復(fù)合材料菌形蓋RTM工藝制造技術(shù)研究

摘 要 以碳纖維為代表的纖維復(fù)合材料以其優(yōu)越的比強度、比剛度、抗疲勞性及耐腐蝕性等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于各種場景。作為復(fù)合材料成型工藝的一種，樹脂傳遞成型（Resin Transfer Molding，RTM）技術(shù)具有綠色化、質(zhì)量穩(wěn)定、尺寸精度高、產(chǎn)品外形光滑平整等多種優(yōu)勢。本文基于RTM工藝，通過對基體樹脂粘度的研究，同時采用計算機輔助技術(shù)優(yōu)化流道設(shè)計及工藝參數(shù)，獲得最佳注射方式，成功制備了較大厚度、低孔隙率及高內(nèi)部質(zhì)量的碳纖維菌形蓋產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞 復(fù)合材料；RTM；菌形蓋；計算機輔助技術(shù)

Study on RTM Process Manufacturing Technology of

Composite Mushroom Shaped Cap

LIU Xinyi， XIE Tieqin， YU Baifeng， ZHANG Yunfeng， ZHOU Qi

（Harbin FRP Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT Fiber composite materials represented by carbon fiber are widely used in various scenarios due to their superior specific strength， specific stiffness， fatigue resistance， and corrosion resistance. As a type of composite material molding process， Resin Transfer Molding （RTM） technology has various advantages such as greenness， stable quality， high dimensional accuracy， and smooth and flat product appearance. This article is based on the RTM process. By studying the viscosity of the matrix resin and using computer-aided technology to optimize the flow channel design and process parameters， the optimal injection method was obtained， and a carbon fiber mushroom shaped cap product with large thickness， low porosity， and high internal quality was successfully prepared.

KEYWORDS compound material; RTM; mushroom shaped cap; computer-aided technology

1 引言

材料是工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，為產(chǎn)業(yè)提供基礎(chǔ)支撐，材料“已新代舊”是工業(yè)更好、更快、更優(yōu)發(fā)展的主要解決方案之一[1]。以玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等代表的樹脂基纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強、耐腐蝕、耐疲勞、強度可設(shè)計、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)異特性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、風機葉片、化工等多種領(lǐng)域。樹脂傳遞成型（Resin Transfer Molding，RTM）工藝是通過自然或人為加壓將低粘度樹脂灌入至密閉模具中浸潤干態(tài)纖維，并在可控時間內(nèi)固化成型的復(fù)合模塑技術(shù)[2]。作為復(fù)合材料成型工藝的一種，RTM工藝具有質(zhì)量穩(wěn)定、尺寸精度高、外形光滑平整、綠色化等多種優(yōu)勢。隨著工業(yè)對復(fù)合材料產(chǎn)品要求的提升，RTM衍生出如HP-RTM、LRTM、SCRIMP、VA-RTM等多種類型[3]。本文將基于RTM工藝制備較大厚度、高質(zhì)量的碳纖維菌形蓋產(chǎn)品。

2 材料與設(shè)備

碳纖維菌形蓋為回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，頂部設(shè)有通孔，底部為翻邊法蘭，如圖1所示，主要用于高速旋轉(zhuǎn)下轉(zhuǎn)子防護和力的傳遞。因此，碳纖維菌形蓋對尺寸精度和內(nèi)部質(zhì)量要求較高。主要規(guī)格為上通孔直徑30 mm，下圓直徑290 mm，法蘭直徑330 mm，厚度13.5 mm。

根據(jù)碳纖維菌形蓋的結(jié)構(gòu)特點，同時為保證產(chǎn)品的成型質(zhì)量和穩(wěn)定性，將選擇RTM工藝作為其成型方式。相對預(yù)浸料鋪放工藝而言，RTM工藝在纖維織物鋪放過程中省略了因產(chǎn)品厚度較大，需進行真空排氣階段，效果更高，成本更低。碳纖維菌形蓋成型用原材料及設(shè)備如表1所示，碳纖維菌形蓋成型設(shè)備主要有提供真空環(huán)境的真空泵系統(tǒng)，RTM過程的雙組份環(huán)氧注膠機以及固化過程的加熱爐。材料將采用哈爾濱玻璃鋼研究院有限公司的T700級碳纖維織物和南通星辰合成材料有限公司的環(huán)氧樹脂。

3 工藝設(shè)計與制造

3.1 模具設(shè)計

模具作為工業(yè)之母，是保證產(chǎn)品形狀和精度的關(guān)鍵部件。對于RTM成型過程，模具還需具有密封及承壓功能。模具密封性一方面為RTM過程提供真空環(huán)境，防止在樹脂灌入過程中，產(chǎn)生“氣團包裹”現(xiàn)象，造成產(chǎn)品出現(xiàn)“白斑”或浸漬不良，另一方面，模具密封性也避免樹脂溢出導(dǎo)致注膠失敗和浪費。RTM模具承壓性主要體現(xiàn)在模具合膜時纖維織物因蓬松受壓的抵抗力、樹脂灌注時的內(nèi)壓力及脫模時的變形等。因此，RTM模具需具有較大的剛度，常采用金屬材質(zhì)。碳纖維菌形蓋成型模具分為上模具和下模具，如圖2所示，材質(zhì)選用45#鋼，下模具表面設(shè)有密封槽，并用O型硅橡膠密封圈密封，壓縮量取18 %。

3.2 流道設(shè)計

流道設(shè)計是RTM工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，合理的流道設(shè)計不僅可以縮短樹脂灌注過程，還可以避免干斑、富樹脂等缺陷的形成。傳統(tǒng)RTM工藝的流道設(shè)計主要以工程經(jīng)驗為主、試錯法為輔[12]，該過程常常伴隨著多次的工藝參數(shù)更改和模具的修整，浪費大量人力物力，難以滿足現(xiàn)代復(fù)合材料模具設(shè)計及生產(chǎn)的需要。隨著計算機輔助技術(shù)的發(fā)展，RTM模具設(shè)計和制造過程中逐漸引入了數(shù)字化仿真技術(shù)，通過定量分析減少試錯率，提高RTM模具開發(fā)效率，降低生產(chǎn)周期并節(jié)約研制成本[4]。但是，RTM過程是一個復(fù)雜的動態(tài)變化過程[5]，涉及樹脂的反應(yīng)放熱，直觀表現(xiàn)為樹脂的粘度變化，為降低計算難度，同時考慮到樹脂在未達到固化溫度時，反應(yīng)較為緩慢，故將樹脂浸潤纖維織物的過程簡化為單一的物理過程，并忽略樹脂在灌注時模具的變形和纖維的沖刷變形，即不可壓縮，該過程僅看作牛頓流體在多孔介質(zhì)中的層流流動，遵循Darcy定律[6，7]，表達式如公式（1）所示。

V=-KμP（1）

式中，V為體積流量，K為介質(zhì)滲透率，μ為流體粘度，P為流體壓力。由于RTM過程纖維增強材料常常已確定，提供注膠壓力的方式有限，可認為滲透率和流體壓力為一定值，因此如何降低樹脂粘度，是RTM成型過程的關(guān)鍵因素[17]。

碳纖維菌形蓋成型用樹脂是一種雙組份的高性能環(huán)氧樹脂體系，具有低粘度、可操作時間長、工藝性能好等優(yōu)點，樹脂性能參數(shù)如表2所示。溫度變化直接影響樹脂粘度，為獲得較低的樹脂粘度，確定RTM成型時樹脂溫度，對該樹脂進行了不同溫度下的粘度測試，如圖3所示。樹脂粘度隨著溫度的升高而逐漸降低，這是因為溫度升高加快了分子運動速度，減弱相互作用力。隨著溫度的進一步升高，樹脂粘度變化緩慢。由于60 ℃時樹脂粘度與70 ℃、80 ℃時粘度相近，為避免資源浪費，選定60 ℃為注膠溫度。

進一步分析樹脂在60 ℃時的適用期，測量該溫度下不同時間內(nèi)的樹脂粘度變化，如圖4所示，樹脂粘度隨著時間的延長而升高，這個因為樹脂逐漸發(fā)生固化反應(yīng)。通常情況下，RTM用樹脂應(yīng)具有較低且相對穩(wěn)定的粘度，成型周期內(nèi)樹脂粘度為0.1～0.5 Pa·s較佳[18]，可見樹脂灌注溫度為60 ℃時，在120 min內(nèi)完成灌注即可。

在RTM成型過程中，注膠口及真空口處常存在纖維沖刷嚴重或富樹脂等缺陷，影響產(chǎn)品的成型質(zhì)量和美觀度，因此，常常將二者布置于產(chǎn)品加工可去除區(qū)域。本文依據(jù)碳纖維菌形蓋形狀和可加工區(qū)域，對其RTM成型過程的流道仿真分析設(shè)計三種成型方案。如圖5、表3所示，方案A為菌形蓋頂部1#為注膠口，底部2#為真空口；方案B為菌形蓋頂部1#為真空口，底部2#為注膠口；方案C在方案B的基礎(chǔ)上，保留頂部1#為真空口，設(shè)計了3#注膠槽，實現(xiàn)環(huán)向注膠。為了可以準確捕捉到樹脂的流動過程，計算模型采用四面體網(wǎng)格進行單元劃分，網(wǎng)格數(shù)為51399，如表4所示，設(shè)置好邊界條件和材料參數(shù)。

樹脂流動模式隨著注射方式的改變而改變，如圖6和圖7所示，方案A、B、C均完成了充模。其中，方案A灌注時間為2970 s，方案B灌注時間為6850 s，方案C灌注時間為215s，均在樹脂合理使用時間內(nèi)。相對于其他兩種方案，方案C時間要縮短許多，為方案A的7.2 %，方案B的3.1 %，主要是因為環(huán)向注膠槽的存在，樹脂流動通道最短，壓力損失最小，且真空孔處為流道末端，壓力損失小。方案B浸潤距離最長，這是因為流動通道最長，且隨著浸潤過程的進行，樹脂逐漸覆蓋真空口，壓力損失增大，而且在注膠口對側(cè)易出現(xiàn)“氣團包裹”造成干斑等浸潤不良現(xiàn)象。

3.3 工藝成型

在3種成型方案中，方案C充模時間最短，因此本次工藝成型流道設(shè)計將選取該方案。碳纖維碳纖維菌形蓋RTM過程如圖8所示。碳纖維菌形蓋成型過程分為預(yù)成型制造階段、RTM成型階段、機械加工階段及檢驗階段。在預(yù)成型坯成型過程中，對于首次使用的模具，應(yīng)進行高溫除油，鋪放前清潔模具表面并涂抹脫模劑3～4次。依據(jù)產(chǎn)品形狀及尺寸采用專用切割設(shè)備對碳纖維織物進行裁剪，鋪放過程中可采用3M膠固定。鋪放完成后，安放密封膠條，上下模具合膜并用螺栓鎖緊，過程中使用扭力扳手保證模具各處受力一致，同時采用塞尺檢驗合膜模縫大小。RTM過程中，通過球閥控制真空口及注膠口的開合。采用真空泵系統(tǒng)對模具持續(xù)抽真空，使其腔內(nèi)真空度達到500 Pa或更高，打開注膠閥，利用樹脂灌注設(shè)備持續(xù)灌注樹脂，為防止樹脂沖刷纖維造成纖維褶皺，局部纖維體積含量增高，不易浸潤，同時提高成型效率，注膠速度采用梯度注膠形式。待真空閥處溢膠，及時關(guān)閉真空閥和注膠閥，切斷連接管路，完成注膠過程并進行固化。由于RTM為帶有外模具的固化，固化溫度和時間需考慮模具的傳熱，碳纖維菌形蓋固化工藝曲線如圖9所示，碳纖維菌形蓋的固化時間為120 ℃×180 min+160 ℃×300 min。固化完成后自然冷卻脫模，利用真空口或注膠口為頂出口，將產(chǎn)品脫出。產(chǎn)品加工前應(yīng)進行探傷，判斷其是否具備加工條件，加工后應(yīng)再次探傷，確保產(chǎn)品不因加工造成開裂或分層。

4 性能分析

碳纖維菌形蓋制品及探傷過程如圖10所示，碳纖維菌形蓋浸潤良好，未發(fā)現(xiàn)干斑、貧膠、富樹脂等缺陷，尺寸公差滿足設(shè)計要求±0.1 mm。依據(jù)相關(guān)標準對碳纖維菌形蓋不同區(qū)域進行纖維體積含量、孔隙率、及固化度測試。碳纖維菌形蓋理化測試結(jié)果如表5所示，纖維體積含量為60.84 %，孔隙率為0.12 %，固化度為97.52 %，均達到設(shè)計要求。在超聲波探傷檢測階段，采用奧林巴斯超聲探傷儀進行100 %掃查，結(jié)果顯示回波強度高，產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量優(yōu)異，無疏松、架橋或分層等缺陷。

5 結(jié)語

本文以碳纖維菌形蓋為研究對象，對成型用樹脂基體進行了粘度隨溫度及固定溫度下粘度隨時間的變化測試，確定了合適的樹脂灌注溫度。同時利用計算機輔助技術(shù)對碳纖維菌形蓋RTM過程進行了仿真分析，指導(dǎo)了RTM模具的流道設(shè)計，獲得了最佳注射方式，成功制備了較大壁厚、低孔隙率及內(nèi)部高質(zhì)量的復(fù)合材料菌形蓋。

參 考 文 獻

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