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.     

织物预成型体厚度方向渗透特性研究

以达西定律为基础,研究了不同类型织物的织物层数、定型剂质量分数以及铺层角度对织物预成型体厚度方向上渗透性能的影响.实验结果表明,在一定的定型剂质量分数下,测试流体在垂直方向上的流动基本为稳态流动,大体受Darcy定律控制.随着织物层数的增加,流体流速减小,预成型体厚度方向渗透率逐渐增加.随定型剂质量分数的增加,厚度方向渗透率表现出先增大而后又减小的趋势,而且织物的铺层角度对预成型织物厚度方向渗透率也具有较大影响.     

纤维堆积体厚度方向浸渗特性

使用自行设计的夹具对纯树脂沿纤维织物厚度方向的毛细浸渗行为进行了初步研究。通过改变温度、纤维体积分数、纤维类型以及铺层方式,研究了树脂对纤维织物的毛细浸渗规律,并研究了纤维表面浸润剂的影响。结果表明:升高温度和减小纤维含量均有利于提高浸渗速率;而铺层方式的改变对浸渗规律的影响甚小。      

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。      

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.     

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。      

真空压力下树脂沿织物铺层厚度渗透速率

为了考察树脂膜熔渗(RFI)工艺过程中树脂在高温条件下沿织物铺层厚度方向的不饱和渗透特性, 应用自行设计的测试系统, 考察了液体沿织物铺层厚度方向流动前锋的影响因素, 测试并分析了液体沿玻璃纤维铺层厚度方向渗透速率的主要影响因素及其变化规律。结果表明, 液体沿纤维织物厚度方向流动为宏观上的一维流动。 真空压力增大、 树脂温度升高、 纤维体积分数减小, 均可使液体的渗透速率加快。另外, 对比发现, 70℃ E-51 环氧树脂沿玻璃纤维铺层厚度方向的渗透特性与室温下硅油的渗透特性基本相当。      

铺层方式对CFRP-Al单搭接接头胶接性能的影响

使用热压罐制备[45/-45]_4s、[0/90]_4s和[0/45/-45/90]_2s三种铺层方式的CFRP层合板,然后在室温下与Al胶接制备出单搭接试样。使用电子万能试验机、数字图像相关法(DIC)和扫描电子显微镜(SEM)等手段测量胶接接头的拉伸载荷-位移曲线和应变分布并观察断口形貌。基于试验数据分析不同铺层方式下CFRP-Al单搭接接头的拉伸性能,研究了铺层方式对CFRP-Al单搭接接头胶接性能的影响和铺层方式胶接接头的破坏机制。结果表明,在拉伸过程中[45/-45]_4s试样出现塑性变形阶段其拉伸位移最大,而[0/45/-45/90]_2s和[0/90]_4s试样的拉伸位移较小且发生了脆性断裂。铺层方式从[45/-45]_4s到[0/45/-45/90]_2s再到[0/90]_4s,试样的极限载荷和纤维束断裂数量增加、层间剪切力减小、应变集中程度和分层破坏程度降低。     

复合材料带筋壁板预成型体压缩性与渗透性对树脂流动的影响

以航空碳纤维增强树脂基复合材料典型结构件带筋壁板为研究对象,通过对U3160单向织物的组织结构进行分析,根据纤维束的受压变形状态对其压缩响应进行理论建模,然后以纤维束压缩模型为基础,预测了U3160单向织物按0°/45°/90°/-45°铺层时预成型体在压缩应力作用下厚度变化的响应行为。建立了压缩应力作用下纤维预成型体的渗透率解析模型:在织物压缩模型的基础上,建立了纤维束等效渗透率模型;根据张量理论,分别建立了0°、±45°和90°铺层织物等效渗透率模型;运用渗透介质串并联关系,建立了带筋壁板各特征区域渗透率综合表征模型。基于PAM-RTM流动模拟软件,进行分区渗透率定义,在充模过程中对树脂在带筋壁板预成型体中的流动行为进行模拟,优化工艺参数,确定出最终充模方案,并制作带筋壁板实验缩比件进行成型实验,验证了充模方案的合理性。研究结果为制件的成功制作提供理论依据,从而指导生产实践。      

A Theoretical Study of the Pressure for Liquid Metal Infiltration of a Fiber Preform

A theoretical model has been established for calculating the infiltration pressure of metal melt into the preform of ceramic fibers according to the basic principle of hydromechanics. There are three forces acting on the infiltration process in the model, i.e. viscous friction, capillary force, and gravity The effects of the volume fraction of fibers (Vf) and infiltrating depth on the infiltration pressure are discussed. The results show that the infiltration pressure increases with the increase of fiber volume fraction and infiltration depth. There is a linear relationship between infiltration pressure and infiltiation depth. The effect of gravity on the infiltration pressure can be ignored     

基于单向流动研究三维编织预制件的渗透性

采用单向法测量了三维编织预制件的饱和与不饱和渗透率, 从渗透率实验确定了毛细压力, 研究了纤维体积分数对饱和、不饱和渗透率的影响。分析了编织参数、注入压力对渗透率测量的作用, 以注入压力Pm 为x轴, 以相同的某一段时间所到达的流动前沿的平方( x2 ) 为y 轴作图, 并拟合成直线, 该直线与x 轴的水平截距即为毛细压力。实验结果表明: 随着纤维体积分数的增加, 饱和渗透率与不饱和渗透率均降低, 且饱和渗透率大于不饱和渗透率; 编织结构影响渗透率, 不饱和渗透率随着编织角的增加而减小; 准确的渗透率的测试结果不依赖注入压力, 开始阶段渗透率值较大, 随着充模距离的增加, 渗透率逐渐降低, 并趋于稳定值。      

测试条件对集束纤维单向渗透率的影响

为掌握渗透率测试的影响因素,自行研制了单向纤维集束的浸渗特性测试系统,对比了液体沿单向纤维集束的饱和与非饱和渗透特性,分析了不同压力作用形式、纤维体积分数、液体种类对非饱和渗透率测试结果的影响。结果表明：相同条件下纤维集束的饱和渗透率大于非饱和渗透率测试结果;当外压较小时毛细作用对非饱和渗透率测试结果的影响显著;当纤维体积分数增加时集束纤维的渗透率呈减小趋势;相同压力差下真空驱动测得的渗透率比正压驱动测试结果大。     

安全气囊织物动态透气性与静态透气性的测试

通过自行设计的安全气囊织物动态透气性测试装置对 2 种不同的锦纶 66 安全气囊织物进行了测试研究, 发现在高压下安全气囊织物动态透气量与压差呈线性关系. 为了与动态透气性进行比较, 还通过 CFP-1100-AI 孔径仪对上述 2 种锦纶 66 安全气囊织物进行静态透气性测试, 发现在高压下安全气囊织物静态透气量与压差呈幂律关系. 对比研究表明: 在相同压差下安全气囊织物的静态透气量大于安全气囊织物的动态透气量, 且随着压差的增加, 安全气囊织物的动态透气量与静态透气量的差值也逐渐增加.     

GM T 熔融浸渍中熔体在玻纤毡中的流动

通过改装毛细管流变仪建立了专门的实验装置, 研究高温高压下熔体在纤维床层中的流动行为。采用一维恒压流动实验分别测量了不饱和及饱和流动状况下玻纤毡厚度方向聚丙烯熔体的渗透率, 考察了玻纤毡空隙率、单丝直径、针刺等几何结构对渗透率的影响。根据实验结果进一步讨论了GM T 片材熔融浸渍过程中的气泡形成以及浸渍工艺参数的选择。      

Experimental Study of Gas–Liquid Two-Phase Flow in Glass Micromodels

To estimate the most important flow variables in reservoir engineering, such as the relative permeability, it is required to know with high precision, other variables such as saturation, pressure drop of each phase, and porous media data such as porosity and absolute permeability. In this study, experimental tests were performed inside a glass micromodel using gas–liquid two-phase flow in steady-state conditions. The liquid-phase flow and the pressure drop of the porous media were determined. Additionally, the flow development inside the porous media was visualized using a high-speed video camera system. These pictures were recorded at 500 fps, and they were used to compute the phase saturation and the gas velocity in the glass micromodel. The visualization was performed in three regions of the glass micromodel demonstrating that saturation gradients were not present. The effect of the capillary number was studied over the gas–liquid relative permeability curves and on the flow mechanisms. It was concluded that high flow rates minimize edge effects, that the capillary number modifies the relative permeability values and the flow patterns inside the micromodel, and that the high-speed visualization is an efficient and accurate technique to determine saturation values and to study the flow patterns in transparent porous media such as glass micromodels.     

A two-phase flow model to simulate mold filling and saturation in Resin Transfer Molding

This paper addresses the numerical simulation of void formation and transport during mold filling in Resin Transfer Molding (RTM). The saturation equation, based on a two-phase flow model resin/air, is coupled with Darcy’s law and mass conservation to simulate the unsaturated filling flow that takes place in a RTM mold when resin is injected through the fiber bed. These equations lead to a system composed of an advection–diffusion equation for saturation including capillary effects and an elliptic equation for pressure taking into account the effect of air residual saturation. The model introduces the relative permeability as a function of resin saturation. When capillary effects are omitted, the hyperbolic nature of the saturation equation and its strong coupling with Darcy equation through relative permeability represent a challenging numerical issue. The combination of the constitutive physical laws relating permeability to saturation with the coupled system of the pressure and saturation equations allows predicting the saturation profiles. The model was validated by comparison with experimental data obtained for a fiberglass reinforcement injected in a RTM mold at constant flow rate. The saturation measured as a function of time during the resin impregnation of the fiber bed compared very well with numerical predictions.     

莫来石纤维/ZL 109 复合材料强度分散的统计分析

用挤压铸造工艺获得了拉伸强度较高并且强度数据分散度较小的莫来石纤维/ZL 109 复合材料。用W eibull 方法分析该复合材料的拉伸强度值的分布状况, 得到比较大的W eibull 模量。统计分析了复合材料中纤维体积分数和拉伸断口面上的纤维体积分数。结果表明, 纤维的分布在宏观上是随机的而在微观上是不均匀的, 与观察面法线呈小角度的纤维体积分数同与观察面法线成大角度的纤维体积分数比较接近; 在断口面上与拉伸方向呈大角度的纤维体积分数同与拉伸方向呈小角度的纤维体积分数相差较大。认为该复合材料破坏的主要原因在于与拉伸方向呈大角度的纤维与基体的界面脱粘。拉伸强度数据分散的原因在于微观上与拉伸方向呈大角度的纤维分布的不均匀。      

纤维体积含量对C/7740复合材料性能的影响

本文研究了纤维体积含量(V_f)与碳纤维/7740玻璃的相对密度(Ds)抗弯强度(σ_b)和冲击韧性(ak)之间的关系。用泥浆浸渗法制带及热压成形技术制备试样。实验结果表明:材料的Ds随V_f的增加而降低;σ_b和ak值开始随V_f的增加而增大,在V_f为40%左右时出现极大值,之后随V_f增加而降低。对V_f为4096样品的σ_b分布规律进行了分析,表明:其σ_b服从韦布尔分布。所获材料的最高σ_b为370Mpa,ak值为31KJm-2。