玻璃纖維織物在剪切變形作用下的滲透率

楊文權(quán)， 蔣金華， 陳南梁

(1. 東華大學(xué) 產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院, 上海 201620)

真空導(dǎo)入模塑工藝(VIMP)是從樹脂傳遞模塑成型(RTM)工藝中衍變出的一種高效復(fù)合材料成型技術(shù)，其利用真空負(fù)壓將樹脂吸入模腔并完成對纖維增強(qiáng)體的浸潤，具有環(huán)保、易操作、低成本、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航天航空、汽車制造、建筑工程和風(fēng)電葉片等領(lǐng)域[1-2]。與傳統(tǒng)的RTM工藝相比，VIMP沒有上模，不能控制增強(qiáng)材料的厚度，但可依靠真空袋膜在大氣作用下將織物壓緊，達(dá)到較高的纖維體積分?jǐn)?shù)[3]。此外，VIMP更易排出纖維增強(qiáng)體中的空氣，從而減少干斑和疵點(diǎn)的產(chǎn)生；VIMP不受構(gòu)件尺寸的限制，尤其適合制備大尺寸構(gòu)件。在VIMP、RTM等各類成型過程中，滲透率是表征樹脂在織物或預(yù)成型體中流動(dòng)快慢的物理參數(shù)。

滲透率的大小主要由纖維體積分?jǐn)?shù)、纖維取向、織物組織等因素決定，不僅直接決定了復(fù)合材料的成型周期，而且對纖維增強(qiáng)體的浸潤效果有很大的影響[4- 5]，因此，充分了解織物的滲透率意義重大。然而，由于構(gòu)件形狀復(fù)雜多樣，纖維增強(qiáng)體在某些部位不可避免地受到剪切作用，特別是在預(yù)成型體存在球面或曲面的情形中，此時(shí)，剪切變形可導(dǎo)致局部纖維或織物重新排列和分布，增加了樹脂浸潤的復(fù)雜程度。田正剛等[6]研究了不同剪切角度下編織纖維氈的主軸滲透比和主軸方向，并建立了理論預(yù)測模型。楊波等[7]通過建立正交單胞幾何模型，構(gòu)造了數(shù)值求解樹脂流動(dòng)控制方程的高分辨TVD格式。Demaría等[8]通過研究表明，織物發(fā)生剪切變形后的滲透率變化不僅可由纖維體積分?jǐn)?shù)的改變而引起，織物幾何結(jié)構(gòu)的改變也是一個(gè)重要的影響因素。Endruweit等[9]將紗線看作圓柱體構(gòu)建織物幾何模型，并推算出主滲透率和各參數(shù)之間的等式關(guān)系。這些研究大都以建模為主，未考慮剪切變形后紗線形態(tài)的變化，通常和實(shí)際情況存在一定的差異。本文采用單向法測試了同種織物在不同剪切角度下的滲透率，并比較了不同織物組織對纖維預(yù)成型體滲透率的影響規(guī)律，揭示了纖維增強(qiáng)材料在剪切作用下樹脂流動(dòng)前峰的形狀變化，以期為復(fù)合材料的成型及其工藝設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

所用增強(qiáng)材料為玻璃纖維平紋布、玻璃纖維斜紋布，斜紋布為2上2下斜紋組織。除組織不同外，2種織物的其他參數(shù)均相同：經(jīng)緯密為 5根/cm，經(jīng)緯紗線密度為312 tex，面密度為 300 g/m2。每次實(shí)驗(yàn)均采用同種織物按同一方向鋪層堆疊，實(shí)驗(yàn)設(shè)置層數(shù)為6層。為方便測量織物厚度，實(shí)驗(yàn)時(shí)在織物與真空袋之間加上1塊厚度為2 mm的硬質(zhì)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄板，避免實(shí)驗(yàn)過程中真空袋隨著織物表面變得凹凸不平而影響織物厚度測量的準(zhǔn)確性。圖1示出滲透率測試原理示意圖。

圖1 滲透率測試原理示意圖Fig.1 Schematic principle of permeability test

1.2 可視化流動(dòng)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置為自行設(shè)計(jì)的玻璃平板模具，如圖2所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求選擇不同織物組織，將其剪切一定的角度α、12 cm×40 cm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，所有實(shí)驗(yàn)均鋪放6層試樣，鋪放織物時(shí)需小心謹(jǐn)慎以防止織物自動(dòng)剪切。樹脂的流動(dòng)方向均垂直于緯紗方向，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)選用透明的真空袋密封織物，以便觀察腔內(nèi)樹脂的流動(dòng)情況?？椢锩芊夂筮M(jìn)行抽真空處理，檢查氣密性后方可繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.2 Test device

圖3 單向流動(dòng)實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.3 Schematic diagram of unidirectional flow test

實(shí)驗(yàn)采用黏度穩(wěn)定的進(jìn)口硅油代替樹脂，在常溫下硅油黏度穩(wěn)定在350 mPa·s左右，避免了環(huán)境溫度對實(shí)驗(yàn)的干擾，且易于清洗。實(shí)驗(yàn)在常溫下進(jìn)行，溫度為(25±5)℃，每隔3 min記錄硅油流動(dòng)前峰的位置，每次實(shí)驗(yàn)共記錄10個(gè)位置。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法及原理

相關(guān)研究結(jié)果[10]表明，單向法測試滲透率較徑向法更準(zhǔn)確，其測試結(jié)果離散度較小，而徑向法則適合用來確定主滲透率的方向，因此，本文實(shí)驗(yàn)選擇用單向法測定纖維增強(qiáng)材料的表觀滲透率，即樹脂從纖維鋪層的左端線性注入，在纖維鋪層的右端抽真空排除空氣。VIMP中假設(shè)樹脂為不可壓縮流體，預(yù)成型體為多孔隙介質(zhì)，則樹脂在預(yù)成型體中的流動(dòng)過程服從Darcy定律。只考慮一維流動(dòng)情形，由Darcy定律可推出樹脂單向流動(dòng)方程：

▽P

(1)

(2)

式中：▽P為流體在長度l(m)上的壓強(qiáng)降,MPa；μ為流體黏度,Pa·s；l為t時(shí)刻樹脂流動(dòng)前峰位置，m；ΔP為2注射口和流動(dòng)前峰的壓強(qiáng)差；φ為預(yù)成型體的孔隙率，%；K為滲透率,m2，反映流體在多孔介質(zhì)中流動(dòng)的難易程度。

假設(shè)ΔP恒定，在t=0、l=0時(shí)對式(2)積分可得：

(3)

ΔP=Pin-Pout

(4)

式中：Pin為注入口壓力,MPa；Pout為排氣出口壓力，MPa。本文條件下壓強(qiáng)差為0.1 MPa。

通過記錄的t時(shí)刻與其所對應(yīng)的流動(dòng)前峰位置l，以l2為縱坐標(biāo)、t為橫坐標(biāo)作圖，再通過線性擬合得出直線的斜率k，最后計(jì)算出滲透率：

(5)

從式(5)可看出，預(yù)成型體的孔隙率φ直接影響K值的大小，而其又直接由增強(qiáng)材料的纖維體積分?jǐn)?shù)決定：

(6)

式中：Vf為纖維的體積,m3；V為模腔的體積,m3。

纖維的體積和模腔的體積可分別寫為：

(7)

V=Sh

(8)

式中：n為鋪層層數(shù)；ρ為織物面密度,(°)；S為織物的表面積,m2；ρf為纖維的密度,g/cm3；h為真空狀態(tài)下預(yù)成型體的厚度,m；α為織物剪切角,(°)。

綜合式(6)～(8)可得：

(9)

2 結(jié)果與討論

2.1 剪切角度對滲透率的影響

在已有的關(guān)于預(yù)成型體剪切變形作用下的滲透率研究中，大多數(shù)的測試方式局限在平板鋪層的徑向流動(dòng)測試。為方便對異形結(jié)構(gòu)滲透率的模擬和生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，本文選用斜紋織物并設(shè)置了0°、10°、20°和30°共4種剪切角度，考察剪切作用對增強(qiáng)體滲透率的影響。斜紋織物為左斜紋，剪切方向也向左，即同向剪切。圖4示出流動(dòng)前峰位置l與時(shí)刻t的關(guān)系曲線。當(dāng)t=30 min時(shí)，對應(yīng)上述3種情況，樹脂分別流動(dòng)至31.8、27.0、24.1、18.6 cm處。由此可見，剪切變形的確阻礙了樹脂在織物中的滲透流動(dòng)。剪切角越大，這種阻礙作用也越明顯。

圖4 樹脂流動(dòng)距離與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curves between position and time of resin flow

實(shí)驗(yàn)測得預(yù)成型體的厚度如表1所示。假設(shè)玻璃纖維的體積密度為2.6 g/cm3，結(jié)合式(5)、(9)可計(jì)算出預(yù)成型體的滲透率。與未發(fā)生剪切情形相比，織物以10°剪切后滲透率下降了近43%。隨著剪切角的增大，預(yù)成型體的滲透率逐漸下降，當(dāng)剪切角為30°時(shí)，垂直緯紗方向的滲透率不到原來的30%。

表1 織物剪切角度對纖維預(yù)成型體滲透率的影響Tab.1 Effect of fabric shearing angle on permeability of fiber preforms

首先，織物剪切變形會(huì)使織物的面密度有所增加，從而增大了預(yù)成型體的纖維體積分?jǐn)?shù)。根據(jù)Kozney-Carman方程[11]可知，預(yù)成型體滲透率與纖維體積分?jǐn)?shù)成反比。從表1可看出，剪切變形后織物的厚度發(fā)生了變化，當(dāng)織物10°剪切后其厚度有所降低。厚度降低使纖維體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加，所以織物10°剪切后滲透率明顯下降。其次，緯紗與流體的滲透方向垂直，是流體前進(jìn)的主要障礙，當(dāng)單位長度內(nèi)緯紗根數(shù)越多，樹脂需繞過的障礙也就越多?？椢锏募羟凶饔迷龃罅司暶?，所以剪切角越大，這種阻礙作用也就越明顯。

2.2 剪切方向?qū)B透率的影響

斜紋織物根據(jù)紋路斜向的不同，分為左斜紋和右斜紋。當(dāng)織物紋路斜向與剪切方向相同時(shí)，稱為同向剪切；反之，稱為異向剪切。在2.1節(jié)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加1組對照實(shí)驗(yàn)，即在其他條件不變的情況下，只改變織物的剪切方向，使織物向右發(fā)生剪切變形，即異向剪切。

表2示出2種情形下的滲透率測試結(jié)果?？煽闯?，當(dāng)剪切角為10°時(shí)，異向剪切比同向剪切更有利于樹脂的流動(dòng)。造成這種結(jié)果的原因在于剪切方向改變了織物紋路的傾斜角。有文獻(xiàn)[12]表明，織物紋路具有一定的引流作用。異向剪切減小了織物紋路與樹脂流向的夾角，從而在一定程度上有利于樹脂的浸潤。而當(dāng)剪切角為20°和30°時(shí)，剪切方向?qū)︻A(yù)成型體的滲透率幾乎沒有影響。這可解釋為當(dāng)剪切角較大時(shí)，緯密的增加占阻礙樹脂流動(dòng)的主導(dǎo)因素。

表2 不同剪切方向下預(yù)成型體的滲透率Tab.2 Permeability of preform under different shear directions

2.3 不同織物組織剪切變形后的滲透率

設(shè)計(jì)上述4種剪切角度，測試平紋織物和斜紋織物剪切變形后的滲透率。斜紋織物剪切方向與紋路斜向相同。不同織物組織在剪切變形作用下的滲透率如表3所示。

表3 不同織物組織剪切變形后的滲透率Tab.3 Permeability of fabric with different weave after shear deformation

由表3可以看出，這2種織物組織在滲透率方面表現(xiàn)出一定的差異：在織物不發(fā)生剪切變形時(shí)，斜紋織物的滲透率明顯大于平紋織物，雖然二者具有相同的經(jīng)緯密和面密度，但不同的紗線交織規(guī)律使樹脂的流動(dòng)通道發(fā)生了變化；與平紋織物相比，斜紋織物交織次數(shù)少，整體結(jié)構(gòu)較為稀松，另一方面斜紋浮長線較長，這都有利于樹脂對纖維增強(qiáng)體的浸潤，因此，織物組織是影響纖維增強(qiáng)材料滲透率的另一個(gè)重要因素。

從整體上看，隨著剪切角度的增大，預(yù)成型體的滲透率逐漸減小。對于平紋織物，10°剪切反而使織物的滲透率略有增加。原因可能是小幅度的剪切變形使纖維束間的流動(dòng)通道變得狹長，狹窄的通道引起了毛細(xì)效應(yīng)，增加了樹脂流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。而當(dāng)剪切角較大時(shí)，纖維束逐漸靠攏，流動(dòng)通道幾乎消失，因此，在剪切角為30°時(shí)纖維預(yù)成型體的滲透率下降幅度較大。

預(yù)成型體剪切變形后的滲透率變化可用滲透率變化率來表示，即預(yù)成型體剪切前后滲透率差值與剪切前的滲透率的比值。由表3比較發(fā)現(xiàn)，斜紋織物的滲透率對剪切變形較平紋織物更為敏感。值得注意的是，平紋在10°剪切時(shí)滲透率不降反升，這對優(yōu)化工藝參數(shù)和縮短生產(chǎn)周期具有一定的意義。

2.4 剪切作用對樹脂流動(dòng)前峰形狀的影響

對于同種織物組織，在垂直于樹脂流動(dòng)方向上的不同部位可認(rèn)為大體一致，但是織物疵點(diǎn)、織物鋪層方式以及導(dǎo)流管長度等外在因素會(huì)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成一定的干擾，導(dǎo)致樹脂的流動(dòng)前峰為非直線型。剪切作為一種特殊變形，改變了樹脂流動(dòng)通道的形狀和分布，對樹脂的滲透行為產(chǎn)生了影響。為探究織物剪切變形對樹脂流動(dòng)前峰形狀的影響，選用斜紋織物作為纖維增強(qiáng)材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，織物剪切角為30°，采用異向剪切，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同時(shí)刻樹脂的流動(dòng)前峰Fig.5 Shape of resin flow front at different moments

通過對比4個(gè)不同時(shí)刻的流動(dòng)前峰形狀可以發(fā)現(xiàn)，剪切變形使樹脂的流動(dòng)前峰逐漸發(fā)生傾斜，并最終趨于穩(wěn)定。而當(dāng)織物不發(fā)生剪切變形時(shí)，樹脂的流動(dòng)前峰近似一條直線，且與緯紗平行(見圖2)。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因是：樹脂在預(yù)成型體中的流動(dòng)分為宏觀流動(dòng)和微觀流動(dòng)[13]，宏觀流動(dòng)是指樹脂在紗線間的流動(dòng)，微觀流動(dòng)則是指樹脂在紗線內(nèi)的浸潤；在一般情況下，宏觀流動(dòng)速度較快，但微觀流動(dòng)也能對預(yù)成型體的滲透率產(chǎn)生影響。

圖6為樹脂流動(dòng)微觀示意圖。假設(shè)樹脂流經(jīng)織物某一單胞，樹脂的速度為v，速度方向與經(jīng)紗平行。當(dāng)樹脂遇到緯紗這一阻礙時(shí)，可將流動(dòng)速度分解為豎直速度v2和水平速度v1。豎直速度v2使部分樹脂繞過緯紗，其余樹脂會(huì)滲透至緯紗內(nèi)部發(fā)生微觀流動(dòng)；水平速度v1使部分樹脂沿緯紗這一橋梁向右運(yùn)動(dòng)。從總體上看，樹脂既向前流動(dòng)，又向右集聚，因此，織物剪切變形后樹脂的流動(dòng)前峰向右上方傾斜，并且隨著時(shí)間的增加，樹脂的流動(dòng)前峰越接近一條直線。從圖中還可看出，織物向右剪切使樹脂遇到緯紗阻礙時(shí)產(chǎn)生一個(gè)向右的水平速度，所以樹脂流動(dòng)前峰的傾斜方向由剪切方向決定，與織物本身紋路的傾斜方向無關(guān)。

圖6 樹脂流動(dòng)微觀示意圖Fig.6 Microscopic sketch of resin flow

3 結(jié) 論

剪切變形改變了織物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，給實(shí)際生產(chǎn)中的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)和模擬預(yù)測帶來了困難。本文將纖維增強(qiáng)材料視作多孔介質(zhì)，符合達(dá)西定律，采用單向法測試了2種不同的織物組織在不同剪切角度下的滲透率，結(jié)合織物內(nèi)部紗線的幾何結(jié)構(gòu)和排列，分析了剪切角度及方向?qū)ζ錆B透率的影響。在大多數(shù)情況下，剪切變形增大了纖維體積分?jǐn)?shù)，使纖維增強(qiáng)材料的滲透率明顯減??；對于斜紋織物而言，織物的剪切方向不同，滲透率也有一定的差異，因?yàn)榭椢锏募y路傾斜角度隨剪切方向發(fā)生變化，具體差異表現(xiàn)在剪切角為10°時(shí)，同向剪切較異向剪切對樹脂滲透的阻礙更大；對比2種織物組織剪切變形后的滲透率發(fā)現(xiàn)，在相同剪切角度下，斜紋織物的滲透率下降較為明顯，而平紋織物滲透率在剪切角小于10°時(shí)略有上升，隨后逐漸變??；剪切變形改變了樹脂在織物內(nèi)部的流動(dòng)通道，從而影響了纖維增強(qiáng)材料的滲透特性，具體表現(xiàn)為樹脂的流動(dòng)前峰隨著滲透時(shí)間的增加漸漸傾斜，最終趨于穩(wěn)定，與緯紗形成一定的夾角。