三維機織變厚度預制體滲透特性

卓 鵬，劉 強，趙 龍，寧慧銘，周勝兵，胡 寧，3，周海麗，李 超，張立泉

（1.中國航空制造技術(shù)研究院復合材料技術(shù)中心，北京 101300；2.重慶大學航空航天學院，重慶 400044；3.河北工業(yè)大學 機械工程學院，天津 300401；4.南京玻璃纖維研究設(shè)計院，南京 211101）

0 引言

樹脂基復合材料具有低密度、高比強度、高比剛度和良好的耐久性以及整體成型等優(yōu)點，被廣泛用于航空制造領(lǐng)域。采用樹脂基復合材料結(jié)構(gòu)可以提高航空發(fā)動機的性能，實現(xiàn)高減重，例如：GE 公司采用的復合材料結(jié)構(gòu)單個大涵道風扇葉片已經(jīng)達到減重10%以上，單臺發(fā)動機葉片數(shù)量減少了25%以上（由22 片減至16 片），是當今樹脂基復合材料結(jié)構(gòu)在高性能發(fā)動機冷端部件上應(yīng)用的重要標志。另外，在LEAP-X、GE9X等發(fā)動機上，風扇葉片、風扇包容機匣等部件使用了三維機織復合材料，該復合材料是把X、Y、Z3個方向的紗線交織整合為一個整體，通過Z向的增強，實現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)層板復合材料的層間性能及抗沖擊性能[1-3]。

三維機織復合材料采用的是樹脂模塑傳遞工藝RTM（Resin Transfer Molding），該工藝為非熱壓罐成型低成本復合材料成型技術(shù)[4]，即：將織造完成的三維機織預制體放入成型模具，將樹脂注入模具腔體中，浸潤纖維預制體，樹脂經(jīng)過升溫、固化，最終成型出三維機織復合材料制件。對于復合材料制件的復雜結(jié)構(gòu)（如發(fā)動機風扇葉片），在樹脂注入模具腔體的過程中，通過減紗的方式改變?nèi)S機織預制體的厚度[5-6]，會使預制體內(nèi)纖維的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進而影響預制體的滲透特性。目前，復合材料預制體滲透性能的前期研究主要集中在單向織物或二維織物堆疊成的鋪層結(jié)構(gòu)的平板預制體滲透率測試以及影響滲透率的因素研究[7-14]，如：預制體鋪層結(jié)構(gòu)及厚度、纖維體積含量、毛細壓力、流動速度、試驗流體黏度、纖維剪切變形等影響因素。還有一些研究是針對不同結(jié)構(gòu)的預制體滲透性進行的測試，如葉片大梁、帶筋壁板等結(jié)構(gòu)[15-17]。而針對三維機織預制體的滲透性的研究較少，Alhussein等[18]在其研究中測試了3D織物預制體的面內(nèi)和面外的滲透特性。三維正交結(jié)構(gòu)的機織預制體在面內(nèi)的滲透特性更趨近于各向異性介質(zhì)，且面外的滲透率受到纖維體積含量的影響更大。劉振國等[19]研究了三維五向編織預制體的滲透率，通過徑向法實驗測量了三維全五向編織平板預制體的滲透率，獲得了不同編織角下預制件的軸向和垂向的非飽和滲透率。本項目組也在前期工作針對三維機織預制體采用超聲透射法測試了三維機織預制體的面外滲透特性[20]。而減紗結(jié)構(gòu)的三維機織預制體的滲透特性目前還沒有得到系統(tǒng)研究。

本文針對含減紗結(jié)構(gòu)的三維機織預制體，設(shè)計了滲透特性的測試裝置。測試三維機織預制體不同的減紗間距、減紗帶的方向及表面減紗結(jié)構(gòu)對三維機織預制體滲透特性的影響，為帶減紗帶的三維機織結(jié)構(gòu)預制體RTM成型工藝中的充模過程提供參考。

1 實驗材料與方法

本次研究所使用威海拓展公司的CCF800G碳纖維作為三維機織預制體的機織材料。測試用三維機織預制體由南京玻璃纖維研究設(shè)計院織造，織造的結(jié)構(gòu)為貫穿角連鎖結(jié)構(gòu)，經(jīng)紗的紗線規(guī)格為48K（48 000根紗線），緯紗的紗線規(guī)格為36K。滲透測試中采用植物油模擬樹脂在三維機織預制體中的滲透過程，測試的環(huán)境溫度為室溫。

碳纖維絲束通過織機織造成含有不用減紗帶的不同形狀的機織預制體。將機織預制體放置在有機玻璃制成的模具型腔中，通過抽真空的方式將樹脂注入型腔中，將機織預制體纖維浸潤，液體的注入壓力約為95 kPa。

減紗帶預制體模具結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于預制體下表面均為平面結(jié)構(gòu)，因此模具的下壓板和側(cè)板保持不變，通過改變上壓板內(nèi)表面形狀來適配預制體結(jié)構(gòu)。上壓板采用下陷式結(jié)構(gòu)以保證裝模到位和密封。本次研究共測試了7種不同結(jié)構(gòu)的預制體，具體試驗件編號及預制體結(jié)構(gòu)見表1。

表1 測試預制體試驗件列表Tab.1 List of testing preform samples

圖1 減紗帶預制體滲透測試模具示意圖及測試模具Fig.1 Diagram and testing mold for the permeability testing of the preform with tow reduction

2 結(jié)果分析

2.1 無減紗帶預制體滲透規(guī)律

首先對無減紗帶的平板結(jié)構(gòu)預制體試驗件進行了滲透特性測試，試驗件的尺寸為300 mm×300 mm。1號試驗件的表層紗線規(guī)格為24 K，2號試驗件的表層紗線規(guī)格為48 K，其余經(jīng)緯紗規(guī)格保持一致。樹脂滲透預制體過程如圖2a）和b）所示。從圖中可見，樹脂浸潤預制體的流動前鋒面積呈橢圓形，其X，Y軸方向與預制體經(jīng)緯紗方向存在一定角度。1號試驗件中樹脂流動前鋒橢圓形X軸與預制體經(jīng)紗方向呈31°，2號試驗件樹脂流動前鋒橢圓形X軸與預制體經(jīng)紗方向呈29°。在1號試驗件中，樹脂在X方向速度明顯快于Y方向，而在2號試驗件中，X和Y方向樹脂的流動速率差距小于1號試驗件。記錄兩個試驗件中樹脂在不同時刻流動前鋒位置，通過式（1）和式（2）可計算出預制體的X，Y方向的滲透率，結(jié)果如圖2c）所示。

圖2 a)表層經(jīng)紗紗線規(guī)格為24K 無減紗帶三維機織預制體滲透測試；b)表層經(jīng)紗紗線規(guī)格為48K 無減紗帶三維機織預制體滲透測試；c)不同表層經(jīng)紗紗線規(guī)格無減紗帶三維機織預制體X，Y 方向滲透率比較Fig.2 a)3D woven preform with 24K surface warp tows but no tow reduction permeability test;b)3D woven preform with 48K surface warp tows but no tow reduction permeability test;c)X and Y direction permeability comparison between 3D woven preform with different surface fiber tow size.

式中：Kx為X方向滲透率，Ky為Y方向滲透率；R0、Rx、Ry分別為注入半徑、X方向流動前沿半徑、Y方向流動前沿半徑；η為流體黏度，Φ為空隙率；t是液體從開始注入到流動前沿半徑所用的時間；ΔP是注入口和流動前沿之間的壓力差。

由結(jié)果可知，1號試驗件預制體X向的滲透率較高，為2號試驗件預制體X方向滲透率的4倍。1號試驗件和2號試驗件Y方向的滲透率近似。X方向滲透率的差異主要由不同的表層經(jīng)紗紗線規(guī)格造成。1號試驗件表層經(jīng)紗紗線規(guī)格為24K，紗線較細，紗線之間的間隙要多于2號試驗件，這些間隙充當了樹脂的流道，從而提高了該方向的滲透率。由于1號試驗件和2號試驗件的緯紗紗線規(guī)格相同，因此Y方向的滲透率相似。

2.2 不同減紗帶間距對樹脂滲透影響

3號試驗件和4號試驗件為2種減紗帶距離不同的預制體試驗件，2個試驗件的長度和寬度為300 mm，厚端高度為14.3 mm，薄端為8.2 mm，表層經(jīng)紗紗線規(guī)格為48 K，與2號試驗件一致。3號試驗件減紗帶的整體長度為200 mm，共5層減紗，每層減紗的間距為50 mm，結(jié)構(gòu)如圖3a）所示；4號試驗件減紗帶的整體長度為80 mm，共5 層減紗，每層減紗的間距為20 mm，結(jié)構(gòu)如圖3b）所示。樹脂的流動方向如圖3 所示，與預制體的經(jīng)向一致。

圖3 含減紗帶3 號和含減紗帶4 號預制體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Sketch of No.3 and No.4 preforms with tow reduction

2個試驗件放置在與型面相匹配雙面模具中，樹脂由試驗件厚端中部進入，從薄側(cè)中部流出。除進出膠口，預制體四邊均用膩子密封。2個試驗件樹脂浸潤過程如圖4所示，樹脂流動前鋒呈橢圓形。與1號和2號試驗件相似，樹脂流動前鋒所呈橢圓形X軸的方向與預制體經(jīng)紗方向夾角為30°左右。

圖4 含減紗帶3 號和含減紗帶4 號試驗件樹脂浸潤過程Fig.4 Resin infusion figures of No.3 and No.4 preforms with tow reduction

通過攝像裝置可記錄樹脂滲透過程中不同時刻預制體上下表面樹脂流動前鋒的位置。圖5a）和b）展示了3號試驗件和4號試驗件不同時間上、下表面流動前鋒的位置。由圖5a）可見，3號試驗件同一時間下流動前鋒在上、下表面的位置基本一致。而4號試驗件下表面的流動前鋒速度要略低于上表面。3號試驗件樹脂到達出膠口的時間更長，大約為30 min；4號試驗件樹脂到達出膠口的時間約為23 min。3號試驗件中由于減紗帶分布均勻，樹脂的流動較為平緩，樹脂流動前鋒跨過減紗帶的時間約為3～5 min。4號試驗件減紗帶距離較短，流動前鋒跨過減紗帶的時間也較短。從圖5b）可看出，4號試驗件樹脂的流動在機織預制體的經(jīng)向方向上比3號試驗件快，因此形成的樹脂流動前鋒形狀更趨于扁平的橢圓形。3號試驗件樹脂在14 min后流動前鋒趨于水平向前移動，而4號試驗件的流動前鋒一直呈橢圓形向前移動直到到達出膠口并填滿模腔。

圖5 含減紗帶3 號和含減紗帶4 號試驗件不同時間流動前鋒位置Fig.5 Resin low front of preform No.3 and No.4 at different time

通過測試結(jié)果可以看出，減紗帶的間距影響了樹脂在預制體中的流動。當減紗帶的間距較小時，預制體的厚度急劇減小。上表面的樹脂與模具腔體上表面斜坡相遇，從而樹脂在4號預制體上表面的流速要高于下表面。同時，由于樹脂在經(jīng)向方向的流動速度增加可能導致在緯向方向的流速降低。

2.3 減紗帶方向與樹脂注射方向呈不同角度對樹脂滲透影響

5號試驗件與6號試驗件分別為減紗帶與樹脂流動方向呈0°及45°的預制體。5號試驗件結(jié)構(gòu)與3號試驗件相似，減紗的間距同為50 mm，如圖6a）所示。但樹脂不是從厚端流向薄端，而是從側(cè)向進出膠。樹脂進出膠口方向與機織預制體的經(jīng)向一致。

樹脂在5號試驗件中浸潤過程及不同時刻流動前鋒位置如圖6b）和c）所示。流動前鋒的形狀與之前的試驗件一致呈橢圓形，與經(jīng)向夾角為30°左右。與減紗帶與流動方向呈90°的3號試驗件相比，樹脂在5號試驗件中的流動速度比3號慢很多。樹脂到達出膠口一側(cè)需要60 min，為3號試驗件的2倍時間。從圖6同樣可以看出，由于減紗層，預制體厚度減小，樹脂在預制體中上表面的流速要高于下表面。

圖6 含減紗帶5 號預制體結(jié)構(gòu)示意圖，試驗件樹脂浸潤過程及試驗件不同時間流動前鋒位置Fig.6 Sketch,infusion process and flow front at different times of preform No.5

6號試驗件減紗帶的角度為45°，減紗的間距同為50 mm，結(jié)構(gòu)如圖7a）所示。進膠口與出膠口位置以及經(jīng)紗方向如圖7b）所示。6 號試驗件不同時刻樹脂流動前鋒如圖7c）所示。樹脂流動前鋒不再呈橢圓形，而是與經(jīng)紗方向呈30°直線向前移動。而且樹脂在試驗件較薄的一側(cè)（左側(cè)）的流動速度要高于較厚一側(cè)（右側(cè)）。6號試驗件樹脂到達出膠口的時間大約為12 min。6號試驗件流動前鋒形狀與1-5號試驗件的不同，主要由于進出膠口的方向與經(jīng)紗的方向不同造成。1-5 號試驗件中進出膠口方向與經(jīng)紗方向一致，而6 號試驗件中進出膠口方向與經(jīng)紗方向呈90°。但樹脂的主流動方向仍保持與經(jīng)紗方向夾角為30°左右，因此6號試驗件的流動前鋒更接近于試驗件2中Y方向的流動前鋒，呈現(xiàn)為一條與經(jīng)紗夾角30°的斜線，而不是橢圓狀。

圖7 含減紗帶6 號預制體結(jié)構(gòu)示意圖，試驗件樹脂浸潤過程及試驗件不同時間流動前鋒位置Fig.7 Sketch,infusion process and flow front at different times of preform No.6

3號試驗件、5號試驗件和6號試驗件均為同樣含有間隔為50 mm的減紗帶預制體，但減紗帶方向與樹脂注射方向與經(jīng)紗的夾角不同。比較3個試驗件的樹脂到達出膠口時間，如圖8所示。減紗帶與樹脂注射方向呈0°（5號試驗件）樹脂到達出膠口的時間最長，而減紗帶與樹脂注射方向呈45°（6號試驗件）樹脂到達出膠口的時間最短。減紗帶與樹脂注射方向呈90°（3號試驗件）樹脂到達出膠口的時間居中。6號試驗件樹脂到達出膠口時間最短是由于6號試驗件總體體積最小，需要的樹脂量少。同時，6號試驗件的進膠口在較薄一側(cè)，因此樹脂在前期的流動會更快。5號試驗件和3號試驗件體積相同，但5號試驗件的充模時間較長可能是由于合模過程中壓力過高導致纖維體積含量提升，或是出現(xiàn)真空泄露導致真空壓力不足引起。

圖8 減紗帶方向與樹脂注射方向呈不同角度的試驗件的樹脂到達出膠口的時間Fig.8 Resin reaching outlet time of preforms with tow reduction lines at different angles

2.4 含減紗帶典型結(jié)構(gòu)滲透測試

三維機織航空復合材料結(jié)構(gòu)存在不同位置厚度和曲面的變化，相應(yīng)的三維機織預制體中包含多種不同間距、不同角度的減紗帶。因此，選取一典型航空機織復合材料制件結(jié)構(gòu)作為測試對象，如圖9所示。該典型件預制體尺寸為300 mm×300 mm，上、下兩面均含減紗帶，厚端厚度為22 mm，薄端厚度為4 mm，典型件預制體選擇與之前試驗件同樣的紗線規(guī)格和機織結(jié)構(gòu)。從圖9中可以看到減紗帶的形狀為多個半橢圓形，在中間和下側(cè)減紗帶的間距較寬，在左、右兩側(cè)減紗帶的間距較窄。進膠口設(shè)置在厚端的中間位置，進膠的方向與機織預制體經(jīng)紗方向一致。在典型結(jié)構(gòu)試驗件的中間部分可以近似為如3 號和4 號試驗件中分布的水平方向的減紗帶。在典型結(jié)構(gòu)試驗件的兩側(cè)可以近似為如5號試驗件中垂直方向的減紗帶，且減紗帶的間距較小，約5 mm。其余位置的減紗帶與進出膠口方向呈一定角度，與6號試驗件相似。

圖9 含減紗帶典型結(jié)構(gòu)示意圖及典型結(jié)構(gòu)試驗件Fig.9 A sketch and a photo of a typical preform with tow reduction lines

含減紗帶典型結(jié)構(gòu)試驗件不同時刻上下表面流動前鋒位置如圖10 所示。樹脂充滿模具的時間約為7.5 min（450 s），由于上下表面減紗帶的分布不同，上下表面的流動前鋒存在一定差異。上表面前1.5 min（90 s）流動前鋒為圓弧形，樹脂在中間的流動速率要高于兩側(cè)。在1.83 min（110 s）后，兩側(cè)的樹脂流動前鋒與中間基本平齊，流動前鋒形狀變?yōu)榻浦本€向前推進。到4.5 min（270 s）后，兩側(cè)樹脂流動速率高于中間部分，流動前鋒變?yōu)榕c起始時相反的圓弧形。樹脂最后填充的區(qū)域為出膠口右側(cè)20 mm左右，接近最下端減紗帶圓弧頂端所在位置。下表面樹脂流動速率要高于上表面，0.83 min（50 s）時樹脂流動前鋒到達試驗件中間而上表面需要2.5 min（150 s）。下表面的流動前鋒在前3.5 min（210 s）均為圓弧形，3.5 min（210 s）后與上表面相似逐漸變?yōu)橹本€再變?yōu)橄喾吹膱A弧形。下表面樹脂最后填充的區(qū)域為出膠口左側(cè)20 mm左右，接近最下端減紗帶圓弧頂端所在位置，與上表面一致。下表面右側(cè)邊緣樹脂流動較快，可能是由于邊緣密封不完全導致產(chǎn)生樹脂流道。

圖10 含減紗帶葉片典型結(jié)構(gòu)試驗件不同時間流動前鋒位置Fig.10 Flow front of the typical preform with tow reduction lines at different times

由圖10 可以看出，典型結(jié)構(gòu)試驗件中樹脂的主流動方向與平板試驗件有一定差異。典型結(jié)構(gòu)試驗件中，前期的樹脂流動前鋒為橢圓形，但樹脂的主流動方向與經(jīng)紗的夾角要小于30°，主要由于典型結(jié)構(gòu)試驗件左右兩側(cè)減紗帶間距小，且密集，厚度迅速變薄，從而樹脂在橫向方向的流動速度要比平板試驗件中更快。由于側(cè)邊減紗帶和側(cè)邊樹脂流道的影響，在3 min左右側(cè)邊樹脂的流動速度超過了樹脂的主流動方向，流動前鋒變?yōu)榻朴谥本€，并在4 min后邊為相反的橢圓圓弧形。從RTM成型工藝的角度，需要在制件成型時避免側(cè)面樹脂流動過快而在中部區(qū)域形成空腔，從而產(chǎn)生缺陷。

3 結(jié)論

1）本試驗中的三維機織預制體樹脂滲透流動前鋒為橢圓形，預成型體為滲透各向異性介質(zhì)。樹脂的流動主要沿預制體的經(jīng)紗方向，樹脂流動方向與經(jīng)紗的夾角為30°左右。表面紗線規(guī)格不同會影響樹脂在機織預制體中的滲透率。

2）復合材料三維機織預制體通過減紗工藝獲得了變厚度的預制體試驗件，本次研究測試了不同減紗帶間距以及減紗帶與樹脂流動方向呈不同角度的樹脂滲透過程。減紗帶的間距不同，樹脂在機織預制體中流動前鋒的形貌不同。減紗帶間距較大時，樹脂流動較為平緩，流動前鋒橢圓形的短軸較長。減紗帶間距較小時，樹脂流動前鋒更趨于扁平的橢圓形。減紗帶與樹脂流動方向呈不同角度的滲透試驗中，樹脂在含有減紗帶的預制體中的主流動方向仍為與經(jīng)紗的夾角約為30°的方向。

3）典型結(jié)構(gòu)試驗件中預制體的厚度變化不規(guī)律，在不同的區(qū)域存在不同類型的減紗帶。在減紗帶間距較小的區(qū)域，機織預制體的厚度變化較大，樹脂在該區(qū)域的流動速率有所升高，并超過了預制體中樹脂主流動方向的速率。典型結(jié)構(gòu)件的測試可指導三維機織航空復合材料構(gòu)件的RTM成型工藝的優(yōu)化。