CRTM成型工藝參數對玻璃纖維增強復合材料空隙率及彎曲性能的影響

張國利，安 鵬，劉 嬌，陳光偉

（天津工業(yè)大學先進紡織復合材料省部共建重點實驗室，天津 300387）

CRTM成型工藝參數對玻璃纖維增強復合材料空隙率及彎曲性能的影響

張國利，安 鵬，劉 嬌，陳光偉

（天津工業(yè)大學先進紡織復合材料省部共建重點實驗室，天津 300387）

牽伸速率和注膠壓力是影響CRTM成型工藝空隙率和彎曲性能的重要因素.采用CRTM成型工藝在不同牽伸速率和注膠壓力下制作復合材料平板，并對其進行空隙率測定和三點彎曲實驗.結果表明：注膠壓力為0.5 MPa時，牽伸速率由10 cm/min增加到70 cm/min，空隙率由1.836%增加到4.534%；牽伸速率為35 cm/min時CRTM復合材料平板的彎曲強度最大，為806.5 MPa；牽伸速率為35 cm/min時，注膠壓力由0.1 MPa增加到0.7 MPa，平板的空隙率從8.895%降低到1.654%，平板的彎曲強度先增加后趨于平緩.

玻璃纖維增強復合材料；CRTM成型；牽伸速率；注膠壓力；空隙率；彎曲性能

樹脂傳遞模塑（resin transfer molding，RTM）成型工藝技術具有成本低、生產效率高、產品性能可靠、環(huán)境污染少等優(yōu)點，在復合材料成型中獲得了較廣泛的應用.受RTM金屬閉模模具尺寸有限和重量不易過大的制約，RTM成型技術不適宜制造截面形狀固定的超大尺寸復合材料制件，如長度超過3 m以上的工型、T型梁等[1-3].受纖維能否充分浸潤的限制，傳統(tǒng)的拉擠成型工藝技術僅適宜加工截面形狀不變、長度不受限制的單向或混雜短纖維氈增強的復合材料制件.但對于織物增強或立體編織結構增強的恒定截面型狀的復合材料制件，采用膠槽浸膠工藝無法實現樹脂基體對增強體的浸潤，因此拉擠成型工藝不適宜制備2D鋪層織物或立體編織結構增強的復合材料制件[4-8].連續(xù)樹脂傳遞模塑成型（CRTM）是一種有效融合了RTM成型和拉擠成型兩者工藝優(yōu)點的新型復合材料制備工藝技術：采用正壓驅動注膠模具替代開放式膠槽浸膠工藝，較好地解決了傳統(tǒng)拉擠成型工藝樹脂浸滲整體結構預型體的難題；利用兩端口非密閉固化模具和連續(xù)牽引裝置，較好地解決了金屬閉模RTM成型工藝制備尺寸有限的難題.因此，該新型復合材料成型工藝具有重要的工程應用前景[9-10].受CRTM預型體連續(xù)移動和其成型模具非密閉的影響，在CRTM成型過程中增強體無法實現在真空狀態(tài)下樹脂的浸潤.為了有效排除預制體中的空氣，CRTM采用定壓注膠、牽伸速率控制等方法實現樹脂對預制體的浸潤.因此，CRTM成型工藝參數是影響CRTM制品樹脂的浸滲質量與力學性能的關鍵因素.空隙率是指單位體積內所含孔隙的體積分數.樹脂浸潤質量決定了其復合材料制品中空隙率的高低，進而影響復合材料的力學性能.對空隙率的判定是判斷復合材料質量的重要指標，先進復合材料一般要求將空隙率控制在1.0%～2.5%[11-12].如朱洪艷等[13]針對復合材料板力學性能的研究表明，孔隙的存在使得纖維增強復合材料的縱向和橫向彎曲強度及模量、抗沖擊破壞等性能都不同程度地下降.Ghiorse等[14]對碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料的研究結果指出，空隙率每增加1%，彎曲強度降低10%.然而，目前國內外關于織物增強或立體編織結構的CRTM成型工藝參數對復合材料制件浸潤質量及其彎曲性能的影響還未見有相關研究成果發(fā)表.本文采用CRTM成型工藝技術，以縫合的二維玻璃纖維預制件作為增強材料制備復合材料平板，評價了CRTM成型工藝參數牽伸速率和注膠壓力對其空隙率及彎曲性能的影響，為編織、縫合T型、工型等復雜結構的CRTM成型工藝提供參考.

1 實驗部分

1.1 原料與設備

所用原料包括：LJ-01A高強度環(huán)氧拉擠樹脂，LJ-01B固化劑，常熟佳發(fā)化學有限責任公司產品；INT-1890M內脫模劑，科拉斯化工技術有限公司產品；E玻璃纖維布、E玻璃纖維單向帶，泰安玻璃纖維有限公司產品.以上有關材料的性能參數如表1、表2所示.

表1 樹脂體系參數Tab.1 Properties of resin system

表2 增強體結構參數Tab.2 Structure parameters of reinforcement

所用設備包括：HB/LJ2060型液壓拉擠機，哈爾濱復合材料設備開發(fā)公司產品；AG-250KN型島津萬能實驗機，上海璟瑞科學儀器有限公司產品；馬弗爐，北京市永光明醫(yī)療儀器廠產品；復合材料切割制樣機，上海光相制樣設備有限公司產品；CRTM注膠系統(tǒng)，自制.

1.2CRTM復合材料平板制備

將二維玻璃纖維布及單向帶裁剪成長8 m、寬12 cm的條帶，將8層裁剪好的玻璃纖維布與3層玻璃纖維單向帶以2 mm針距、15 mm間距進行縫合，并裁剪，最終制得長度為8 m、寬度為10 cm的縫合預制件.

將縫合好的玻璃纖維預制件按照表3所示設計方案在HB/LJ2060型液壓拉擠機中進行CRTM成型，成型模具3區(qū)溫度分別為135、165、175℃，注膠溫度為50℃.CRTM成型工藝如圖1所示.

表3 各實驗方案的工藝參數Tab.3 Process parameters of schemes

圖1 CRTM成型工藝原理圖Fig.1 Principle diagram of CRTM

1.3 纖維體積含量及空隙率測定

按照JC/T287-2010纖維增強塑料空隙率試樣方法分別測定樹脂、纖維和纖維增強塑料的密度.然后，測定樹脂含量，計算纖維增強塑料的理論密度，其結果與所測得的纖維增強塑料密度相比較.

1.3.1 復合材料制件與樹脂澆注體密度測定

按照GB/T1463-2005纖維增強塑料密度和相對密度試驗方法，將制備的復合材料制件切割成2～5 g，每組5個.用天平稱量試樣在空氣中的質量（m1）、金屬絲（直徑 ≤ 0.125 mm）的質量（m2）和試樣在水（23℃）中的質量（m3）.

式中：ρw=0.997 6 g/cm3，表示23℃水的密度.5個試樣求平均值，用ρc表示復合材料密度，ρr表示樹脂澆注體密度.

1.3.2 復合材料制件樹脂含量測試

按照GB/T2577-2005玻璃纖維增強塑料樹脂含量試驗方法，將密度測定完畢的試樣放入650℃馬弗爐中的坩堝內灼燒，將樹脂基體燒掉，在干燥器中冷卻稱量，精確至0.1 mg；反復灼燒，直至樹脂基體全部碳化消失，兩次稱量結果不超過1 mg，測得纖維質量為m4，則

式中：ρf表示纖維的密度.

1.3.3 空隙率計算

復合材料理論密度（g/cm3）為

復合材料空隙率為

1.4 三點彎曲實驗

參照GB/T1449-2005纖維增強塑料彎曲性能試驗方法，對CRTM復合材料板進行彎曲性能測試，試驗件長×寬×厚為80 mm×15 mm×4 mm，跨距為64 mm，實驗速率為2 mm/min.彎曲實驗均在AG-250KN型島津試驗機上完成，如圖2所示.

圖2 三點彎曲實驗裝置圖Fig.2 Test device of three-point bending

彎曲強度計算公式為

式中：σ為彎曲強度（MPa）；P為破壞載荷（N）；l為跨距（mm）；b為試件寬度（mm）；h為試件厚度（mm）.

2 試驗結果與分析

2.1 牽伸速率對空隙率的影響

在相同的樹脂體系和固化條件下，當注膠壓力均為0.5MPa時，牽伸速率對空隙率的影響如表4所示.

表4 不同牽伸速率下復合材料板的空隙率Tab.4 Gap content of composite plate with different drawing speeds

由表4可以看出：當注膠壓力一定時，隨著牽伸速率的增加，空隙率呈增加的趨勢.當速率為10 cm/ min時，空隙率為1.836%；隨著速率增加到70 cm/ min，空隙率隨之增加到4.534%.這是由于隨著牽伸速率的增加，預制件在注膠模具中停留的時間減少，而在CRTM成型過程中樹脂是靠壓力沿預制件厚度方向浸潤，牽伸速率增加，樹脂沒有充分浸潤，不能將預制件中的空氣帶出，留下空隙.

2.2 注膠壓力對空隙率的影響

在相同的樹脂體系和固化條件下，當牽伸速率均為35 cm/min時，不同注膠壓力下復合材料板的空隙率如表5所示.

表5 不同注膠壓力下復合材料板的空隙率Tab.5 Gap content of composite plate with different injecting pressures

由表5可以看出，當牽伸速率一定時，隨著注膠壓力的增加，空隙率減小.當注膠壓力為0.1 MPa時，空隙率最大為8.895%；隨著注膠壓力增加到0.5 MPa，空隙率減小為1.895%，繼續(xù)增加注膠壓力，空隙率變化不大.這是由于當預制件在注膠腔中停留時間一定時，增大注膠壓力，樹脂能快速浸入纖維體，排出空氣，空隙率降低；注膠壓力繼續(xù)增加，制件的空隙率變化不大，樹脂大量溢出，造成樹脂浪費.因而選擇注膠壓力時，應在制件空隙率達到要求的情況下偏小掌握.

2.3 牽伸速率對平板彎曲性能的影響

在相同的樹脂體系和固化條件下，注膠壓力為0.5 MPa時，不同牽伸速率下制備的復合材料平板彎曲實驗的載荷位移曲線如圖3所示.

圖3 不同牽伸速率下復合材料板的載荷-位移曲線Fig.3 Load-displacement curves of composite plate with different drawing speeds

由圖3可以看出：復合材料平板的失效載荷隨著牽伸速率的增加，先增大后減小.35 cm/min時失效載荷最大，為2.02 kN；70 cm/min時失效載荷最小,僅為1.57 kN.根據得到的載荷值計算出試樣的彎曲強度，如表6所示.

表6 不同牽伸速率下復合材料板的彎曲強度Tab.6 Bending strength of composite plate with different drawing speeds

在CRTM成型過程中，牽伸速率的選擇需要考慮使產品在模具中部膠凝固化，也即脫離點在中部并盡量靠前.由表6可以看出，注膠壓力一定時，牽伸速率由10 cm/min增加到35 cm/min時，復合材料平板的彎曲強度由664.5 MPa增加到806.5 MPa，隨著速度繼續(xù)增加，彎曲強度逐漸降低，當速率為70 cm/min時彎曲強度僅為628 MPa.這是由于牽伸速率過低時，復合材料平板在成型模具中停留時間過長，制品固化過度、老化造成彎曲強度較低；牽伸速率過高時，材料在模具中停留的時間過短，制品固化不良或者不能固化，直接影響到制件質量，彎曲強度降低.

2.4 注膠壓力對平板彎曲性能的影響

在相同的樹脂體系和固化條件下，牽伸速率為35 cm/min時，不同注膠壓力下制備的復合材料平板彎曲實驗的載荷位移曲線如圖4所示.

圖4 不同注膠壓力下復合材料板的載荷-位移曲線Fig.4 Load-displacement curves of cornposite plate with different injecting pressures

由圖4可見，注膠壓力較低時，復合材料平板的失效載荷隨著注膠壓力的增加而增加，注膠壓力為0.1 MPa時失效載荷最小，僅為1.57 kN，注膠壓力為0.5 MPa時失效載荷為2.02 kN；當注膠壓力超過0.5 MPa后，增大注膠壓力，對平板的失效載荷影響不顯著.根據得到的載荷值計算出試樣的彎曲強度，如表7所示.

表7 不同注膠壓力下復合材料板的彎曲強度Tab.7 Bending strength of composite plate with different injecting pressures

由表7可以看出，隨著注膠壓力的增加，復合材料平板的彎曲強度增加.當注膠壓力為0.5 MPa時，平板的彎曲強度為806.5 MPa，比注膠壓力為0.3 MPa時提高了約10%.這是由于牽伸速率一定時，注膠壓力增加，樹脂能快速地浸潤纖維，排出增強體中夾雜的空氣，空隙率減小，從而增加平板的有效承載面積，彎曲強度增加.但是當注膠壓力達到0.5 MPa后，隨著注膠壓力的繼續(xù)增加，平板的彎曲強度變化不明顯.

2.5 破壞模式與機理分析

在彎曲測試時，隨著加載增大，復合材料平板產生彎曲破壞，這是由于試件橫截面上的受力不均勻，中性面一側受拉、一側受壓.復合材料平板在彎曲破壞時有兩種失效模式：一種是彎曲時試件沿孔隙發(fā)生彎曲破壞；另一種是彎曲時頂部受壓縮產生分層破壞.圖5所示為彎曲測試破壞后試樣的形貌.

實驗過程中發(fā)現：注膠壓力為0.1 MPa和0.3 MPa的試樣空隙率較高，彎曲測試后多呈現第一種破壞模式，如圖5（a）所示，試件沿孔隙方向發(fā)生破壞.大的孔隙影響了裂紋的產生和發(fā)展方向，裂紋沿著大孔隙的方向發(fā)展，還可見小的裂紋從大孔隙產生.這是由于孔洞的存在產生了應力集中，從而使平板產生破壞.而在注膠壓力為0.5 MPa和0.7 MPa的試樣中沒有觀察到這種現象，該試樣空隙率較低，試樣彎曲時受壓面產生分層破壞，如圖5（b）所示，纖維彎曲變形，基體沿纖維方向開裂，破壞處可見明顯的分層.

圖5 彎曲破壞后的復合材料試件顯微鏡照片Fig.5 Microscope picture after bending failure of composite specimens

3 結論

通過測試不同CRTM復合材料平板的空隙率，并進行三點彎曲實驗，得到如下結論：

（1）當注膠壓力一定時，隨牽伸速率的增加，材料的空隙率增加、復合材料平板的彎曲強度先增加后降低.牽伸速率為35 cm/min時，復合材料板的彎曲性能最好.

（2）當牽伸速率保持恒定，隨注膠壓力的增加，材料的空隙率逐漸降低，復合材料平板的彎曲強度逐漸增加后趨于平緩.隨著壓力繼續(xù)增加，注膠時易產生溢膠現象，彎曲強度和空隙率變化不明顯.

（3）復合材料平板在彎曲破壞時有2種失效模式：彎曲時試件沿孔隙方向發(fā)生彎曲破壞；彎曲時頂部受壓縮產生分層破壞.

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Effect of CRTM molding process parameters on porosity and flexural performance of glass fiber reinforced composite

ZHANG Guo-li，AN Peng，LIU Jiao，CHEN Guang-wei
（Key Laboratory of Advanced Textile Composites of Tianjin and Ministry of Education，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

Drawing speed and injection pressure are the important factors affecting porosity and flexural strength of CRTM molding process.Composite plates are produced through CRTM molding process with different drawing speed and injection pressure.Void content and three point bending tests of composite plates are performed.It is found that when the injection pressure keeps constant（0.5 MPa），the void content increases from 1.836% to 4.534% as the drawing speed increases from 10 cm/min to 70 cm/min.When the drawing speed is 35 cm/min，the flexural strength of composite plates is the highest with 806.5 MPa.When the drawing speed keeps constant（35 cm/min），the void content decreases from 8.895% to 1.654% as the injection pressure increases from 0.1 MPa to 0.7 MPa，and the flexural strength of the plates increases first and then keeps constant.

glass fiber reinforced composite；CRTM molding process；drawing speed；injection pressure；void content；flexural performance

TB332

A

1671－024X（2015）02－0001－05

2014-12-02

國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）項目（2012AA03A201）；天津市科技計劃項目（13TXSYJC40500）

張國利（1964—），男，研究員，研究方向為紡織復合材料.E-mail：guolizhang@tjpu.edu.cn