復合材料樹脂傳遞模塑注膠工藝調(diào)控方法與技術

張國利， 張 策， 史曉平， 王志鵬， 姜 茜

(1. 天津工業(yè)大學 紡織科學與工程學院, 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學 復合材料研究院,天津 300387； 3. 天津工業(yè)大學 先進紡織復合材料教育部重點實驗室, 天津 300387)

樹脂傳遞模塑成型 (RTM)是用于復合材料制件的一種閉模成型工藝。利用壓力驅(qū)動將反應性液體樹脂注入到預先鋪放纖維預制體的密閉模腔中，在保壓狀態(tài)下，通過對模具加熱升溫引發(fā)樹脂固化反應，借助界面效應使樹脂與增強體結合成具有優(yōu)異物理、化學及特定功能的一體化復合材料結構件，開模后可獲得所需的復合材料制件產(chǎn)品。

相較其他復合材料成型傳統(tǒng)工藝，RTM工藝的特點主要是：低黏度樹脂在閉合模腔內(nèi)流動，成型過程中可有效控制苯乙烯的揮發(fā)，使工作環(huán)境清潔，利于身體健康和環(huán)境保護[1]；同時，RTM成型工藝具有成型制件尺寸精度高，內(nèi)外表面光潔度高，可選用樹脂種類多，制件纖維含量高 (55%～60%)等技術優(yōu)勢；其注膠壓力大(低壓為0.1～1 MPa、中壓為 1～3 MPa、高壓為3～30 MPa)，是制備復雜形狀干態(tài)織物鋪層、立體機織、三維編織及織物縫合結構復合材料的有效成型工藝。RTM工藝是目前復合材料領域成型技術的主要發(fā)展方向之一[2]，該成型技術已在航空航天[3-4]、船舶[5-6]、汽車輕量化[7-8]等領域獲得廣泛應用。

受RTM成型工藝參數(shù)選擇(模具預熱溫度、樹脂預熱溫度、注膠溫度、注膠壓力、注膠時間)、模具結構設計、預制件交織結構類型、RTM制件復雜程度等多因素的影響，充模過程中，極難使樹脂在模腔內(nèi)各部位充分浸潤，其內(nèi)部易殘留一定量未浸潤區(qū)域，嚴重時會造成制件的報廢。為此，本文針對RTM工藝調(diào)控方法與技術問題，分析了RTM成型過程中氣泡纏裹和干斑形成的機制，探討成型過程中非確定性因素對RTM注膠流動質(zhì)量的影響，提出RTM樹脂流動形態(tài)調(diào)控的新技術與方法，為復合材料成型技術研發(fā)提供參考。

1 RTM工藝技術局限性

RTM成型過程屬于閉模成型，因此，可能會形成干斑與氣泡纏裹問題，造成工藝技術局限性。

1.1 注膠缺陷問題

從提高產(chǎn)品的質(zhì)量方面考慮，注膠要求成品均勻性好，避免樹脂富裕區(qū)或貧瘠區(qū)的形成[9]。應用RTM工藝的實際注膠過程中，采用有限次試驗確定單一壓力或流量的注膠工藝，無法實現(xiàn)對高厚度復雜結構制件流動的有效控制，制件易形成樹脂未浸潤的干斑區(qū)[10-12]和氣泡纏裹[13]兩大問題。形成的干斑會破壞復合材料的力學性能[14]，影響結構安全。氣泡不僅會引起復合材料構件強度不一致及表面質(zhì)量低劣[15]，還會降低復合材料的使用耐久性和耐疲勞性能[16]，導致材料早期失效[17]。Ghiorse[18]發(fā)現(xiàn)制件中含有1%的氣泡會導致層間剪切強度下降7%，且氣泡是濕氣滲入的通道,會降低纖維與樹脂的結合強度，使材料使用壽命下降。相關研究[19-20]表明，復合材料力學性能隨空隙率的增加會急劇下降。

1.2 影響注膠質(zhì)量的非確定性因素

RTM工藝可一次性快速成型大型復雜構件，為構件提供光滑表面，后處理工作量小，但其制件易產(chǎn)生干斑和氣泡纏裹問題。當樹脂流速過高時，樹脂不能充分浸潤纖維束內(nèi)部，造成干斑的形成；當樹脂流速較低時，由于纖維束內(nèi)部的毛細浸潤現(xiàn)象，使纖維束間的浸潤較慢，導致氣泡纏裹現(xiàn)象的產(chǎn)生[21]。本文總結了采用RTM工藝過程中對注膠產(chǎn)生影響的主要因素。

1.2.1 預型體滲透率區(qū)域分布差異性

復合材料可成型結構比較復雜的制件，會造成制件局部厚度超差過大及厚度變化過大，使模腔內(nèi)形成過壓實與超壓實封閉區(qū)。不同壓實區(qū)域內(nèi)、區(qū)域間滲透率量值差異較大，樹脂形成快速流動、慢速浸潤、繞流、旋流耦合流動。樹脂未進入超壓實封閉區(qū)形成干斑；快速流動區(qū)的閉合形成氣泡纏裹。圖1(a)示出汽車B柱各部分的厚度分布[10]?？煽闯觯鞑糠值暮穸炔町惡艽?，最厚區(qū)域為8 mm，造成預型體滲透率區(qū)域分布差異很大，在相同注膠情況下，此部分易形成超壓實區(qū)域。圖1(b)示出注膠后的超壓實區(qū)形成的干斑?？芍?，預型體滲透率區(qū)域分布的差異性對注膠工藝有重要影響。

圖1 汽車底B柱部分注膠情況Fig.1 Injection situation of B-pillar part of automobile bottom. (a) Thickness of different zones; (b) Picture after resin injection

1.2.2 預型體紗束空間交織規(guī)律的差異性

圖2示出樹脂的流動類型。受預型體織物內(nèi)部紗束空間交織規(guī)律差異的影響，樹脂在不同結構、區(qū)域的預型體中產(chǎn)生一維單向、二維面內(nèi)及三維[22]宏觀單一流動或三類耦合流動，在空隙區(qū)、半封閉區(qū)、封閉區(qū)存在繞流、旋流流動，形成復雜流動前沿形狀，產(chǎn)生干斑與氣泡纏裹。當預型體的紗束空間規(guī)律差異較大時，可能以匯聚流鋒[23]的干燥點形式出現(xiàn)。而雙尺度編織預成型件[24]內(nèi)毛細流動與體積流動不平衡也可能會導致預成型件的不完全飽和。

圖2 樹脂流動類型Fig.2 Resin flow types. (a) Unidirectional flow; (b) 2-D in-plane flow; (c) 3-D macroscopic flow

1.2.3 預型體與模腔尺寸的差異性

采用RTM工藝注膠過程中，由于預型體尺寸較為復雜，會發(fā)生預型體尺寸與模腔尺寸不匹配的現(xiàn)象，導致模腔表面局部存在間隙區(qū)、無壓接觸區(qū)及超壓實封閉區(qū)。間隙區(qū)、無壓接觸區(qū)內(nèi)樹脂流動形成邊緣效應[25]，邊緣效應使快速流動樹脂與其他慢速流動樹脂的交匯造成氣泡纏裹；間隙區(qū)臨近區(qū)域因滲透率較低，形成干斑區(qū)，如圖3所示[26]。研發(fā)精確預成型技術，替代現(xiàn)有的近凈預成型技術是制備高質(zhì)量產(chǎn)品的關鍵。

圖3 流道效應形成的干斑Fig.3 Dry spot due to race-tracking effect

1.2.4 模具進出料口位置數(shù)量與所需的差異性

對于結構復雜的制件，會存在模具注膠口形狀、位置、數(shù)量及出膠口位置與數(shù)量設計不合理的情況，使得預制件特征區(qū)域最后浸潤區(qū)與出膠口不在同一位置，導致注膠過程中產(chǎn)生氣泡纏裹和干斑區(qū)。圖4示出汽車前部的注膠情況[5]?？煽闯?，有些位置雖然是最后浸潤區(qū)，卻沒有設置出膠口，導致干斑的形成，因此，大型復雜結構RTM模具進出膠口位置與數(shù)量的準確設計是制備低空隙含量制件的技術關鍵。

圖4 汽車前部注膠情況Fig.4 Injection situation of front part of Car. (a) Position of inlet and outlet; (b) Position of dry spot

2 RTM樹脂流動形態(tài)調(diào)控新技術

2.1 多進出膠口樹脂流動調(diào)控方法

在復合材料制件的實際生產(chǎn)過程中，由于預型體結構復雜，會與模腔存在間隙和過壓實區(qū)，造成樹脂分區(qū)流動和繞流，形成未浸潤區(qū)。推力反向器復合材料軸[27]的成型難點為制件厚度為3～30 mm，存在外形突變區(qū)域、增厚區(qū)域樹脂流量與流動壓力急劇降低，容易形成未浸潤區(qū)。且由于制件復雜，需要在樹脂基體有限長度加工窗口內(nèi)(小于凝膠時間)，確保反推力軸預制體高質(zhì)量浸潤，為此，采用多注膠口結構設計，可通過數(shù)值模擬合理設計進出膠口位置，消除未浸潤區(qū)，設計方案如圖5所示。所示3個案例的總注膠時間分別為114、 126和 220 min。案例1和案例3 都有干斑出現(xiàn)的風險，可采用方案2進行注膠口的設計來降低干斑出現(xiàn)的概率。由于制件較為復雜，如果增加注膠壓力，可能會造成樹脂沖刷織物，使其局部變形，影響制件性能，因此，需要設置多組進出料口，控制樹脂在模腔內(nèi)的流動速度，保證制件完全浸潤。

圖5 仿真案例Fig.5 Simulation cases. (a) Injection position of case 1; (b) Injection position of case 2; (c) Injection position of case 3; (d) Dry spot position of case 1; (e) Dry spot position of case 2; (f) Dry spot position of case 3

2.2 局部可調(diào)模腔高度注膠方法

當復合材料制件厚度不一致時，可使沿樹脂流動方向的滲透率變化較大。采用增加局部超壓實區(qū)模腔高度的注膠方法，可將超壓實區(qū)變?yōu)檎簩崊^(qū)，增加該區(qū)域的滲透率，當樹脂完全浸潤之后，再將模腔調(diào)回制件的原尺寸，如圖6所示。Alms等[28]利用真空誘導預成形松弛技術，在預成型件上方制造真空，這使得壓縮織物的壓縮力減小，從而控制腔體下方區(qū)域的樹脂流動，由于預制體的滲透性暫時增加，增加了樹脂流速，從而減少了模具的填充時間。這種方法可減低預制件壓實程度，解決超壓實區(qū)因樹脂繞流造成的氣體包裹及不可滲透浸潤(干斑)問題。

圖6 局部可調(diào)模腔高度示意圖Fig.6 Schematic diagram of local adjustable cavity height. (a) Increase height of injection cavity; (b) Cavity lock and curing

2.3 局部濕法模壓與RTM耦合注膠方法

由于用RTM工藝可生產(chǎn)結構復雜的制件，制件某些部位不可避免會存在外形突變區(qū)域，就會形成超壓實封閉區(qū)。而通過常規(guī)的樹脂流動，樹脂很難完全浸潤這些區(qū)域，導致干斑的形成。通過在超壓實區(qū)封閉區(qū)采用濕法模壓方法預置定量的液態(tài)樹脂、B態(tài)膠膜或預浸料，其他壓實區(qū)采用RTM注膠方法，可解決殘留氣體排出和樹脂浸潤等問題。圖7 示出局部濕法模壓與RTM耦合注膠示意圖。Ma等[29]將RTM工藝與預浸料工藝相結合，通過共固化的方式制備碳纖維/環(huán)氧樹脂層壓板。研究發(fā)現(xiàn)2種樹脂體系具有良好的樹脂相容性，這說明采用共固化的方式是可行的。利用此種方法可解決因樹脂無法浸潤該區(qū)域形成的干斑問題。

圖7 局部濕法模壓與RTM耦合注膠示意圖Fig.7 Schematic diagram of resin injection of local wet molding coupling with RTM

2.4 分段均壓力差RTM注膠方法

在某些制件結構較為復雜或者尺寸較大時，注膠壓力和注膠速度會隨著路徑的延長而降低，導致樹脂很難浸潤滲透率較大區(qū)域。通過在模腔區(qū)域設置多級注膠口，采用分段均壓力差方法進行注膠，以實現(xiàn)模腔區(qū)域間等壓力差注膠。MA等[29]采用分段均壓力差RTM注膠方法對復雜制件進行注膠，避免了干斑和氣泡的產(chǎn)生。利用這種方法可降低模腔內(nèi)區(qū)域間注膠壓力、注膠速度間的差異，如圖8所示。可使構件內(nèi)部注膠速度均衡，提升模腔內(nèi)各區(qū)域樹脂宏觀流動與微觀流動的一致性程度，降低因空氣纏裹造成的空隙殘存問題。

圖8 單注膠口與多級注膠口注膠速度比較Fig.8 Comparison between single gate injection (a) and multiple gates progressive injection (b)

2.5 感應加熱主動控制流速

Johnson等[30]實施主動流量控制, 使用感應線圈加熱進而降低在低滲透區(qū)域的樹脂黏度, 抵消預成型體滲透性不均勻的影響, 改善流動前沿的均勻性。但感應線圈功率必須實時變化使樹脂黏度降低, 流動滲透到低滲透區(qū)域,以防止樹脂在填充過程中過早凝膠。通過主動流動控制能夠縮短充型時間，改善整個充型過程的流場均勻性，以消除干斑的形成。

3 復合材料構件RTM成型工程實踐

圖9示出復合材料T型結構件，其厚度為1.5～3 mm，纖維體積分數(shù)為50%～60%。由于T型接頭的分叉較多，會形成復雜的流動前沿，容易形成氣泡包裹。針對T型接頭薄壁結構特性，采用3種流道設計方案對其進行充模模擬。

圖9 復合材料T型接頭Fig.9 T-shaped composite structural parts

方案1為A、B(B為結構件中A的對稱位置)2處為注膠口，三面接口C、D和E為出膠口；方案2為中間面D為環(huán)流注射面，C和E對應兩面為出膠口；方案3為中間面D和側面C為環(huán)流注射面，另一側面E為出膠口。注膠結果如圖10所示。

方案1的壓力分布很不均勻，且隨著注膠距離的增加壓力下降很快，注膠時間最長；方案2的壓力分布相對均勻，注膠時間最短；方案3雖然注膠時間中等，但由于是對稱注膠，一旦兩端樹脂的流動前沿不能同時到達，就會在圖10(c)和(f)圓圈所示位置產(chǎn)生氣泡包裹，造成制件的缺陷。根據(jù)注膠方案，設計的T型模具如圖11所示。并最終采用方案2對T型結構件進行注膠。實際效果表明，采用方案2對T型結構件進行注膠生產(chǎn)的復合材料結構件表面光潔，且無干斑和氣泡纏裹現(xiàn)象的發(fā)生。這充分說明采用適當?shù)淖⒛z方案可很大程度減少復合材料結構件缺陷的產(chǎn)生。

圖10 T型結構件仿真案例Fig.10 Simulation cases of T-type composite. (a) Injection time of case 1; (b) Injection time of case 2; (c) Injection time of case 3; (d) Injection pressure of case 1; (e) Injection pressure of case 2; (f) Injection pressure of case 3

圖11 T型RTM模具示意圖Fig.11 Schematic diagram of resin injection mold

4 結束語

樹脂傳遞模塑注膠工藝可與計算機技術聯(lián)用，在不影響注膠的情況下，在模具內(nèi)部設置傳感器，自動檢測模腔內(nèi)樹脂流動壓力、速度及流動前沿位置，實現(xiàn)進出膠口開閉、樹脂注射量及樹脂流動前沿形狀的連續(xù)化、可視化、實時自動調(diào)節(jié)，替代現(xiàn)有非連續(xù)、試驗式、黑箱化模腔注膠人工調(diào)控方法。

樹脂傳遞模塑注膠工藝的另一個優(yōu)點是可通過計算機技術進行數(shù)值模擬和實時仿真研究，且理論模型也將由單一參數(shù)、理想狀態(tài)向多參數(shù)、更接近實際的方向發(fā)展。樹脂傳遞模塑注膠工藝中產(chǎn)生的干斑和氣泡雖然會對制件產(chǎn)生重要的影響，但隨著研究學者對注膠工藝調(diào)控方法與技術的不斷探究，相信將會全面地解決干斑和氣泡問題。