RTM工艺中所存在的缺陷问题国内外研究概况

  近年来,针对RTM工艺中所存在的缺陷问题,国内外的专家学者开展了大量的理论和实验研究。通过观察RTM工艺充模过程中树脂的流动,探索缺陷形成及消除机理。

  对气泡缺陷的形成问题,早开展浸润研究的是Williams等人,他们在流动观察试验中发现当流体的流动前沿流过后,一些气泡仍然存在于纤维床中,称重法测得气泡体积含量不超过4%,但没有深入探讨其余流体及增强材料性能的关系。将结果与用水和酒精所做实验结果进行比较,发现表面张力对空气的包裹有一定的影响,他们提出了表面张力对流速以及树脂在纤维中的流动形态的影响。

  Peterson和Robertson模拟了RTM成型工艺,将树脂注入一支玻璃管中,纤维沿着玻璃管轴向排布,试验发现纤维含量较低时产生一些较大的椭圆形气泡,这些气泡流动性好,一般都随着树脂向前迁移;而纤维含量较高时(>50%)产生的圆形气泡分布比较均匀,这些气泡的流动性较差。注射压力增加,气泡体积随之降低,流动性好,而且气泡大都在纤维/树脂界面处产生。Peterson和Robertson还采用不同直径且带有弯路的玻璃管对树脂流动进行了研究,提出了毛细作用数的概念,见公式(1-1):

  他们发现毛细作用数对气泡的形成有一定的影响,这个参数与注射点的位置和注射压力有关。由弯曲的玻璃管试验发现在弯曲的部位形成了较大的气泡,认为这是树脂流动形态不一致和局部增强材料渗透系数变化引起的。

  Molnar等人分别拍摄了高、低流速下树脂流经单向纤维织物时的显微照片。在流速较低时,纤维丝间流体流动速度比纤维束间的快,这是因为有毛细作用力的影响;而在流速较高时,毛细作用力的影响较小,纤维丝间流体流动速度明显比纤维束间的慢,这一现象与Pamas和Phelan提出的空气包裹机理一致。

  Pamas和Phelan建立了垂直于纤维束流动过程中气泡裹入的一维模型,描述了纤维束间大孔隙中及纤维束内小孔隙中树脂流动前沿的形态,提出了纤维束结构对气泡形成的影响。

  Patel N、Rohatgi V和LeeL.J.等人探索了RTM充模过程中纤维浸润和气泡形成问题。他们通过流动可视化实验研究充模流动中气泡的形成机理,提出气泡形成与毛细作用力和液体-纤维-空气的接触角有关。Lundstrom T.S.设计了透明的注射模具,通过使用显微镜观察微小区域内流体的流动形态分析RTM工艺充模过程中气泡的形成过程。

  Lundstrom T.S,Gebart B.R和Lundemo C.Y等人研究在RTM成型工艺中真空辅助对气泡形成的影响――真空度对气泡含量和含有气泡区域大小的影响。并通过光学显微方法和图像分析技术确定气泡体积含量。

  Hull描述了制品中容易形成气泡的区域以及气泡的类型:

  1.纤维束之间和纤维束内形成的气泡,可能为圆形,或者伸长为平行于纤维束的椭圆形空穴。这些气泡的大小与纤维束间和纤维束内的孔隙有关;

  2.层间和富树脂区域的气派;

  Ludd和Wright通过研究总结出制品中含有1%的气泡,复合材料的层间剪切强度下降7%,可见气泡缺陷的存在对复合材料的机械性能极为不利。不仅会降低复合材料制品的强度、耐久性和抗疲劳性,而且对气候的敏感性和吸湿性增加,强度等性能的分散性增加。在实际应用中,气泡的存在将加速制品对湿气的吸收,削弱了纤维―基体的界面粘接性,破坏制品的机械性能。制品中的气泡是湿气渗入的通道,并将因为氧化作用而导致聚酯的塑化性、削弱聚合物链、降低纤维-树脂基体的界面性能。制品表面或附近区域气泡的存在会影响表面处理效果。

  综上所述,可以看到影响RTM成型工艺中气泡缺陷形成的主要因素是:树脂的粘度、增强材料织物的结构型式与性能、孔隙率、模具表面质量、模具湿度和注射压力。但模具湿度和注射压力对于气泡含量的影响尚不清楚。一般地,较低压力下树脂对纤维束的浸润效果比较高的压力下的好,因为较高压力使树脂的流动速度较快;但较高的注射压力可以冲走裹在增强材料里面的气泡。在注射过程将要结束时给流动前沿施加一个比较大的压力,可以排出大量的气泡。注射过程将要结束时给流动前沿施加一个比较大的压力,可以排出大量的气泡。然而国内外目前的研究尚未全面地评价这些机理或阐述它们之间的相互作用。

  Hayward和Harris研究了RTM工艺中影响气泡含量的因素,结果表明子啊真空辅助下树脂浸润预成型体,得到制品的空隙率降低,剪切和弯曲强度增加。对制品进行图像分析发现空隙率有明显的降低,在真空辅助下空隙率为0.15%,而没有真空辅助的空隙率为1.0%。

  还有一些文献提出了注射过程中采用真空辅助可以降低气泡的含量,提高复合材料制品的强度。除了Hutcheon的文献外都没有提到真空辅助注射的缺点,据Hutcheon所述,在较低压力下有可能会引起树脂中产生孔隙,但对气泡含量的影响程度却不得而知。

  复合材料制品中的气泡含量可以通过几种方法进行测量;利用光学显微镜观察制品抛光的横截面以确定气泡含量;通过统计的方法得到制品中的气泡的体积分数,即在显微照片上数点的方法或计算机辅助图像分析技术,这种方法对于研究局部气泡的类型和分布较为实用,如果要对大范围的区域进行研究,就需要对较多部位进行测试以得到可靠的数据。

  对于制品内部出现干斑的原因,发现通常是由于玻纤浸润不充分或者是由于充模过程中的排气口位置设置不当。如果同期产品中出现干斑的是某个产品的某个部位,这时考虑是否是由于玻璃纤维布被污染而造成。同时通常制品内部出现干斑也与树脂粘度有关。国内外研究人员针对这些影响因素,在消除制品内部干斑方面做了大量工作,通过不同的措施来实现提高制品质量的目的。比如:

  1.通过分许和调节树脂粘度。

  2.修正模具流道设计,查看模具流道是否太长或太窄,及时改进模具来研究模具流道对树脂流场的影响以及辅助功能。

  3.检查注射口和排气口,改进注射口和排气口的设计。

  针对预型体产生变形的形成原因,生产RTM工艺制品时研究人员也从实践中获得了一些很好的经验。比如注意合模操作方法及布层厚度,合模操作方法的不恰当或布层过厚都易引起褶皱现象,换用耐冲刷性好的纤维布、预成型坯布或针织复合毡,分析注射方式选用压力注射还是流量注射等因素的影响,实现降低树脂对布层的冲力等。

  数值模拟技术为研究RTM工艺缺陷影响因素提供了有效的工具,RTM工艺过程的计算机模拟分析终目的是确定成型工艺参数及保证质量。RTM工艺过程模拟可预测不同工艺条件下的注模时间,预测模腔内压力分布情况,预测温度厂和固化度场的分布情况,显示任意时刻的树脂流动前锋位,以及预测可能出现的主要工艺缺陷干斑,这些预测的结果将为优化工艺设计提供重要依据。