樹脂傳遞模塑制品的缺陷控制及流程優(yōu)化

樹脂傳遞模塑（Resin Transfer Molding, RTM）是一種高效率、低成本的先進(jìn)復(fù)合材料生產(chǎn)工藝。該工藝于20世紀(jì)40年代中期出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)被稱作“樹脂注射”或“真空注射”工藝[1]，用于制造潛艇電源箱和船的殼體。其制件具有良好的表面質(zhì)量，但在當(dāng)時(shí)生產(chǎn)周期過長。隨著復(fù)合材料用增強(qiáng)材料和樹脂的不斷發(fā)展，RTM工藝開始應(yīng)用于汽車生產(chǎn)領(lǐng)域。通過應(yīng)用產(chǎn)品自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)，該工藝的生產(chǎn)效率提高到900件/天。20世紀(jì)80年代初，航空工業(yè)為了減小飛行器質(zhì)量，開始采用復(fù)合材料，RTM工藝作為一種先進(jìn)的復(fù)合材料生產(chǎn)工藝被應(yīng)用于航空工業(yè)。

RTM工藝與手糊工藝、真空袋等傳統(tǒng)的復(fù)合材料成型工藝相比，具有投資成本低、成型效率高、環(huán)境友善、同時(shí)可以生產(chǎn)兩面光滑的制品等諸多優(yōu)點(diǎn)[2-3]，適合中批量產(chǎn)品的生產(chǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸業(yè)、航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、建筑、國防工業(yè)等部門。

在RTM工藝實(shí)施過程中，由于樹脂浸漬纖維的過程受溫度、壓力等多種因素的影響且難以控制，因而其制品常常出現(xiàn)缺陷?，F(xiàn)有的大部分研究方法集中于對(duì)樹脂浸漬纖維過程進(jìn)行模擬，通過選擇合理的注口位置、冒口位置、注射壓力等工藝參數(shù)來降低缺陷率。但至今仍然沒有形成一套完整的理論或方法來模擬這一過程。在工業(yè)實(shí)踐中，歐美等西方國家的RTM缺陷控制方法主要依靠經(jīng)驗(yàn)積累和試驗(yàn)，以獲取合適的生產(chǎn)工藝參數(shù)。本文將介紹傳統(tǒng)的RTM工藝流程，通過對(duì)RTM制品缺陷的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，提出處理缺陷的4個(gè)原則，并驗(yàn)證RTM工藝的優(yōu)化流程。

1 RTM工藝及試驗(yàn)

1.1 RTM工藝

樹脂傳遞模塑是將低粘度的樹脂注入到預(yù)先鋪放好增強(qiáng)材料的閉合模具中，樹脂經(jīng)過浸潤增強(qiáng)材料、固化成型，最后脫模得到制品的工藝方法。通常，其工藝流程主要有如下步驟，如圖1所示：（1）模具準(zhǔn)備；（2）纖維預(yù)制體制備；（3）預(yù)制體的裝模、閉模；（4）樹脂注入；（5）樹脂固化過程；（6）制品脫模; （7）制品修整、質(zhì)量檢測(cè)。

1.2 RTM工藝設(shè)備和原材料

本試驗(yàn)在法國國立高等工程技術(shù)學(xué)院（Arts et Métiers Paris Tech）復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)室開展，試驗(yàn)中采用如下設(shè)備和原材料。

（1）RTM注射設(shè)備：本試驗(yàn)中選用的是由法國Matrasur公司提供的壓力罐，實(shí)驗(yàn)室的壓力系統(tǒng)可提供壓力調(diào)節(jié)范圍為0～1.2MPa。

（2）試驗(yàn)用模具：模具為一個(gè)400mm×400mm，厚度為5mm的方形板的鋁合金模具。該模具有4個(gè)可選注口和4個(gè)可選冒口。本試驗(yàn)采用1個(gè)注口和1個(gè)冒口的注射方式。

圖1 傳統(tǒng)的RTM工藝流程圖Fig.1 Flow diagram of the traditional RTM process

（3）RTM原材料：RTM的原材料由樹脂和增強(qiáng)材料組成。其中本文選用的樹脂為不飽和聚酯樹脂，增強(qiáng)材料為玻璃纖維連續(xù)氈、復(fù)合氈和方格布。制品纖維體積理論含量為39%～40%。

2 缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及解決方案

在試驗(yàn)初期，采用RTM工藝制備的復(fù)合材料樣板存在諸多缺陷，這些缺陷直接影響到產(chǎn)品的表面質(zhì)量和性能。通過研究發(fā)現(xiàn)，可以將這些缺陷歸納為3類：氣泡、纖維滑移和干斑。以下分別對(duì)這3種缺陷產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析。

氣泡是RTM工藝制品中最為常見的一種缺陷，它的出現(xiàn)使得RTM制品中纖維與樹脂的界面粘接性變差，導(dǎo)致制品的強(qiáng)度下降。其產(chǎn)生的首要原因是樹脂宏微觀流動(dòng)性不一致。此外，樹脂和催化劑的混合過程和溶劑及小分子生成物揮發(fā)也會(huì)導(dǎo)致氣泡的產(chǎn)生。由于本試驗(yàn)中采用的樹脂為不飽和聚酯，其固化過程中無小分子放出，故本試驗(yàn)中不必考慮由溶劑及小分子生成物揮發(fā)所導(dǎo)致的氣泡。

2.1 樹脂的宏觀和微觀流動(dòng)協(xié)調(diào)原則

試驗(yàn)中，樹脂填充模具的過程存在兩種流動(dòng)形式：即宏觀流動(dòng)和微觀流動(dòng)。宏觀流動(dòng)指樹脂在纖維束間隙之間的流動(dòng)；微觀流動(dòng)即樹脂在纖維束中單絲孔隙間流動(dòng)。當(dāng)其中一種流動(dòng)方式占主導(dǎo)地位時(shí)，樹脂的流動(dòng)前鋒會(huì)呈手指狀分布，國外的一些研究者將這一現(xiàn)象稱為手指化現(xiàn)象，樹脂進(jìn)一步流動(dòng)，流動(dòng)前鋒將相互包裹從而形成氣泡（如圖2所示）。

當(dāng)樹脂的宏觀流動(dòng)占主導(dǎo)地位時(shí)，即樹脂在纖維束間隙的流動(dòng)超前于纖維單絲孔隙間的流動(dòng)時(shí)，此時(shí)樹脂流動(dòng)前鋒為宏觀流動(dòng)，其相互包裹從而在纖維單絲孔隙中產(chǎn)生氣泡。

圖2 氣泡的形成機(jī)理Fig.2 Formation mechanism of the bubble

因此，要消除該種類型氣泡的產(chǎn)生，就需要協(xié)調(diào)樹脂的宏微觀流動(dòng)性。樹脂的宏觀流動(dòng)性主要受樹脂粘度、注射壓力和溫度的影響。而微觀流動(dòng)性主要依靠樹脂間的毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)。在本試驗(yàn)中，產(chǎn)生氣泡的原因在于微觀流動(dòng)性相對(duì)于宏觀流動(dòng)性較弱。因此，試驗(yàn)通過將預(yù)制增強(qiáng)纖維放入溫度為60℃干燥爐中干燥5h以提高樹脂的微觀流動(dòng)性。同時(shí)將樹脂注射壓力從0.09MPa降低為0.08MPa以減緩宏觀流動(dòng)。

2.2 注射試劑無氣泡原則

目前，RTM工藝注射設(shè)備分2種: 壓力罐和定量注射泵。當(dāng)使用定量注射泵時(shí)，樹脂和固化劑可按配比在注射頭中定量混合，且混合過程不會(huì)導(dǎo)致氣泡的產(chǎn)生，但該設(shè)備難以清洗，且設(shè)備成本昂貴。對(duì)于在試制階段或小批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，通常采用方便清潔且設(shè)備成本較低的壓力罐。因此，本試驗(yàn)采用壓力罐作為注射設(shè)備。壓力罐的缺點(diǎn)是不能定量，在注射前需要預(yù)先混合樹脂和固化劑，這一過程不可避免會(huì)產(chǎn)生氣泡。本試驗(yàn)通過將樹脂和固化劑混合試劑放入真空箱中保持5min，真空度-0.05MPa，以消除這類氣泡。

2.3 預(yù)制材料厚度適中原則

纖維滑移是RTM制件缺陷之一，它的出現(xiàn)使得制件中增強(qiáng)纖維含量分布不均，纖維的鋪層方向發(fā)生改變等，從而導(dǎo)致制件的力學(xué)性能下降。纖維的滑移通常是由于纖維鋪層厚度不足、注射過程的壓力過大導(dǎo)致。試驗(yàn)初期采用的預(yù)制纖維增強(qiáng)體的厚度為4.84mm（模具型腔間隙5mm），獲得初始制品，纖維材料向冒口附近滑移；然后重新選擇預(yù)制纖維鋪層，其厚度為5mm，獲得無纖維滑移的制品。

2.4 減小邊界效應(yīng)原則

干斑是由于樹脂未能充分浸漬纖維而在制品表面出現(xiàn)局部纖維增強(qiáng)體外露的缺陷。通常，這類缺陷主要通過選擇合適的注口冒口來消除。但此方法僅適用于模具制作前對(duì)缺陷的預(yù)防, 對(duì)于已有模具，這一方法并不適用。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，干斑形成的一個(gè)主要影響因素是邊界效應(yīng)。邊界效應(yīng)[4]指在靠近模具的邊緣處，由于缺少增強(qiáng)纖維，此處樹脂的滲透率略高，因而在邊界處出現(xiàn)樹脂流動(dòng)超前的現(xiàn)象（圖3）。

圖3 樹脂的邊界效應(yīng)Fig.3 Boundary effect of resin

為了在數(shù)學(xué)上解決邊界效應(yīng)中的流體計(jì)算問題，Parna等[5]提出在模具邊緣處應(yīng)用Navier Stokes方程，樹脂在纖維中流動(dòng)采用Brinkman方程。為了避免繁復(fù)的計(jì)算，F(xiàn)ong等[6]提出利用滲透率的局部均勻性，從而獲得流體在邊界處的簡化計(jì)算方法：

式中，kcanal表示樹脂在模具邊緣處的滲透率，kf表示樹脂在附近纖維的滲透率，k表示樹脂在纖維增強(qiáng)材料和模具邊緣處中流動(dòng)的平均滲透率。

根據(jù)以上邊界處流體的計(jì)算方法，本文提出了一種減少邊界效應(yīng)的方法：在鋪放好預(yù)制纖維周圍布置短玻纖維，即通過減少ec達(dá)到減少邊界效應(yīng)的方法。

3 RTM改進(jìn)工藝實(shí)例

本文提出了的適合小批量生產(chǎn)或產(chǎn)品試制過程的RTM改進(jìn)工藝如圖4所示。具體的改進(jìn)部分如下： （1）為了消除氣泡的產(chǎn)生，基于上文提出的樹脂宏微觀流動(dòng)協(xié)調(diào)原則和注射試劑無氣泡原則，需選擇合適的注射壓力（0.08MPa）和纖維的干燥處理方法（60℃，5h），同時(shí)注射前處理混合試劑，以消除氣泡；（2）對(duì)于纖維滑移缺陷，需通過重新選擇增強(qiáng)纖維厚度，降低注射壓力，以消除纖維滑移缺陷； （3）對(duì)于不能重新選擇澆口和冒口位置的模具，需通過在預(yù)制纖維周圍鋪放玻璃短纖消除干斑。根據(jù)以上原則按RTM改進(jìn)工藝進(jìn)行試驗(yàn)，脫模后獲得合格RTM制品。

圖4 RTM改進(jìn)工藝流程Fig.4 Improved process flow of RTM

4 結(jié)論

本文應(yīng)用傳統(tǒng)的RTM工藝流程獲得了有缺陷的復(fù)合材料制件。結(jié)合缺陷控制理論進(jìn)行分析和試驗(yàn)研究，提出了適合于小批量RTM工藝生產(chǎn)或產(chǎn)品試制過程的缺陷控制4原則和一套符合生產(chǎn)實(shí)際的RTM改進(jìn)工藝生產(chǎn)流程。經(jīng)驗(yàn)證表明：改進(jìn)的工藝生產(chǎn)流程解決了RTM制品中的氣泡、滑移和干斑缺陷，對(duì)于RTM的實(shí)驗(yàn)室研究和工業(yè)試制過程均有一定的指導(dǎo)意義。

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