不同經(jīng)編織物對(duì)預(yù)成型體定型工藝性及滲透特性的影響

吳凱文，楊晉，李龍，趙瀟然，劉剛，李韶亮，肇研,*

1.北京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京 100083 2.北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083 3.中航工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心 中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 100095 4.空軍駐北京地區(qū)軍事代表室,北京 100038

不同經(jīng)編織物對(duì)預(yù)成型體定型工藝性及滲透特性的影響

吳凱文1，楊晉2，李龍2，趙瀟然2，劉剛3，李韶亮4，肇研2,*

1.北京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京 100083 2.北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083 3.中航工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心 中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 100095 4.空軍駐北京地區(qū)軍事代表室,北京 100038

針對(duì)單軸、雙軸、四軸三種不同國(guó)產(chǎn)T300碳纖維經(jīng)編織物，通過(guò)對(duì)其預(yù)成型體進(jìn)行定型效果、壓縮特性和滲透特性試驗(yàn)，表征在相同的定型工藝及定型劑用量下，不同經(jīng)編織物對(duì)預(yù)成型體定型工藝性及滲透特性的影響。結(jié)果表明：在C型回彈試驗(yàn)及厚度回彈試驗(yàn)中，織物表面鋪撒相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的定型劑，四軸經(jīng)編織物預(yù)成型體厚度回彈約1.2%，C型回彈6°，定型效果最佳。此外，纖維束寬和束間距的變化會(huì)引起定型效果的差異。厚度壓縮試驗(yàn)表明，四軸經(jīng)編織物的壓縮性能最佳。面內(nèi)滲透率試驗(yàn)表明，鋪撒定型劑后四軸經(jīng)編織物面內(nèi)滲透率增加約15%。證實(shí)了鋪撒相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)定型劑后，四軸經(jīng)編織物的樹脂傳遞模塑成型工藝(RTM)性能優(yōu)異，定型效果最佳。

經(jīng)編織物；RTM；定型劑；預(yù)成型體；復(fù)合材料

目前，樹脂傳遞模塑成型工藝(Resin Transfer Molding,RTM)是已經(jīng)獲得相當(dāng)成功的復(fù)合材料液體成型技術(shù)。RTM工藝不需要制備預(yù)浸料，將纖維或織物預(yù)成型體置于閉合模具中，然后直接注入樹脂基體，固化得到具有優(yōu)良綜合性能的復(fù)合材料制件。與傳統(tǒng)熱壓罐成型技術(shù)相比，RTM工藝具有較低的裝配成本和較高的制造效率，是工業(yè)界廣泛應(yīng)用的低成本樹脂基復(fù)合材料制造技術(shù)[1]。在RTM工藝中，預(yù)成型體的性能對(duì)成型工藝參數(shù)的制定以及最終復(fù)合材料制件的質(zhì)量都有較大的影響。預(yù)成型技術(shù)[2]通過(guò)選擇適當(dāng)結(jié)構(gòu)的纖維集合體及排布方式，用一定的定位膠黏劑進(jìn)行處理，對(duì)預(yù)成型織物進(jìn)行保型，使得預(yù)成型體具有和制件相近的形狀和尺寸[3]。國(guó)外從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，Ko,Scardino和McCarthy等對(duì)不同機(jī)織物的可成型性、預(yù)成型方法以及預(yù)成型體的滲透率進(jìn)行了研究[4-6]，Long對(duì)織物層數(shù)對(duì)織物壓縮性能的影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了織物在壓縮過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生“嵌套效應(yīng)”[7]，Park等對(duì)預(yù)成型體壓縮過(guò)程中的更多機(jī)理及模擬問(wèn)題進(jìn)行了研究[8-9]。國(guó)內(nèi)對(duì)于纖維預(yù)成型技術(shù)的研究較國(guó)外起步稍晚，但經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，對(duì)定型工藝、定型劑對(duì)預(yù)成型體壓縮性能和滲透性能都進(jìn)行了較深入的研究[10-14]。不過(guò)目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于不同經(jīng)編織物預(yù)成型體定型效果的研究比較少。近年來(lái)無(wú)屈曲織物(Non-Crimp Fabric,NCF，又稱經(jīng)編織物)作為新型織物增強(qiáng)體，具有良好的可設(shè)計(jì)性、尺寸穩(wěn)定性、成型性及優(yōu)異的力學(xué)性能[15-17]，廣泛應(yīng)用于能源、航空航天等領(lǐng)域[18-19]。因此，本文在雙馬定型劑總含量相同的情況下，選用三種不同的經(jīng)編織物，制備相同鋪層的預(yù)成型體，通過(guò)比較織物預(yù)成型體的定型效果、壓縮性能及滲透性能，研究了三種不同經(jīng)編織物定型效果及RTM工藝性能的差異，從而確定能使RTM工藝性能更優(yōu)異的經(jīng)編織物，為國(guó)內(nèi)經(jīng)編織物在RTM工藝中的應(yīng)用和改進(jìn)提供初步的理論、數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

單軸、雙軸、四軸三種不同國(guó)產(chǎn)T300碳纖維經(jīng)編織物，單軸經(jīng)編織物單位面積質(zhì)量166 g/m2，雙軸經(jīng)編織物單位面積質(zhì)量332 g/m2，四軸經(jīng)編織物單位面積質(zhì)量664 g/m2，威海拓展纖維有限公司；雙馬來(lái)酰亞胺樹脂定型劑，RTM雙馬來(lái)酰亞胺樹脂，中航工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心。

1.2 帶定型劑經(jīng)編織物制備

選用三種國(guó)產(chǎn)T300碳纖維經(jīng)編織物，分別為U(Uniaxial)單軸(0°)經(jīng)編織物，B(Biaxial)雙軸(+45°/-45°)經(jīng)編織物，Q(Quadriaxial)四軸(0°/+45°/90°/-45°)經(jīng)編織物,如圖1所示。采用機(jī)械振動(dòng)法，將定型劑粉末均勻鋪撒在三種國(guó)產(chǎn)T300碳纖維經(jīng)編織物表面，并用紅外燈加熱定型劑使其附著在織物表面，連續(xù)化制備預(yù)定型織物。設(shè)計(jì)定型劑的質(zhì)量含量均為5%，定型前定型劑在織物表面的分布情況如圖2所示。

1.3 定型劑表征

根據(jù)所選用定型劑的黏溫特性及其與樹脂的相容性，確定采用與雙馬來(lái)酰亞胺樹脂相匹配的雙馬定型劑,并將粒徑范圍為125～375 μm的粉末狀定型劑均勻鋪撒在經(jīng)編織物表面[20]。

通過(guò)示差掃描熱量法(DSC)、黏溫特性和恒溫流變?cè)囼?yàn)，分別研究定型劑的化學(xué)反應(yīng)特性及黏溫特性，確定定型劑的定型工藝溫度及工藝時(shí)間，保證定型劑定型工藝性及在后續(xù)工藝過(guò)程中與樹脂的相容性。

1.4 定型效果評(píng)價(jià)

1.4.1 預(yù)成型體定型

織物按照設(shè)計(jì)尺寸裁剪并按照設(shè)計(jì)鋪層方式鋪層，得到未定型預(yù)成型體。根據(jù)預(yù)成型體外形及定型溫度，選擇相應(yīng)形狀模具(平板模具或矩形模具)，將預(yù)成型體置于模具上用真空袋及輔料進(jìn)行密封，然后在真空-0.1 MPa、100 ℃條件下保持60 min，待系統(tǒng)隨爐冷卻到室溫后卸壓。

1.4.2 C型回彈試驗(yàn)

采用自制的C型回彈試驗(yàn)測(cè)試裝置，如圖3所示。C型回彈試驗(yàn)中試樣的尺寸為165 mm×50 mm，試驗(yàn)采用的鋪層方式為[0/90/45/-45]2s，總纖維層數(shù)為16層，即分別鋪覆16層單軸經(jīng)編織物，8層雙軸經(jīng)編織物，4層四軸經(jīng)編織物。將預(yù)成型體對(duì)稱橫向鋪覆在寬度為45 mm的矩形模具上，保證試樣下垂兩翼長(zhǎng)均為60 mm，按照預(yù)成型體定型方法進(jìn)行定型。卸壓后在15 min、1 h、4 h、16 h時(shí)使用高分辨相機(jī)記錄預(yù)成型體兩翼張開(kāi)狀態(tài)并用圖像處理軟件測(cè)量預(yù)成型體兩翼張角。

1.4.3 壓縮回彈試驗(yàn)

壓縮回彈試驗(yàn)中，試樣尺寸為200 mm×100 mm，試驗(yàn)采用的鋪層方式為[0/90/+45/-45]2s，總纖維層數(shù)為16層，即分別鋪覆16層單軸經(jīng)編織物，8層雙軸經(jīng)編織物，4層四軸經(jīng)編織物。將預(yù)成型體置于平板模具上，按照預(yù)成型體定型方法進(jìn)行定型。卸壓后在0、12、24、48、72 h時(shí)使用厚度規(guī)測(cè)量預(yù)成型體厚度。

1.5 預(yù)成型體厚度壓縮特性試驗(yàn)

采用自制的織物厚度方向壓縮測(cè)試裝置，如圖4所示。該裝置配備力學(xué)傳感器和激光位移傳感器，用于測(cè)量織物厚度壓縮過(guò)程中的壓力和位移，裝置同時(shí)還配備了一個(gè)加熱底座，能將預(yù)成型體加熱到預(yù)定試驗(yàn)溫度。試樣尺寸為75 mm×75 mm， 按[0/90/+45/-45]2s進(jìn)行鋪層，總纖維層數(shù)為16層。

圖1 不同經(jīng)編織物組織結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of different warp knitted fabrics

圖2 定型前定型劑在經(jīng)編織物表面分布的SEM圖Fig.2 SEM results of distribution of tackifier on fabric surface before setting

圖3 C型回彈測(cè)試裝置Fig.3 Testing setup for C-shape springback

圖4 厚度壓縮測(cè)試裝置Fig.4 Testing setup for thickness compression

將待測(cè)試樣鋪放在試樣臺(tái)上，施加5 kPa預(yù)壓力，然后以1 mm/min的速度加載，記錄不同壓力下的預(yù)成型體厚度，壓力達(dá)到550 kPa時(shí)停止試驗(yàn)，隨后卸載，靜置試樣20 min，使預(yù)成型體厚度獲得充分回彈，隨后進(jìn)行下一次壓縮循環(huán)，每個(gè)試樣進(jìn)行三次循環(huán)試驗(yàn)[21-22]。

1.6 預(yù)成型體面內(nèi)滲透率測(cè)試

面內(nèi)滲透率測(cè)試裝置及示意圖，如圖5所示。試樣尺寸為200 mm×100 mm，按[0/90/+45/-45]2s進(jìn)行鋪層并進(jìn)行定型，總鋪覆層數(shù)為16層。設(shè)計(jì)纖維體積分?jǐn)?shù)為55%，通過(guò)控制墊片厚度以控制預(yù)成型體纖維體積分?jǐn)?shù)。以食用油作為等代流體進(jìn)行滲透試驗(yàn)，常溫下其黏度為0.065 Pa·s。從流體接觸纖維鋪層時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，記錄流體前峰每流過(guò)10 mm所用的時(shí)間為t。每種材料至少進(jìn)行三次重復(fù)試驗(yàn)。

圖5 面內(nèi)滲透率測(cè)定裝置及結(jié)構(gòu)Fig.5 Testing setup and structure for in-plane permeability

樹脂在預(yù)成型體中的流動(dòng)浸潤(rùn)可以視為是一種滲流過(guò)程，由于一維單向流動(dòng)主要指單管流動(dòng)或二維線形流動(dòng)，其中二維線形注射在理想情況下流動(dòng)前峰是平移推動(dòng)的，在垂直于流動(dòng)方向上不發(fā)生質(zhì)流交換，從而實(shí)際樹脂填充過(guò)程也是一維單向流動(dòng)的效果，其流動(dòng)規(guī)律應(yīng)遵從Darcy定律。對(duì)流動(dòng)時(shí)間t與流動(dòng)距離的平方x2作圖，可以求得滲透率[23]

(1)

式中：K為預(yù)成型體滲透率，m2；B為t-x2擬合曲線的斜率，s/m2；η為樹脂黏度，Pa·s；P為注射壓力，Pa；φ為孔隙率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 定型工藝的確定

2.1.1 固化行為

圖6 定型劑的DSC圖譜Fig.6 DSC results of tackifier

圖6為雙馬定型劑DSC圖譜，Exothermic方向表明DSC曲線向上的峰為放熱峰。如圖6所示，36.5 ℃為定型劑的軟化點(diǎn)，157 ℃為雙烯加成反應(yīng)，225 ℃為Diels-Alder加成反應(yīng)。根據(jù)定型劑的使用工藝要求，在定型溫度下應(yīng)具有表面黏性，且化學(xué)反應(yīng)發(fā)生較為緩慢，因此定型溫度范圍應(yīng)高于其熔融溫度，但低于雙烯加成反應(yīng)溫度，即大于36.5 ℃，小于157 ℃。

2.1.2 黏溫特性

圖7為雙馬定型劑的黏溫特性曲線，升溫速率為15 ℃/min。如圖7所示，雙馬定型劑在120 ℃開(kāi)始交聯(lián)，凝膠開(kāi)始。90 ℃以下，定型劑黏度較高，很難流動(dòng)。而在90 ℃以上，120 ℃以下，雙馬定型劑的黏度較小，適合定型劑的流動(dòng)。

圖7 定型劑黏溫曲線Fig.7 Viscosity curve of tackifier

2.1.3 恒溫流變

圖8為雙馬定型劑恒溫流變匯總圖。對(duì)定型劑分別做了90、100、110、120 ℃四個(gè)溫度的恒溫流變?cè)囼?yàn)，由于在110和120 ℃時(shí)凝膠時(shí)間較短，工藝控制較難；90 ℃時(shí)凝膠時(shí)間太長(zhǎng)，不利于提高試驗(yàn)效率，所以選擇100 ℃作為定型溫度。而定型時(shí)間一般在凝膠時(shí)間的1/4～1/2之間[24]，因此選擇定型時(shí)間為60 min。

圖8 恒溫流變匯總圖Fig.8 Summary figure of isothermal rheology

2.1.4 定型工藝

通過(guò)對(duì)雙馬定型劑DSC測(cè)試和黏溫特性及恒溫流變分析，最終確定了定型工藝，在100 ℃保溫60 min，在此溫度下定型劑具有表面黏性，且化學(xué)反應(yīng)較為緩慢，保溫60 min，交聯(lián)度較小，有較好的定型效果。定型后，定型劑在經(jīng)編織物表面的分布狀況如圖9所示。

2.2 不同經(jīng)編織物定型效果

不同經(jīng)編織物預(yù)成型體C型回彈和厚度回彈試驗(yàn)結(jié)果如圖10(a)和圖10(b)所示，試驗(yàn)結(jié)果反映了預(yù)成型體在卸去外力后厚度方向和帶曲率異形部位保持定型所賦形狀的能力。

通過(guò)圖10(a)可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)成型體C型回彈曲線主要分為三個(gè)階段。第一階段為剛卸去壓力至10 min時(shí)，三種預(yù)成型體瞬間均發(fā)生了較大程度的回彈，B織物預(yù)成型體產(chǎn)生了10°的回彈，而U和Q織物預(yù)成型體回彈程度較小。第二階段為1～4 h，此階段中隨著回彈時(shí)間的增加，角度回彈值緩慢增加。第三階段為4～16 h后，預(yù)成型體角度回彈曲線繼續(xù)緩慢增加，到最后角度回彈曲線基本保持水平，角度回彈基本達(dá)到最大值。從圖10(b)中曲線可以看出，預(yù)成型體厚度回彈試驗(yàn)結(jié)果和C型回彈試驗(yàn)結(jié)果相似。預(yù)成型體在壓力卸去后厚度開(kāi)始反彈，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，厚度反彈速率減緩，最后厚度回彈曲線基本趨于水平，厚度回彈量達(dá)到最大。

圖10 預(yù)成型體C型回彈和厚度回彈結(jié)果Fig.10 Results of C-shape springback and thickness springback of perform

對(duì)比不同經(jīng)編織物預(yù)成型體的C型回彈和厚度回彈試驗(yàn)結(jié)果，如圖2和圖9所示，在定型前，定型劑以橢球顆粒和扁平狀分布在三種經(jīng)編織物的纖維束上、束間及經(jīng)編線上，定型后，定型劑都是以扁平狀均勻分布在三種經(jīng)編織物的纖維束上、束間及經(jīng)編線上。說(shuō)明定型后扁平狀的定型劑更貼合織物表面，在表面占據(jù)了更大的面積，定型劑的定型能力更好。但是，表1為不同經(jīng)編織物的纖維束結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)表1可以看出，B雙軸經(jīng)編織物的纖維束寬較小，纖維束較細(xì)，曲率大，因此壓縮后纖維束與定型劑可粘接的面積小，纖維束受定型劑影響較小，定型能力較差，回彈值較大，最終回復(fù)后的回彈角和厚度回彈量最大。而U單軸經(jīng)編織物和Q四軸經(jīng)編織物的纖維束寬相近且都比較寬，纖維束間距較大，壓縮后纖維束與定型劑可粘接的面積大，纖維束受定型劑影響較大，定型能力好，回彈值較小。因此U單軸經(jīng)編織物和Q四軸經(jīng)編織物定型效果比B雙軸經(jīng)編織物更好，并且相似，最終的回彈角和厚度回彈量均較小。

表1 不同經(jīng)編織物的纖維束結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3 不同經(jīng)編織物厚度壓縮特性

圖11為不同經(jīng)編織物在鋪撒定型劑前后厚度壓縮試驗(yàn)結(jié)果。織物厚度方向的壓縮性能對(duì)最終制件的質(zhì)量來(lái)說(shuō)非常重要，它將控制制件纖維體積分?jǐn)?shù)、孔隙率、空隙尺寸等參數(shù)的變化，進(jìn)而影響織物的滲透率和成型質(zhì)量，并因此決定最終產(chǎn)品的質(zhì)量和力學(xué)性能[25-27]。

圖11 定型前后織物厚度壓縮試驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Tests result on thickness compression of fabrics before and after setting

從圖11中看出，三種經(jīng)編織物預(yù)成型體的厚度壓縮效果相似，厚度-壓力曲線都可劃分為三個(gè)階段。第一階段預(yù)成型體厚度隨壓力增加呈線性趨勢(shì)快速降低，此階段預(yù)成型體厚度減小主要來(lái)自纖維束不斷填充織物層間和束間空隙；第二階段預(yù)成型體厚度隨壓力減小的幅度變小，曲線斜率絕對(duì)值逐漸變小，此階段織物層間和束間間隙逐漸消失，纖維束開(kāi)始受壓變形；第三階段曲線為線性段，預(yù)成型體厚度隨壓力緩慢減小，此階段織物層間和纖維束間間隙已被填充殆盡，預(yù)成型體厚度的減小主要來(lái)自纖維束的受壓變形。

三種材料鋪撒定型劑前后的三次循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果相似。以Q四軸經(jīng)編織物為例，第二次和第三次試驗(yàn)中織物預(yù)成型體的初始厚度及較小壓力時(shí)的厚度均比第一次試驗(yàn)減小,說(shuō)明這部分厚度壓縮是在織物水平下的不可完全恢復(fù)的非彈性壓縮行為。兩次循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果，循環(huán)試驗(yàn)曲線較為接近，說(shuō)明這兩次壓縮過(guò)程基本是重復(fù)進(jìn)行，這部分厚度壓縮是纖維束和經(jīng)編線可恢復(fù)的彈性壓縮行為。但第三次試驗(yàn)與第二次試驗(yàn)相比，厚度還存在較小程度減小，說(shuō)明后兩次循環(huán)試驗(yàn)中仍存在少量織物水平下不可完全恢復(fù)的非彈性壓縮行為。

表2是鋪撒定型劑前后不同經(jīng)編織物在幾個(gè)關(guān)鍵壓力點(diǎn)處的厚度及變化率，表中5.5 kPa為織物剛開(kāi)始接觸時(shí)的壓力值，101 kPa為模擬真空壓力時(shí)的壓力值，505 kPa為較高壓力水平。從表中看出，對(duì)于相同纖維層數(shù)的預(yù)成型體，不論是否帶定型劑，由Q織物制備的預(yù)成型體的厚度均為最小，U織物制備的預(yù)成型體厚度均為最大；其次，在相同壓力下，鋪撒定型劑后Q織物預(yù)成型體的厚度變化率最小，U織物預(yù)成型體的厚度變化率最大。

分析產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因，首先當(dāng)兩層織物壓縮時(shí)，每一層的纖維束均能向上、下兩層纖維層中的空隙進(jìn)行滑動(dòng)，這種纖維束填充空隙引起了多層纖維組成的預(yù)成型體的厚度減??；其次，厚度壓縮的試驗(yàn)溫度為室溫，所以定型劑在整個(gè)壓縮過(guò)程中均為固態(tài)，阻礙纖維束向上、下兩層纖維中進(jìn)行滑動(dòng)。Q織物為四軸向經(jīng)編織物，是用四層織物捆綁起來(lái)的織物組，采用經(jīng)平和鏈?zhǔn)交旌峡p編，束縛點(diǎn)較多，分布均勻，有較大的預(yù)緊力，束縛作用明顯，Q織物之間不存在翹曲，并且在織物鋪覆時(shí)，在相同的模腔尺寸下，Q織物預(yù)成型體使用的織物層數(shù)最少，纖維束層間的滑移嵌套作用受定型劑的阻礙最?。欢鳸織物為單層經(jīng)編織物，采用經(jīng)平縫編，束縛點(diǎn)較少，分布不均，預(yù)緊力較小，單層U織物之間會(huì)存在一定的翹曲，并且在織物鋪覆時(shí)，在相同的模腔尺寸下，U織物預(yù)成型體使用的織物層數(shù)最多，纖維束層間的滑移嵌套作用受到了定型劑較大程度的阻礙。這就是表2中厚度及厚度變化率均是U單軸經(jīng)編織物預(yù)成型體最大，B雙軸經(jīng)編織物預(yù)成型體次之，Q四軸經(jīng)編織物預(yù)成型體最小的原因。三種織物預(yù)成型體在505 kPa時(shí)厚度較小，說(shuō)明為達(dá)到目標(biāo)纖維體積分?jǐn)?shù)(厚度)，Q四軸經(jīng)編織物預(yù)成型體所需的壓力更小，厚度壓縮性能更優(yōu)異。

表2 鋪撒定型劑前后織物預(yù)成型體厚度及其變化率Table 2 Thickness and it’s change rate of fabric preform before and after tackifier scatteration

2.4 不同經(jīng)編織物預(yù)成型體滲透特性

預(yù)成型體的面內(nèi)滲透率主要取決于纖維織物的結(jié)構(gòu)形式，預(yù)成型體空隙分布及其體積分?jǐn)?shù)、壓實(shí)性對(duì)面內(nèi)滲透率有較大的影響[28-30]。為了研究不同經(jīng)編織物預(yù)成型體滲透率特性，對(duì)預(yù)成型體的面內(nèi)滲透率進(jìn)行測(cè)試，不帶定型劑織物面內(nèi)滲透率和帶定型劑織物面內(nèi)滲透率試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

圖12 鋪撒定型劑前后織物預(yù)成型體滲透率結(jié)果Fig.12 Results of fabric preform permeability before and after tackifier scatteration

如圖12所示，對(duì)比不帶定型劑和鋪撒定型劑后預(yù)成型體面內(nèi)滲透率，發(fā)現(xiàn)不帶定型劑織物中，U和Q織物預(yù)成型體的面內(nèi)滲透率相當(dāng)，B織物預(yù)成型體的面內(nèi)滲透率最小。如表1所示，U織物為單軸向經(jīng)編織物，采用經(jīng)平縫編，經(jīng)編線與0°層纖維方向一致，纖維束的溝槽均沿著纖維束方向分布，樹脂在面內(nèi)層內(nèi)流動(dòng)容易，面內(nèi)滲透率較高；Q織物為四軸向經(jīng)編織物，采用經(jīng)平與鏈?zhǔn)交旌峡p編，是用四層織物捆綁起來(lái)的織物組，由于經(jīng)編線的預(yù)緊力使得纖維層之間結(jié)合緊密，在相同的模腔尺寸下，層數(shù)較少，樹脂在層間流動(dòng)容易，面內(nèi)滲透率較高；并且U和Q織物的纖維束細(xì)度較大，纖維束間距較大，縫編圈柱形成的間隙對(duì)于樹脂流動(dòng)性能的影響較小，樹脂在注入過(guò)程中由于織物結(jié)構(gòu)引起的纖維束空隙間宏觀流動(dòng)較多,所以面內(nèi)滲透率較大；而B織物為雙軸向經(jīng)編織物， 采用鏈?zhǔn)娇p編， 正背面纖維層方向相對(duì)經(jīng)編線為±45°，其纖維束細(xì)度較小，纖維束間距較小，縫編圈柱形成的間隙對(duì)于樹脂流動(dòng)性能有較大影響，縫編圈柱形成的間隙與纖維束方向成對(duì)角線角度，會(huì)對(duì)沿著纖維束流動(dòng)的樹脂造成部分阻力，樹脂在注入過(guò)程中束間的宏觀流動(dòng)較少，所以面內(nèi)滲透率較小。

如圖12所示，定型后Q織物預(yù)成型體面內(nèi)滲透率明顯增大，U和B織物預(yù)成型體的面內(nèi)滲透率下降。分析得出預(yù)成型體面內(nèi)滲透率對(duì)定型劑的響應(yīng)行為主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，定型后，纖維束表面的定型劑會(huì)滲入纖維束內(nèi)，纖維束發(fā)生收縮，纖維束間距增大，預(yù)成型體的面內(nèi)滲透率增加；另一方面，鋪撒定型劑后，總體上預(yù)成型體的孔隙率會(huì)減少，從而預(yù)成型體的面內(nèi)滲透率降低。如表1所示，U和B織物本身束寬和束間距之比相對(duì)較大，束間距相應(yīng)較小，而定型劑粉末的粒徑在125～375 μm范圍內(nèi)，與U和B織物束間距相近，導(dǎo)致定型劑粉末堵塞在部分纖維束間，減少預(yù)成型體的孔隙率，面內(nèi)滲透率降低；并且U織物為單層織物，B織物為兩層織物捆綁起來(lái)的織物組，在相同模腔厚度下，層數(shù)較多，鋪撒定型劑后纖維壓縮緊密，織物每層之間空隙減小，樹脂主要沿著纖維束方向間的空隙流動(dòng)，而由于定型劑的堵塞使得孔隙率降低，面內(nèi)滲透率進(jìn)一步降低，因此，總體表現(xiàn)為定型后，面內(nèi)滲透率降低。對(duì)于Q織物，其織物本身束寬-束間距之比較小，雖然也會(huì)由于定型劑的堵塞引起孔隙率降低，但是，Q織物束間距較大，堵塞效果不如U和B明顯，纖維束收縮作用占主導(dǎo)，樹脂沿著纖維束方向間的空隙流動(dòng)容易；并且Q織物的層數(shù)較少，雖然鋪撒定型劑后纖維壓縮緊密，每層之間空隙減小，但是仍有較大空隙，樹脂在層間流動(dòng)容易，面內(nèi)滲透率下降較小，因此，對(duì)于Q織物，鋪撒定型劑后引起的纖維束收縮，不但能夠抵消鋪撒定型劑對(duì)面內(nèi)滲透率的降低，而且在總體上表現(xiàn)為定型后面內(nèi)滲透率增大約15%。

3 結(jié) 論

1) 根據(jù)預(yù)成型體定型試驗(yàn)結(jié)果，由C型回彈和厚度回彈試驗(yàn)可以得出，單軸和四軸經(jīng)編織物的保型性能對(duì)雙馬定型劑響應(yīng)顯著，織物形狀保持率較高，而雙軸經(jīng)編織物保型性能對(duì)雙馬定型劑響應(yīng)較弱，織物保型性略差。

2) 根據(jù)預(yù)成型體厚度壓縮試驗(yàn)結(jié)果，鋪撒定型劑后，四軸經(jīng)編織物預(yù)成型體的厚度壓縮性能更優(yōu)異，并且對(duì)于操作性能，當(dāng)織物層數(shù)增加時(shí)，四軸經(jīng)編織物鋪放簡(jiǎn)單，操作性能最好，鋪覆效率高。綜上兩點(diǎn)，四軸經(jīng)編織物在預(yù)定型工藝中具有較大的潛能。

3) 根據(jù)預(yù)成型體面內(nèi)滲透率測(cè)試的試驗(yàn)結(jié)果，不同經(jīng)編織物預(yù)成型體面內(nèi)滲透特性有較大差異，當(dāng)定型劑在纖維束內(nèi)的粘接占主導(dǎo)，將有利于面內(nèi)滲透率的提高；而當(dāng)定型劑在纖維束內(nèi)的阻塞占主導(dǎo)，將降低面內(nèi)滲透效果。

[1] 陳祥寶. 先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料的發(fā)展[J]. 航空材料學(xué)報(bào), 1998, 20(3): 46-54.

CHEN X B. The development and application of advanced resin-based composite materials[J]. Journal of Aeronautical Materials, 1998, 20(3): 46-54 (in Chinese).

[2] 蔡吉喆, 肇研, 劉慧, 等. 新型RTM預(yù)成型體用定型劑的研制[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2010, 27(1): 18-24.

CAI J Z, ZHAO Y, LIU H, et al. Research on novel tackifier for perform on RTM[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2010, 27(1): 18-24 (in Chinese).

[3] 杜善義. 先進(jìn)復(fù)合材料與航空航天[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2007, 24(1): 1-12.

DU S Y. Advanced composite materials and aerospace engineering[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2007, 24(1): 1-12 (in Chinese).

[4] KO F K. Preform fiber architecture for ceramic matrix performs[J]. Ceramic Bull, 1989, 68(2): 401-414.

[5] SCARDINO F L, KO F K. Triaxial woven fabrics[J]. Textile Research Journal, 1981, 51(2): 203-221.

[6] MCCARTHY S P, KIM Y R. Resin flow through fiber reinforcement during composite processing[J]. Society of Aerospace Material and Process Engineers, 1991, 22(3): 156-170.

[7] LONG A C. Design and manufacture of textile composites[M]. Cambridge: Woodhead Publishing Limited, 2005: 42-89.

[8] PARK T W, NA U J, LAN C. Compressive behavior of concrete cylinders confined by narrow strips of CFRP with spacing[J]. Composites Part B: Engineering, 2008, 39(7-8): 1093-1103.

[9] CHEN B X, CHOU T W. Compaction of woven-fabric preforms: Nesting and multi-layer deformation[J]. Composites Science and Technology, 2000, 60(12-13): 2223-2231.

[10] LI L, ZHAO Y, YANG J. An experimental investigation of compaction behavior of carbon non-crimp fabrics for liquid composite molding[J]. Journal of Materials Science, 2015, 50(7): 2960-2972.

[11] 張彥飛, 劉亞青, 杜瑞奎, 等. LCM成型工藝中纖維預(yù)成型技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料, 2006, 3(6): 42-45.

ZHANG Y F, LIU Y Q, DU R K, et al. Research progress in tackified fiber perform technology for LCM[J]. Fiber Reinforced Plastics/Composites, 2006, 3(6): 42-45 (in Chinese).

[12] 李龍, 段躍新, 李超, 等. 雙軸向經(jīng)編織物T700/BMI6421復(fù)合材料力學(xué)性能[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2011, 28(6): 92-97.

LI L, DUAN Y X, LI C, et al. Mechanical properties of biaxial warp-knitted fabric T700/BMI6421 composites[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2011, 28(6): 92-97 (in Chinese).

[13] 李陽(yáng), 肇研, 劉剛, 等. 國(guó)產(chǎn)CCF300碳纖維及其NCF織物的性能[J]. 航空學(xué)報(bào), 2014, 35(10): 2889-2900.

LI Y, ZHAO Y, LIU G, et al. Properties of domestic CCF300 carbon fiber and its NCP fabrics[J]. Acta Aeronautica at Astronautica Sinica, 2014, 35(10): 2889-2900 (in Chinese).

[14] 李麗英, 孟松鶴, 張濤, 等. 定型劑對(duì)單軸向經(jīng)編織物復(fù)合材料力學(xué)性能影響的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2014, 31(2): 304-316.

LI L Y, MENG S H, ZHANG T, et al. Experimental study on effects of tackifier on mechanical properties of composites reinforced by uniaxial warp-knitting fabrics[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2014, 31(2): 304-316 (in Chinese).

[15] 丁江平, 潘利劍, 范欣愉, 等. 國(guó)產(chǎn)CCF300碳纖維4軸向無(wú)屈曲織物層合板力學(xué)性能對(duì)比研究[J]. 高科技纖維與應(yīng)用, 2010, 35(5): 26-31.

DING J P, PAN L J, FAN X Y, et al. Study on the mechanical properties of domestic CCF300 carbon fiber four axial directions non-crimp fabric laminates[J]. Hi-Tech Fiber & Application, 2010, 35(5): 26-31 (in Chinese).

[16] 何海東, 賈玉璽, 丁妍羽, 等. 無(wú)彎曲纖維織物面內(nèi)滲透率的結(jié)構(gòu)相關(guān)性[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2011, 28(5): 70-76.

HE H D, JIA Y X, DING Y Y, et al. Structure relationship of the in-plane permeability of non-crimped fabrics[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2011, 28(5): 70-76 (in Chinese).

[17] 杜洪雨, 柳作宇, 劉杰. 大型民用飛機(jī)復(fù)合材料承壓框結(jié)構(gòu)及工藝發(fā)展[C]∥第17屆全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議, 2012: 10.

DU H Y, LIU Z Y, LIU J. Structure & process methods development of composite aft pressure bulkhead for large civil aircraft[C]∥17th National Conference on Composite Materials, 2012: 10 (in Chinese).

[18] LEBRUN G, BUREAU M N, DENAULT J. Evaluation of bias-extension and picture-frame test methods for the measurement of intraply shear properties of PP/glass commingled fabrics[J]. Composite Structures, 2003, 61(4): 341-352.

[19] HARRISON P, ABDIWI F, GUO Z, et al. Characterising the shear-tension coupling and wrinkling behaviour of woven engineering fabrics[J]. Composites Part A: Applied Science & Manufacturing, 2012, 43(6): 903-914.

[20] 烏云其其格, 益小蘇. RTM雙馬樹脂用定型劑研究[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料, 2008, 27(5): 37-40.

WUYUN Q Q G, YI X S. Research on the tackifier for RTM bismaleimide-based resin[J]. Fiber Reinforced Plastics/Composites, 2008, 27(5): 37-40 (in Chinese).

[21] CHEN B, CHOU T W. Compaction of woven-fabric preforms in liquid composite molding processes:single-layer deformation[J]. Composites Science and Technology, 1999, 59(10): 1519-1526.

[22] HOESA K, DINESCUA D, SOL H. Study of nesting induced scatter of permeability values in layered reinforcement fabrics[J]. Composites Part A: Applied Science & Manufacturing, 2004, 35(12): 1407-1418.

[23] 張嘉陽(yáng), 劉剛, 李龍. 國(guó)產(chǎn)CCF300碳纖維單向織物液體成型工藝性及其復(fù)合材料力學(xué)性能[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2016, 33(1): 17-26.

ZHANG J Y, LIU G, LI L. Processability of domestic CCF300 carbon fiber unidirectional fabrics for liquid molding and mechanical properties of their composites[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2016, 33(1): 17-26 (in Chinese).

[24] 馬悅, 李煒, 梁子青. 經(jīng)編多軸向織物的壓縮性能研究[J]. 材料工程, 2007, 33(11): 28-32.

MA Y, LI W, LIANG Z Q. Compressibility and spring-back behavior of multi-axial warp knitting fabric[J]. Journal of Materials Engineering, 2007, 33(11): 28-32 (in Chinese).

[25] 劉剛, 李偉東, 李龍, 等. “離位”增韌預(yù)成型體壓縮特性[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2015, 32(4): 1194-1200.

LIU G, LI W D, LI L, et al. Compaction properties of “exsitu” toughened preforms[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2015, 32(4): 1194-1200 (in Chinese).

[26] 郭啟微, 吳曉青. 復(fù)合材料中平紋機(jī)織物的壓縮性能[J]. 紡織學(xué)報(bào), 2008, 29(5): 42-45.

GUO Q W, WU X Q. Compressibility of plain-woven fabrics in composite[J]. Journal of Textile Research, 2008, 29(5): 42-45 (in Chinese).

[27] 陳萍, 李宏運(yùn), 陳祥寶. 鋪層方式對(duì)織物滲透率的影響[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2001, 18(1): 30-33.

CHEN P, LI H Y, CHEN X B. Effect of layers on permeability[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2001, 18(1): 30-33 (in Chinese).

[28] LOUIS M, HUBER U. Investigation of shearing effect on the permeability of woven fabrics and implementation into LCM simulation[J]. Composites Science and Technology, 2003, 63(14): 2081-2088.

[29] 李文曉, 薛元德. 樹脂傳遞模塑工藝中滲透率的測(cè)定[J]. 建筑材料學(xué)報(bào), 2000, 3(3): 258-263.

LI W X, XUE Y D. Permeability measurement in resin transfer molding[J]. Journal of Building Material, 2000, 3(3): 258-263 (in Chinese).

[30] 祝君軍, 段躍新, 陳吉平, 等. 碳纖維經(jīng)編織物定型參數(shù)及滲透特性[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2012, 29(3): 42-48.

ZHU J J, DUAN Y X, CHEN J P, et al. Packifier parameters and permeability characteristics of non-crimp stitched carbon fabrics[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2012, 29(3): 42-48 (in Chinese).

Influenceofdifferentwarpknittedfabricsonprocessabilityandpermeabilityofpreform

WUKaiwen1,YANGJin2,LILong2,ZHAOXiaoran2,LIUGang3,LIShaoliang4,ZHAOYan2,*

1.SchoolofEnergyandPowerEngineering,BeihangUniversity,Beijing100083,China.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,BeihangUniversity,Beijing100083,China3.BeijingInstituteofAeronauticalMaterials,AVICCompositesCenter,Beijing100095,China4.MilitaryRepresentativeOfficeofAirForceBeijing,Beijing100038,China

Inthepaper,uniaxial,biaxialandquadriaxialwarpknittedfabricsmadeofdomesticT300carbonfibers-plainwerestudied,andtestsonthesetttingeffect,compressibilityandpermeabilityofthepreformswerecarriedouttoshowtheinfluenceofdifferentwarpknittedfabricsonsettingprocessabilityandpermeabilitywiththesamesettingprocessandamountoftackifer.ItisfoundthatduringtestsonspringbackofC-shapeandthickness,thespringbackofthethicknessofthequadriaxialfabricisabout1.2%andthespringbackoftheC-shapeofthequadriaxialfabricis6°,quadriaxialfabric’sshape-fixingperformanceisthebestwiththesamemassfraction.Besides,theformingresultschangeswithfiberbeamwidthandbeamspacing.Thetestofpreformcompressibilityshowsthatthequadriaxialfabricisthebest.Thetestofpermeabilityofthepreformin-planeshowsthatquadriaxialpreform’sin-planepermeabilityincreasesbyabout15%afterthescatterationoftheresin.ItisconfirmedthatthequadriaxialfabrichasthebestRTMprocessperformanceandshape-fixingperformanceafterthesameamountofresinisscatteredonthewarpknittedfabric.

warpknittedfabrics;RTM;tackifier;preform;composites

2017-03-11；Revised2017-04-05；Accepted2017-04-11Publishedonline2017-05-190927

URL：http://hkxb.buaa.edu.cn/CN/html/20171023.html

.E-mailjennyzhaoyan@buaa.edu.cn

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2017.421238

V258+.3

A

1000-6893(2017)10-421238-12

2017-03-11；退修日期2017-04-05；錄用日期2017-04-11；< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

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吳凱文,楊晉,李龍,等.不同經(jīng)編織物對(duì)預(yù)成型體定型工藝性及滲透特性的影響J. 航空學(xué)報(bào)，2017,38(10):421238.WUKW,YANGJ,LIL,etal.InfluenceofdifferentwarpknittedfabricsonprocessabilityandpermeabilityofpreformJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2017,38(10):421238

(責(zé)任編輯：李世秋)