大絲束CF/EP汽車地板VARTM模擬與高溫力學(xué)性能

黃明，祖韻秋，高亢，韋韡，張娜，朱華平，劉春太

（1 鄭州大學(xué)橡塑模具國家工程研究中心，河南 鄭州 450002；2 上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545005；3 江蘇奇一科技有限公司，江蘇 丹陽 212314）

與傳統(tǒng)金屬材料相比，碳纖維（CF）增強(qiáng)復(fù)合材料具有密度小、比強(qiáng)度和比模量高、耐腐蝕、可設(shè)計強(qiáng)、易于整體集成成型等優(yōu)點。當(dāng)前，基于小絲束的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍工等重要領(lǐng)域。傳統(tǒng)上，小絲束碳纖維性能優(yōu)異，但工藝要求嚴(yán)格、價格高昂，在向汽車、醫(yī)療等民用領(lǐng)域大范圍推廣應(yīng)用時，其成本問題便凸顯出來。而大絲束碳纖維價格相對小絲束可降低55%左右，盡管其抗拉強(qiáng)度比小絲束碳纖維稍低，但性價比高，是汽車輕量化材料的重要選擇之一。

雖然大絲束碳纖維在民用工業(yè)領(lǐng)域成本優(yōu)勢明顯，但其在液體成型時，由于單束纖維絲過多而易導(dǎo)致纖維束內(nèi)微觀浸潤困難，易產(chǎn)生干斑、氣泡以及孔隙等制造缺陷。另外，對一些同時帶有凸起、凹槽、拐角等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制件，也要考慮樹脂在纖維束間和纖維布層間的流動方式、流動速度、浸潤程度、充模時間等諸多影響成型結(jié)果的因素。傳統(tǒng)液體成型模具設(shè)計和成型工藝主要以生產(chǎn)經(jīng)驗為主，而如今，這種基于經(jīng)驗的方法已無法滿足高效率、大規(guī)模、低成本的生產(chǎn)需求。通過模擬仿真，可對樹脂在模腔中的浸潤情況、運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行反復(fù)地模擬和預(yù)測，對提高模具開發(fā)成功率、提升產(chǎn)品質(zhì)量、縮短試模周期、降低研發(fā)成本具有重要意義。邱婧婧等針對工字孔平板構(gòu)件開展了不同工藝參數(shù)下的樹脂充模過程模擬研究，驗證了三維制品液體成型模擬結(jié)果的可靠性。孫玉敏等模擬分析了風(fēng)機(jī)葉片的樹脂傳遞成型（RTM）工藝過程，優(yōu)化并確定了最佳的注射管道鋪設(shè)方案和溢料口的大小、位置與數(shù)量。劉剛等突破航空航天領(lǐng)域內(nèi)常用的高成本熱壓罐工藝，對厚壁復(fù)雜碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了RTM 技術(shù)工藝模擬，成功制作出了復(fù)合材料厚壁連桿樣件?？傮w而言，當(dāng)前國內(nèi)外針對小絲束碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的成型研究較多，技術(shù)也越來越成熟，而對大絲束碳纖維制品的液體成型模擬研究較少。

與此同時，在傳統(tǒng)的汽車裝配工藝中，以汽車地板為代表的車身結(jié)構(gòu)件要經(jīng)過電泳烘干工藝，這意味著碳纖維制件在烘干高溫下不可發(fā)生明顯的蠕變變形，且在裝配應(yīng)力和高溫狀態(tài)下要具備一定的強(qiáng)度和剛度。因此，開展大絲束碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料液體成型模擬以及高溫在線力學(xué)性能研究，對汽車輕量化具有重要意義。

本文面向低成本大絲束碳纖維在汽車領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用需求及存在的問題，采用0°/90°雙軸向縫編大絲束碳纖維布（50K）和耐高溫環(huán)氧樹脂（EP，固化后玻璃化轉(zhuǎn)變溫度185℃）開展了滲透率測試和汽車地板真空輔助樹脂傳遞成型（VARTM）模擬優(yōu)化研究，確定了最優(yōu)進(jìn)膠方式和抽氣口位置。根據(jù)模擬結(jié)果設(shè)計并制造了成型模具，試制出表面質(zhì)量良好的汽車地板制件，超景深顯微鏡觀測制品截面顯示纖維束內(nèi)和層間浸潤良好，無干斑、裹氣等缺陷，同時開展了高溫在線拉伸、應(yīng)變變化和應(yīng)變恢復(fù)行為研究。

1 碳纖維鋪層滲透率測定

1.1 理論方法

滲透率是纖維材料的固有屬性,其描述了樹脂在織物或預(yù)成型體中浸潤、滲透流動的難易情況，是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料液體成型模擬的關(guān)鍵參數(shù)。在VARTM 中，大絲束纖維的束內(nèi)浸潤至關(guān)重要，通過VARTM 模擬可優(yōu)化模具設(shè)計和工藝參數(shù)，是提高纖維束浸潤、降低干斑等缺陷的有效手段。樹脂在纖維束的流動可視為牛頓流體在多孔介質(zhì)中的流動，假定連續(xù)纖維束為剛性多孔材料，在不考慮樹脂熔體的可壓縮性和慣性力情況下，樹脂在纖維布中的流動符合Darcy 定律，一維Darcy公式可表述為式(1)。

1.2 滲透率實驗

滲透率測試采用T300級50K碳纖維經(jīng)0°/90°雙軸向縫編的碳纖維布（型號為C-PLY SP BT300 CT3 50K HS，幅寬125cm，由Chomarat Textiles Industries 生產(chǎn)），其由纖維束在徑向和緯向無交叉通過細(xì)尼龍絲編織而成，上下面纖維方向互相垂直，纖維布層厚為0.5mm，面密度為300g/cm，孔隙率為60%。滲透率測試時纖維布剪裁尺寸為200mm×300mm，鋪設(shè)4 層，纖維縫編結(jié)構(gòu)和鋪層方式如圖1所示。

圖1 纖維縫編布及鋪層方式

耐高溫環(huán)氧樹脂為惠柏ML-8190A，固化劑為ML-8190B，兩者按質(zhì)量比10∶45 進(jìn)行混合。25℃下環(huán)氧樹脂黏度為1.4～1.9Pa?s，與固化劑混合后黏度為300～400mPa?s，可操作時間為140～220min，固化條件為先在25℃保持24h（或60℃保寺4h）然后在180℃保持3h。為保證實驗測試準(zhǔn)確度，實驗前把混合溶液置于25℃真空環(huán)境下抽氣15min以去除樹脂內(nèi)的氣體。VARTM 實驗裝置如圖2 所示，參考軸向法、徑向法對編織結(jié)構(gòu)預(yù)制體滲透率進(jìn)行測試。

圖2 滲率測試實驗裝置

實驗時，首先關(guān)閉進(jìn)膠口，開啟真空泵抽真空，樹脂回收鍋壓力降至0.02MPa以下后保持10min，以確定模具整體無漏氣；然后打開進(jìn)膠口，樹脂在大氣壓力作用下快速進(jìn)入密封膜下的纖維編織布內(nèi)，膠液充滿導(dǎo)流網(wǎng)時流動前沿的位置達(dá)到統(tǒng)一，此時開始計時，記錄樹脂流動前沿到達(dá)刻度位置的時間，如表1所示。

表1 樹脂流動前沿到達(dá)刻度位置時間

對表1 實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，如圖3 所示，得到擬合直線斜率為0.01234±0.00017，擬合后=0.99692。結(jié)合式(3)，計算得到該大絲束碳纖維布的軸向滲透率K=1.152×10m，而同等條件下12K 小絲束碳纖維織物的滲透率通常不小于10m，說明大絲束碳纖維布樹脂浸潤更慢、流動阻力相對更大。

圖3 滲透率實驗數(shù)據(jù)及擬合

2 汽車地板VARTM模擬

2.1 網(wǎng)格劃分與參數(shù)設(shè)置

針對圖4 所示汽車地板的VARTM，是帶有凸起、拐角等較復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制件，為預(yù)測成型缺陷，確定合理的進(jìn)膠、抽氣方式以提高生產(chǎn)效率，本文采用PAM-RTM軟件對其進(jìn)行充模模擬分析。模擬之前，首先借助Comsol 軟件對CAD 模型進(jìn)行三角形網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)為84390，節(jié)點數(shù)為42440；然后將網(wǎng)格導(dǎo)入PAM-RTM建立分析模塊，根據(jù)產(chǎn)品2mm厚、鋪設(shè)4層大絲束纖維布的設(shè)計，對網(wǎng)格模型在厚度方向上進(jìn)行多層拉伸，使原網(wǎng)格由平面三角形網(wǎng)格拉伸并分切成4 層相同的四面體網(wǎng)格，如圖5 所示，每層代表按設(shè)計方式鋪設(shè)的0°/90°雙軸向縫編碳纖維布，因每張?zhí)疾祭w維束在0°和90°方向均勻縫編，所以同一層內(nèi)兩個互為垂直方向的滲透率均可采用上節(jié)測試的一維滲透率來表達(dá)。相關(guān)模擬參數(shù)見表2，VARTM 的特點是成型壓力低、樹脂浸潤速度慢、剪切速率小，且固化前環(huán)氧樹脂為含環(huán)氧基的低聚物，黏度非常小，因此模擬過程將其視為牛頓流體。

圖4 汽車地板CAD模型

圖5 模型網(wǎng)格

表2 模擬參數(shù)設(shè)置

根據(jù)制品尺寸和內(nèi)部構(gòu)造特點，為探索充模過程的變化和充填時間，確定最優(yōu)的進(jìn)膠方式和抽氣位置，本文采取3 種進(jìn)膠方案進(jìn)行模擬對比分析，其中方案1采取從邊2進(jìn)膠、邊4位置抽氣的方式，方案2 采取從邊3 進(jìn)膠、邊1 位置抽氣的方式，方案3采取從制件四周進(jìn)膠、中心位置抽氣的方式。

2.2 模擬結(jié)果與分析

圖6(a)和(b)分別為方案1 和方案2 的充模時間模擬云圖，結(jié)果顯示方案1樹脂完全充滿型腔時間長達(dá)23900s（398.3min），而此ML-8190A 樹脂在25℃下最大操作時間為220min，當(dāng)超過此時間時，樹脂的黏度會因交聯(lián)反應(yīng)而快速增大，直接導(dǎo)致充模阻力增加，纖維束浸潤困難，型腔無法充滿，表明方案1設(shè)計不可行。方案2因樹脂流動距離變短，充模時間大幅下降，但也長達(dá)13813s（230.2min），實際生產(chǎn)中這種情況也許能在樹脂完全固化前充滿型腔，但最后充填區(qū)域的質(zhì)量也會不佳，且生產(chǎn)效率不高。過長的充模時間說明，相對于小絲束，大絲束碳纖維較低的滲透率使樹脂流動阻力更大、纖維束浸潤更慢，在相同壓力驅(qū)動下充填速率更低。

圖6 方案1和方案2充填時間云圖

針對方案1 和方案2 充模效率低的問題，方案3 選擇在制品四周同時進(jìn)膠，抽氣位置在制品正中間位置，圖7為充模時間模擬分布圖，型腔完全充滿時間下降至2480s（41.3min），效率得到了極大提升，而最后充填區(qū)域也基本位于制品幾何中心位置。

圖7 方案3充填時間云圖

圖8 為方案3 在不同時刻樹脂充填百分比及流動形態(tài)模擬，結(jié)果顯示樹脂在流經(jīng)制件凹槽和凸臺位置時，因流動方向和流長的改變，流動前沿?zé)o法統(tǒng)一[圖8(a)]，在滯后和突前的拐角處有裹氣的風(fēng)險，但隨著充模的進(jìn)一步推移，流動前沿又逐漸恢復(fù)一致[圖8(b)]。圖8(a)和(b)同時顯示，從流動前沿向后樹脂充填百分比是逐漸增加的趨勢，說明纖維束的浸潤需要一定的時間，完全浸潤時刻要稍滯后于前沿流經(jīng)時刻。圖8(c)顯示，流動前沿基本上同時匯聚于制件幾何正中心的抽氣位置，沒有出現(xiàn)明顯的滯后現(xiàn)象，說明抽氣位置合適。

圖8 不同時刻樹脂充填百分比及流動形態(tài)

對比上述3 種方案的仿真結(jié)果，方案3 能顯著改善大絲束碳纖維VARTM 充模時間，是相對理想的方案。同時，考慮到該制品結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且凸起與凹陷位置高度差最多有6cm，因重力作用凸起部位可能浸潤不足造成干斑和氣泡，實際生產(chǎn)中為更進(jìn)一步保證制品表面和內(nèi)部質(zhì)量，在抽氣口處設(shè)置溢料口，溢料口在鋪層的上方，充填完畢后保持壓力不變繼續(xù)抽氣，直至抽氣管內(nèi)有樹脂流出且無明顯氣泡時，停止抽氣并鎖緊抽氣口。

最后需要指出的是，可靠的模擬結(jié)果一定是網(wǎng)格無關(guān)性的，為驗證該問題，將網(wǎng)格數(shù)增加至160092，其他條件不變情況下對比兩套網(wǎng)格計算的充模時間，方案1、方案2 和方案3 分別相差3.24%、2.14%和1.23%，滿足網(wǎng)格無關(guān)性的要求。

3 制品成型與高溫力學(xué)性能

3.1 模具制造與制品成型

根據(jù)方案3 設(shè)計并制造的模具如圖9 所示，在上模的型腔周圍設(shè)計流道，使樹脂通過注膠口注入后迅速充滿流道，然后從型腔四周向中心位置充填。整個成型時間大概48min，稍多于模擬的41min，考慮到實際生產(chǎn)中碳纖維布的鋪設(shè)范圍稍大于產(chǎn)品和增加的溢料時間等因素，可得出實際注膠時間和模擬結(jié)果基本吻合。固化后經(jīng)切邊的制件如圖10所示，制件表面光滑流暢，無干斑、缺膠情況。

圖9 VARTM模具

圖10 VARTM制件

3.2 纖維束浸潤形態(tài)表征

依據(jù)復(fù)合材料拉伸國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3354—1999，在制品不同部位通過水切割得到力學(xué)測試樣條，觀察其截面無明顯可見的氣泡裹挾現(xiàn)象，纖維束長度方向呈明顯灰黑色，與之正交排列的另一方向纖維呈黑色并緊密排布。超景深顯微鏡（俫卡DVM6 A）觀察切割面形貌，如圖11所示，切割面放大128倍和256倍均顯示纖維束浸潤良好，不同纖維取向?qū)咏缦廾黠@但結(jié)合良好，無孔隙、干斑等缺陷現(xiàn)象。

圖11 制件截面放大不同倍數(shù)下的掃描超景深形貌和3D掃描超景深形貌

3.3 高溫力學(xué)性能

在當(dāng)前的汽車裝配工藝中，汽車零件通常要經(jīng)過電泳烘干工藝，烘干溫度可達(dá)到120～180℃，且一般會持續(xù)半小時以上，這對碳纖維制件是一個挑戰(zhàn)。因此，開展碳纖維增強(qiáng)地板的高溫性能研究，對評估復(fù)合材料能否通過電泳烘干工藝具有重要意義。

圖12 為粘接鋁制加強(qiáng)片的拉伸試樣和島津高溫拉伸試驗機(jī)（Shimadzu AG-XPlus），為真實模擬材料在烘干工藝中的環(huán)境，試樣和夾具在設(shè)定溫度的密閉環(huán)境箱中保溫30min 后再開始拉伸測試。圖13為試樣在25℃、80℃、130℃和180℃四個溫度下的平均拉伸強(qiáng)度和模量，可以看出，拉伸模量從25℃時的55.23GPa 下降至180℃時的34.47GPa，隨溫度變化明顯，而拉伸強(qiáng)度基本沒有明顯下降，180℃下拉伸強(qiáng)度為472.24MPa，仍然保持良好的抗拉伸性能。

圖12 拉伸試樣與高溫拉伸試驗機(jī)

圖13 不同溫度下平均拉伸強(qiáng)度與拉伸模量

圖14和圖15為25℃和180℃下試樣拉斷面的電鏡照片，25℃下纖維表面有較多的樹脂黏附，表明碳纖維表面上漿劑提高了界面剪切強(qiáng)度，起到了有效傳遞載荷的作用。而180℃下碳纖維表面較為光滑，黏附樹脂較少，表明纖維與基體界面剪切強(qiáng)度減弱，結(jié)合力下降，這可能由以下原因造成：一是180℃高溫下纖維表面上漿劑已經(jīng)分解或部分分解，基體與上漿劑中的活性官能團(tuán)形成的化學(xué)結(jié)構(gòu)被破壞；二是樹脂在接近玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時可能發(fā)生了一定程度的軟化，致使樹脂與纖維表面溝槽之間形成的機(jī)械嚙合作用下降，最終導(dǎo)致試樣拉伸模量明顯降低。因此而言，要改善樹脂基復(fù)合材料高溫下的力學(xué)性能，除了要采用耐高溫樹脂，上漿劑的耐熱性也是重要影響因素。

圖14 25℃下拉伸斷面的SEM照片

圖15 180℃下拉伸斷面的SEM照片

上述拉伸測試結(jié)果表明，該復(fù)合材料在高溫下仍具備較好的抵抗外力而不被破壞的能力。同時，汽車地板在裝配狀態(tài)下不可避免地會在內(nèi)部產(chǎn)生裝配應(yīng)力，復(fù)合材料在裝配應(yīng)力和烘干高溫共同作用下是否會發(fā)生明顯的蠕變變形，是判斷該復(fù)合材料制件能否通過電泳烘干工藝的另一關(guān)鍵因素。鑒于此，采用動態(tài)力學(xué)分析儀（Q800）實驗研究了不同應(yīng)力、不同溫度下該復(fù)合材料試樣的應(yīng)變變化及應(yīng)變恢復(fù)情況，如圖16 所示，在分別施加20MPa和40MPa兩種應(yīng)力載荷30min條件下，材料的最大應(yīng)變均隨溫度的升高逐漸增大，其中180℃條件下兩種應(yīng)力作用1800s 時的最大應(yīng)變分別為0.84%和1.58%，表明溫度對試樣的應(yīng)變有較明顯影響。然而，同樣180℃條件下兩種應(yīng)力釋放1800s 時，應(yīng)變可分別恢復(fù)至0.1025%和0.2689%，均處于較低水平，表明該試樣在180℃高溫下仍具有良好的抗蠕變性能。

圖16 不同溫度下的應(yīng)變-時間曲線

4 結(jié)論

本文面向低成本大絲束碳纖維在汽車領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用需求及存在的問題開展研究，對指導(dǎo)復(fù)合材料能否通過傳統(tǒng)汽車的電泳烘干工藝具有重要意義。主要工作及結(jié)論如下。

（1）基于Darcy定律推導(dǎo)了滲透率計算公式，利用自行搭建的VARTM工藝設(shè)備測試計算了0°/90°雙軸向縫編大絲束碳纖維布（50k）滲透率，結(jié)果表明，同等條件下大絲束碳纖維織物滲透率明顯小于小絲束。

（2）開展了汽車地板VARTM 模擬優(yōu)化研究，確定了最優(yōu)進(jìn)膠方式和抽氣口位置，據(jù)此設(shè)計并制造了成型模具，試制出表面質(zhì)量良好的樣件。超景深顯微鏡觀測顯示，纖維束內(nèi)和層間浸潤良好，無干斑、裹氣等缺陷，表明在合理的模具設(shè)計和工藝條件下大絲束碳纖維布能液體成型質(zhì)量良好的制品。

（3）高溫在線拉伸結(jié)果顯示，溫度對耐高溫EP基CF復(fù)合材料拉伸模量影響顯著，而對拉伸強(qiáng)度影響不大，表明該材料在高溫下仍具備較好的抵抗外力而不被破壞的能力。高溫應(yīng)變測試則顯示，溫度對材料的應(yīng)變有較明顯影響，但180℃高溫下20MPa和40MPa 兩種應(yīng)力釋放1800s 時，應(yīng)變可分別恢復(fù)至0.1025%和0.2689%，均處于較低水平，表明該材料在高溫下仍具有良好的抗蠕變性能。