真空导入模塑工艺纤维预成型体厚度变化和流体压力变化研究进展

纤维预成型体厚度控制问题是真空导入模塑工艺(Vacuum infusion molding process,VIMP)面临的主要挑战之一。综述了国内外关于纤维预成型体压实回弹特性和渗透率特性的研究进展,介绍了VIMP工艺在一维线性流动和二维径向流动时厚度变化的理论模型,分析了流体压力特性方程的求解、流体压力场的分布和流体压力对厚度的影响,指出了Correia推导过程中存在的问题并进行了修正,总结了厚度变化对VIMP工艺及复合材料制品的影响,并对VIMP工艺厚度变化的理论研究和工艺控制进行了展望。     

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。      

真空导入模塑成型工艺的研究进展

真空导入模塑成型工艺(VIMP)因其具有低成本、环保和适于大型制件一次整体成型等优点而成为复合材料成型制备领域的研究热点,并已广泛地应用于船舶舰艇、风电叶片以及建筑工程材料的制造等领域。介绍了VIMP的工艺原理、特点和技术要求,综述了VIMP工艺中树脂流动行为的研究进展以及VIMP工艺的应用进展,并展望了VIMP工艺的研究方向。     

VIMP中结构拐角对纤维预成型体渗透特性的影响

采用真空导入模塑工艺(VIMP)制备纤维增强聚合物基复合材料多墙结构件时,多墙体拐角处的纤维弯曲变形可能导致多墙体局部渗透特性发生变化。通过可视化流动实验考察了拐角对多墙体渗透特性和树脂流动行为的影响。结果表明:无论是否使用导流介质,多墙体中的拐角对树脂流体在VIMP灌注过程中都具有局部阻力作用,降低了树脂充模流动速度和多墙体整体表观渗透率,即存在拐角效应;拐角处铺放导流介质能有效降低拐角效应;随着拐角到注胶口的距离增大,整体表观渗透率表现为先下降后上升。     

真空辅助成型工艺中预成型体的厚度变化与过流控制

采用无接触式电涡流位移传感系统, 对真空辅助成型工艺中预成型体的厚度变化进行了实时监测。揭示了该成型工艺过程中预成型体的厚度变化规律, 并考察了树脂过流控制时间对制件厚度与纤维体积含量的影响。结果表明, 在整个工艺过程中预成型体的厚度变化可分为三个阶段: 在树脂浸入后, 预成型体厚度迅速增加; 在树脂过流控制阶段, 预成型体厚度变化较小且保持在较高水平; 在树脂管关闭后, 预成型体厚度迅速下降并逐渐趋于稳定。制件厚度与树脂过流控制时间的变化关系类似于正弦曲线, 在树脂过流控制时间约为10 min时, 纤维体积分数最低, 较无过流控制降低1.7%; 在树脂过流控制时间约为40 min时, 纤维体积分数最高, 较无过流控制提高1.6%。     

导流介质对真空导入模塑工艺树脂流动行为的影响

采用可视化流动实验方法研究了高渗透率导流介质对真空导入模塑工艺中树脂流动行为的影响。结果表明: 导流介质能较大幅度地减少树脂的充模流动时间, 且充模时间随着导流介质使用比例的增加而呈线性减少的关系; 导流介质的提速作用随着预成型体厚度的增加而逐渐减弱; 预成型体上下表面树脂流动前沿位置差距与预成型体厚度呈良好的线性增加关系, 说明导流介质的影响作用具有明显的厚度效应。厚度效应原理为真空导入模塑工艺过程的参数优化和保证制品质量提供了理论依据。      

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。      

真空导入模塑工艺树脂体系化学流变特性及流变模型

采用DSC热分析技术和黏度实验方法,研究了真空导入模塑工艺专用不饱和聚酯树脂体系(Palatal1777-G-4)的固化特性和化学流变特性,建立和对比了树脂体系的修正双阿累尼乌斯流变模型和工程黏度模型,并依据所建立的流变模型预报 Palatal1777-G-4树脂体系的真空导入模塑工艺操作窗口。对比结果表明：修正双阿累尼乌斯流变模型和工程黏度模型分别能较好地反映树脂体系凝胶点前的低黏度平台特性和凝胶点后的黏度变化规律,结合两模型可有效模拟树脂体系在不同工艺条件下的黏度行为,准确预报树脂体系的低黏度平台工艺窗口,为优化真空导入模塑工艺参数和保证制品质量提供科学依据。模型预测结果表明,Palatal1777-G-4 树脂体系在20～38℃温度范围内满足真空导入模塑工艺操作的基本要求,黏度低于300 mPa·s的工艺操作时间长于30 min。     

织物预成型体的可压缩性研究

研究了预定型织物在压实阶段的可压缩性,涉及压缩过程中纤维体积含量的变化特点.结果表明,预定型织物对压缩载荷的响应方式与织物层数及定型剂含量有关,织物层数的增加,相同载荷作用下易于获得较高的纤维体积含量;预定型处理降低了织物的可压缩性,随定型剂含量的增加,最终获得的纤维体积含量表现出下降的趋势;在实验施加的压缩载荷作用下,预定型织物的压实后纤维体积含量趋于一致,与压缩织物的层数关系不明显,但仍然受定型剂含量影响.     

非晶硅酸铝纤维晶体化对纤维预制体真空过滤成型性的影响

本文研究了两种非晶硅酸铝纤维经热处理产生的莫来石晶相(3Al₂O₃·2SiO₂),纤维截面上Al+3、Si+4和O-2分布变化规律,以及它对纤维预制体真空过滤成型性的影响,并阐明其机理。结果表明:晶体化热处理后,非晶纤维出现占重量约50%的莫来石相,其余为非晶相;晶体化过程中,纤维截面上距表面约400A的薄层内,伴随人Al+3,Si+4和O-2分布变化,表面薄层富集Si+4,即SiO₂。这些变化,为单根纤维抗拉强度下降三分之二左右的原因;经热处理、机械打断和湿过程处理后,纤维的平均长度明显降低,环状预制体自由形成表面的粗糙度Ra急剧下降,内表面光滑圆整,真空过滤成型性比原始纤维好得多。     

VIP工艺中L型构件渗透规律的实验研究

VIP(Vacuum Infusion Process)作为一种新型的低成本液体模塑成型技术由于具备一系列优点已广泛应用于大型复合材料零件的生产中。不同于平板构件,VIP工艺中L型构件的渗透特性在各个部分并不均匀。本文通过对L型构件预成型体渗透率进行实验研究,得到了三种几何结构的L型预成型体的渗透规律,由于拐角处纤维被压实使得L型构件的渗透率比相同铺层和相同工艺下平板构件的渗透率小;并采用几何平均方法分析了L型预成型体拐角处的渗透率,对异型结构件VIP工艺的实施具有一定的指导作用。     

Mold Filling Analysis in Vacuum Infusion Molding Process Based on a High-Permeable Medium

The objective of this paper is to understand the flow mechanism through visualization experiments and discuss theinfluence of process parameters on mold filling process. A 2D leakage flow model is developed to simulate the moldingprocess, and the simulation results show good agreement with experiments.     

Mold Filling Analysis in Vacuum Infusion Molding Procoss Based on a High-Permeable Medium

The objective of this paper is to understand the flow mechanism through visualization experiments and discuss the influence of process parameters on mold filling process. A 2D leakage flow model is developed to simulate the molding process, and the simulation results show good agreement with experiments.     

Analysis of the Edge Effect on Flow Patterns in Liquid Composites Molding

In liquid composites molding, the cutting of the fiber preform is often not sufficiently precise leaving a small clearance between the reinforcement and the mold edges. This clearance creates a preferential flow path for the resin which may disrupt the filling of the mold cavity. Experience has shown that even a small clearance of 1 or 2 mm could have a significant effect, especially if the preform has a high fiber content. A model is thus needed to predict this channeling effect in order to take it into account in computer simulations of the mold filling process.This paper presents a model to describe this phenomenon. The idea is to characterize simultaneously the flow in the channel and through the reinforcement. The model is derived using Navier–Stokes equations in the open channel and Darcy's law in the porous preform. From this model, an equivalent porous medium was defined for which an equivalent permeability tensor can be computed as a function of the channel geometry. Numerical simulations performed with the computer software RTMFLOT developed in our laboratory have shown that in some limit cases, i.e., a large channel (5–6 mm) or for very low porosity reinforcements, the transverse flow from the channel to the preform can be neglected in the model while still obtaining quite a good prediction of the flow edge effect. In other cases, however, namely for a clearance of intermediate size (2–3 mm) which is the most common case in RTM, or for a higher porosity of the reinforcement, the transverse flow from the channel to the rest of the preform must be taken into account. Experimental data to validate the proposed model are also presented.     

厚截面复合材料固化热-化学行为及残余应力研究进展

综述了厚截面复合材料固化热化学行为、残余应力以及力学性能厚度效应的研究进展,重点阐述了厚度效应对材料固化温度场和固化度分布的影响、厚截面复合材料残余应力的理论和实验研究进展,同时还介绍了一种适用于测量厚截面复合材料残余应力的方法——深孔法,并在此基础上对厚度效应的研究前景进行了展望。     

Mechanical Properties of Stitched Multiaxial Fabric Reinforced Composites From Mannual Layup Process

This paper summarizes the consolidation behavior of E-glass stitched multiaxial non-crimp fabrics (NCFs) and the mechanical properties of the resulting composites from the manual layup process. NCFs offer many advantages over conventional woven and nonwoven fabrics in terms of processibility and properties. The reinforcement structures studied include six NCFs with different fiber orientation combination, number of sub-ply layers, and unit weight. The compressive and recovery behavior of the dry preforms is evaluated and related to their processibility in the hand lay-up process. Mechanical properties of specimens from the hand layup process are evaluated in tensile, compressive, and flexural tests. The test results and failure mechanisms are reported. The effect of consolidation quality on the mechanical properties is discussed.