復(fù)合材料樹(shù)脂傳遞模塑注膠工藝調(diào)控方法與技術(shù)

張國(guó)利， 張 策， 史曉平， 王志鵬， 姜 茜

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院, 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學(xué) 復(fù)合材料研究院,天津 300387； 3. 天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300387)

樹(shù)脂傳遞模塑成型 (RTM)是用于復(fù)合材料制件的一種閉模成型工藝。利用壓力驅(qū)動(dòng)將反應(yīng)性液體樹(shù)脂注入到預(yù)先鋪放纖維預(yù)制體的密閉模腔中，在保壓狀態(tài)下，通過(guò)對(duì)模具加熱升溫引發(fā)樹(shù)脂固化反應(yīng)，借助界面效應(yīng)使樹(shù)脂與增強(qiáng)體結(jié)合成具有優(yōu)異物理、化學(xué)及特定功能的一體化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，開(kāi)模后可獲得所需的復(fù)合材料制件產(chǎn)品。

相較其他復(fù)合材料成型傳統(tǒng)工藝，RTM工藝的特點(diǎn)主要是：低黏度樹(shù)脂在閉合模腔內(nèi)流動(dòng)，成型過(guò)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(hù)[1]；同時(shí)，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(shù)脂種類多，制件纖維含量高 (55%～60%)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)；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(fù)雜形狀干態(tài)織物鋪層、立體機(jī)織、三維編織及織物縫合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的有效成型工藝。RTM工藝是目前復(fù)合材料領(lǐng)域成型技術(shù)的主要發(fā)展方向之一[2]，該成型技術(shù)已在航空航天[3-4]、船舶[5-6]、汽車輕量化[7-8]等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

受RTM成型工藝參數(shù)選擇(模具預(yù)熱溫度、樹(shù)脂預(yù)熱溫度、注膠溫度、注膠壓力、注膠時(shí)間)、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、預(yù)制件交織結(jié)構(gòu)類型、RTM制件復(fù)雜程度等多因素的影響，充模過(guò)程中，極難使樹(shù)脂在模腔內(nèi)各部位充分浸潤(rùn)，其內(nèi)部易殘留一定量未浸潤(rùn)區(qū)域，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成制件的報(bào)廢。為此，本文針對(duì)RTM工藝調(diào)控方法與技術(shù)問(wèn)題，分析了RTM成型過(guò)程中氣泡纏裹和干斑形成的機(jī)制，探討成型過(guò)程中非確定性因素對(duì)RTM注膠流動(dòng)質(zhì)量的影響，提出RTM樹(shù)脂流動(dòng)形態(tài)調(diào)控的新技術(shù)與方法，為復(fù)合材料成型技術(shù)研發(fā)提供參考。

1 RTM工藝技術(shù)局限性

RTM成型過(guò)程屬于閉模成型，因此，可能會(huì)形成干斑與氣泡纏裹問(wèn)題，造成工藝技術(shù)局限性。

1.1 注膠缺陷問(wèn)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(shù)脂富裕區(qū)或貧瘠區(qū)的形成[9]。應(yīng)用RTM工藝的實(shí)際注膠過(guò)程中，采用有限次試驗(yàn)確定單一壓力或流量的注膠工藝，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)高厚度復(fù)雜結(jié)構(gòu)制件流動(dòng)的有效控制，制件易形成樹(shù)脂未浸潤(rùn)的干斑區(qū)[10-12]和氣泡纏裹[13]兩大問(wèn)題。形成的干斑會(huì)破壞復(fù)合材料的力學(xué)性能[14]，影響結(jié)構(gòu)安全。氣泡不僅會(huì)引起復(fù)合材料構(gòu)件強(qiáng)度不一致及表面質(zhì)量低劣[15]，還會(huì)降低復(fù)合材料的使用耐久性和耐疲勞性能[16]，導(dǎo)致材料早期失效[17]。Ghiorse[18]發(fā)現(xiàn)制件中含有1%的氣泡會(huì)導(dǎo)致層間剪切強(qiáng)度下降7%，且氣泡是濕氣滲入的通道,會(huì)降低纖維與樹(shù)脂的結(jié)合強(qiáng)度，使材料使用壽命下降。相關(guān)研究[19-20]表明，復(fù)合材料力學(xué)性能隨空隙率的增加會(huì)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(fù)雜構(gòu)件，為構(gòu)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(wèn)題。當(dāng)樹(shù)脂流速過(guò)高時(shí)，樹(shù)脂不能充分浸潤(rùn)纖維束內(nèi)部，造成干斑的形成；當(dāng)樹(shù)脂流速較低時(shí)，由于纖維束內(nèi)部的毛細(xì)浸潤(rùn)現(xiàn)象，使纖維束間的浸潤(rùn)較慢，導(dǎo)致氣泡纏裹現(xiàn)象的產(chǎn)生[21]。本文總結(jié)了采用RTM工藝過(guò)程中對(duì)注膠產(chǎn)生影響的主要因素。

1.2.1 預(yù)型體滲透率區(qū)域分布差異性

復(fù)合材料可成型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的制件，會(huì)造成制件局部厚度超差過(guò)大及厚度變化過(guò)大，使模腔內(nèi)形成過(guò)壓實(shí)與超壓實(shí)封閉區(qū)。不同壓實(shí)區(qū)域內(nèi)、區(qū)域間滲透率量值差異較大，樹(shù)脂形成快速流動(dòng)、慢速浸潤(rùn)、繞流、旋流耦合流動(dòng)。樹(shù)脂未進(jìn)入超壓實(shí)封閉區(qū)形成干斑；快速流動(dòng)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?，各部分的厚度差異很大，最厚區(qū)域?yàn)? mm，造成預(yù)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(shí)區(qū)域。圖1(b)示出注膠后的超壓實(shí)區(qū)形成的干斑。可知，預(yù)型體滲透率區(qū)域分布的差異性對(duì)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(yù)型體紗束空間交織規(guī)律的差異性

圖2示出樹(shù)脂的流動(dòng)類型。受預(yù)型體織物內(nèi)部紗束空間交織規(guī)律差異的影響，樹(shù)脂在不同結(jié)構(gòu)、區(qū)域的預(yù)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(dòng)或三類耦合流動(dòng)，在空隙區(qū)、半封閉區(qū)、封閉區(qū)存在繞流、旋流流動(dòng)，形成復(fù)雜流動(dòng)前沿形狀，產(chǎn)生干斑與氣泡纏裹。當(dāng)預(yù)型體的紗束空間規(guī)律差異較大時(shí)，可能以匯聚流鋒[23]的干燥點(diǎn)形式出現(xiàn)。而雙尺度編織預(yù)成型件[24]內(nèi)毛細(xì)流動(dòng)與體積流動(dòng)不平衡也可能會(huì)導(dǎo)致預(yù)成型件的不完全飽和。

圖2 樹(shù)脂流動(dòng)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(yù)型體與模腔尺寸的差異性

采用RTM工藝注膠過(guò)程中，由于預(yù)型體尺寸較為復(fù)雜，會(huì)發(fā)生預(yù)型體尺寸與模腔尺寸不匹配的現(xiàn)象，導(dǎo)致模腔表面局部存在間隙區(qū)、無(wú)壓接觸區(qū)及超壓實(shí)封閉區(qū)。間隙區(qū)、無(wú)壓接觸區(qū)內(nèi)樹(shù)脂流動(dòng)形成邊緣效應(yīng)[25]，邊緣效應(yīng)使快速流動(dòng)樹(shù)脂與其他慢速流動(dòng)樹(shù)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(yù)成型技術(shù)，替代現(xiàn)有的近凈預(yù)成型技術(shù)是制備高質(zhì)量產(chǎn)品的關(guān)鍵。

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

1.2.4 模具進(jìn)出料口位置數(shù)量與所需的差異性

對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制件，會(huì)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(shè)計(jì)不合理的情況，使得預(yù)制件特征區(qū)域最后浸潤(rùn)區(qū)與出膠口不在同一位置，導(dǎo)致注膠過(guò)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(rùn)區(qū)，卻沒(méi)有設(shè)置出膠口，導(dǎo)致干斑的形成，因此，大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)RTM模具進(jìn)出膠口位置與數(shù)量的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)是制備低空隙含量制件的技術(shù)關(guān)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(shù)脂流動(dòng)形態(tài)調(diào)控新技術(shù)

2.1 多進(jìn)出膠口樹(shù)脂流動(dòng)調(diào)控方法

在復(fù)合材料制件的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于預(yù)型體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，會(huì)與模腔存在間隙和過(guò)壓實(shí)區(qū)，造成樹(shù)脂分區(qū)流動(dòng)和繞流，形成未浸潤(rùn)區(qū)。推力反向器復(fù)合材料軸[27]的成型難點(diǎn)為制件厚度為3～30 mm，存在外形突變區(qū)域、增厚區(qū)域樹(shù)脂流量與流動(dòng)壓力急劇降低，容易形成未浸潤(rùn)區(qū)。且由于制件復(fù)雜，需要在樹(shù)脂基體有限長(zhǎng)度加工窗口內(nèi)(小于凝膠時(shí)間)，確保反推力軸預(yù)制體高質(zhì)量浸潤(rùn)，為此，采用多注膠口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可通過(guò)數(shù)值模擬合理設(shè)計(jì)進(jìn)出膠口位置，消除未浸潤(rùn)區(qū)，設(shè)計(jì)方案如圖5所示。所示3個(gè)案例的總注膠時(shí)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(fēng)險(xiǎn)，可采用方案2進(jìn)行注膠口的設(shè)計(jì)來(lái)降低干斑出現(xiàn)的概率。由于制件較為復(fù)雜，如果增加注膠壓力，可能會(huì)造成樹(shù)脂沖刷織物，使其局部變形，影響制件性能，因此，需要設(shè)置多組進(jìn)出料口，控制樹(shù)脂在模腔內(nèi)的流動(dòng)速度，保證制件完全浸潤(rùn)。

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(dāng)復(fù)合材料制件厚度不一致時(shí)，可使沿樹(shù)脂流動(dòng)方向的滲透率變化較大。采用增加局部超壓實(shí)區(qū)模腔高度的注膠方法，可將超壓實(shí)區(qū)變?yōu)檎簩?shí)區(qū)，增加該區(qū)域的滲透率，當(dāng)樹(shù)脂完全浸潤(rùn)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(dǎo)預(yù)成形松弛技術(shù)，在預(yù)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(shù)脂流動(dòng)，由于預(yù)制體的滲透性暫時(shí)增加，增加了樹(shù)脂流速，從而減少了模具的填充時(shí)間。這種方法可減低預(yù)制件壓實(shí)程度，解決超壓實(shí)區(qū)因樹(shù)脂繞流造成的氣體包裹及不可滲透浸潤(rùn)(干斑)問(wèn)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(jié)構(gòu)復(fù)雜的制件，制件某些部位不可避免會(huì)存在外形突變區(qū)域，就會(huì)形成超壓實(shí)封閉區(qū)。而通過(guò)常規(guī)的樹(shù)脂流動(dòng)，樹(shù)脂很難完全浸潤(rùn)這些區(qū)域，導(dǎo)致干斑的形成。通過(guò)在超壓實(shí)區(qū)封閉區(qū)采用濕法模壓方法預(yù)置定量的液態(tài)樹(shù)脂、B態(tài)膠膜或預(yù)浸料，其他壓實(shí)區(qū)采用RTM注膠方法，可解決殘留氣體排出和樹(shù)脂浸潤(rùn)等問(wèn)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(yù)浸料工藝相結(jié)合，通過(guò)共固化的方式制備碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂層壓板。研究發(fā)現(xiàn)2種樹(shù)脂體系具有良好的樹(shù)脂相容性，這說(shuō)明采用共固化的方式是可行的。利用此種方法可解決因樹(shù)脂無(wú)法浸潤(rùn)該區(qū)域形成的干斑問(wèn)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(jié)構(gòu)較為復(fù)雜或者尺寸較大時(shí)，注膠壓力和注膠速度會(huì)隨著路徑的延長(zhǎng)而降低，導(dǎo)致樹(shù)脂很難浸潤(rùn)滲透率較大區(qū)域。通過(guò)在模腔區(qū)域設(shè)置多級(jí)注膠口，采用分段均壓力差方法進(jìn)行注膠，以實(shí)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(duì)復(fù)雜制件進(jìn)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?？墒箻?gòu)件內(nèi)部注膠速度均衡，提升模腔內(nèi)各區(qū)域樹(shù)脂宏觀流動(dòng)與微觀流動(dòng)的一致性程度，降低因空氣纏裹造成的空隙殘存問(wèn)題。

圖8 單注膠口與多級(jí)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(yīng)加熱主動(dòng)控制流速

Johnson等[30]實(shí)施主動(dòng)流量控制, 使用感應(yīng)線圈加熱進(jìn)而降低在低滲透區(qū)域的樹(shù)脂黏度, 抵消預(yù)成型體滲透性不均勻的影響, 改善流動(dòng)前沿的均勻性。但感應(yīng)線圈功率必須實(shí)時(shí)變化使樹(shù)脂黏度降低, 流動(dòng)滲透到低滲透區(qū)域,以防止樹(shù)脂在填充過(guò)程中過(guò)早凝膠。通過(guò)主動(dòng)流動(dòng)控制能夠縮短充型時(shí)間，改善整個(gè)充型過(guò)程的流場(chǎng)均勻性，以消除干斑的形成。

3 復(fù)合材料構(gòu)件RTM成型工程實(shí)踐

圖9示出復(fù)合材料T型結(jié)構(gòu)件，其厚度為1.5～3 mm，纖維體積分?jǐn)?shù)為50%～60%。由于T型接頭的分叉較多，會(huì)形成復(fù)雜的流動(dòng)前沿，容易形成氣泡包裹。針對(duì)T型接頭薄壁結(jié)構(gòu)特性，采用3種流道設(shè)計(jì)方案對(duì)其進(jìn)行充模模擬。

圖9 復(fù)合材料T型接頭Fig.9 T-shaped composite structural parts

方案1為A、B(B為結(jié)構(gòu)件中A的對(duì)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(duì)應(yīng)兩面為出膠口；方案3為中間面D和側(cè)面C為環(huán)流注射面，另一側(cè)面E為出膠口。注膠結(jié)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(shí)間最長(zhǎng)；方案2的壓力分布相對(duì)均勻，注膠時(shí)間最短；方案3雖然注膠時(shí)間中等，但由于是對(duì)稱注膠，一旦兩端樹(shù)脂的流動(dòng)前沿不能同時(shí)到達(dá)，就會(huì)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(shè)計(jì)的T型模具如圖11所示。并最終采用方案2對(duì)T型結(jié)構(gòu)件進(jìn)行注膠。實(shí)際效果表明，采用方案2對(duì)T型結(jié)構(gòu)件進(jìn)行注膠生產(chǎn)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件表面光潔，且無(wú)干斑和氣泡纏裹現(xiàn)象的發(fā)生。這充分說(shuō)明采用適當(dāng)?shù)淖⒛z方案可很大程度減少?gòu)?fù)合材料結(jié)構(gòu)件缺陷的產(chǎn)生。

圖10 T型結(jié)構(gòu)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(jié)束語(yǔ)

樹(shù)脂傳遞模塑注膠工藝可與計(jì)算機(jī)技術(shù)聯(lián)用，在不影響注膠的情況下，在模具內(nèi)部設(shè)置傳感器，自動(dòng)檢測(cè)模腔內(nèi)樹(shù)脂流動(dòng)壓力、速度及流動(dòng)前沿位置，實(shí)現(xiàn)進(jìn)出膠口開(kāi)閉、樹(shù)脂注射量及樹(shù)脂流動(dòng)前沿形狀的連續(xù)化、可視化、實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)，替代現(xiàn)有非連續(xù)、試驗(yàn)式、黑箱化模腔注膠人工調(diào)控方法。

樹(shù)脂傳遞模塑注膠工藝的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬和實(shí)時(shí)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(shí)際的方向發(fā)展。樹(shù)脂傳遞模塑注膠工藝中產(chǎn)生的干斑和氣泡雖然會(huì)對(duì)制件產(chǎn)生重要的影響，但隨著研究學(xué)者對(duì)注膠工藝調(diào)控方法與技術(shù)的不斷探究，相信將會(huì)全面地解決干斑和氣泡問(wèn)題。