permeability, the fluid simulation is done on the fully resolved micro-structure. The paper demonstrates the algorithm on application examples. We compute the elastic properties of a spacer fabric and its effective permeability for different outer-plane compression stages. Numerical examples were performed by applying the multi-scale simulation tools, developed at Fraunhofer ITWM and by comparing with the corresponding experimental results, based on measurements performed at the TU Dresden. The developed algorithms and simulation tools enable a full virtualisation of the material design adapted to exposure scenarios in various technical application cases, i.e. infiltration processes with polymers in the field of fiber reinforced composites, which enables new discoveries for the designing and manufacturing process of 3D warp-knitted spacer fabrics.