碳纖維三維編織預(yù)制體滲透特性實(shí)驗(yàn)研究

周勝兵,姜又強(qiáng),寧慧銘*,胡 寧, ,劉 強(qiáng)

(1.重慶大學(xué) 航空航天學(xué)院,重慶 400044;2.河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院;電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300130;3.中航工業(yè)集團(tuán)復(fù)合材料技術(shù)中心,北京 101300)

相較于單向和層合結(jié)構(gòu)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,三維編織工藝制備的預(yù)制體的整體性能得到了極大的提高,同時(shí)具有良好的抗沖擊性[1-2]。三維編織工藝可直接編織成結(jié)構(gòu)件所需形狀,避免后續(xù)加工,可為工程上制備復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)件的難點(diǎn)問(wèn)題提供解決方案。三維編織工藝又具有良好的可設(shè)計(jì)性,可以編織多種規(guī)則形狀的預(yù)制體,也可以設(shè)計(jì)出不規(guī)則形狀的預(yù)制體[3-4]。

樹(shù)脂傳遞模塑成型(RTM)技術(shù)制造三維編織復(fù)合材料是先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)用的重要方法之一[5],其中,樹(shù)脂浸潤(rùn)過(guò)程的控制是RTM 技術(shù)的關(guān)鍵,該過(guò)程多為樹(shù)脂在碳纖維預(yù)制體中滲透流動(dòng)的復(fù)雜過(guò)程,影響流動(dòng)過(guò)程的因素眾多,如控制不當(dāng),容易產(chǎn)生一些成型缺陷,如干斑、空隙等,從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量。為了解決這一系列難題,針對(duì)浸潤(rùn)過(guò)程的預(yù)測(cè)研究逐漸成為航空等眾多領(lǐng)域的熱點(diǎn),而滲透率是預(yù)制體的固有屬性,它可以描述樹(shù)脂在預(yù)制體中流動(dòng)的難易程度[6]。

實(shí)驗(yàn)測(cè)量仍然是確定滲透率的最可靠方法。面內(nèi)滲透率通常采用徑向法獲得[7]。在徑向流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中,樹(shù)脂通過(guò)中心注射孔注入到預(yù)先放置了預(yù)制體的模具中,充模過(guò)程中的流動(dòng)前沿呈圓形或橢圓形[8-9]。ADAMS等[10]和CHAN 等[11]最先嘗試了徑向法實(shí)驗(yàn),研究了空隙結(jié)構(gòu)、織物類型、纖維取向和壓縮對(duì)織物滲透率的影響,并提出了一種簡(jiǎn)單的方法,用于根據(jù)實(shí)驗(yàn)中流動(dòng)前沿與時(shí)間的數(shù)據(jù)計(jì)算各向異性織物面內(nèi)滲透率。CAI等[12]和CHAN等[13]基于徑向?qū)嶒?yàn)進(jìn)一步比較了恒定壓力和恒定流速兩種注射方式的區(qū)別,詳細(xì)介紹了不同注射孔位置和不同注入壓力下所需的填充時(shí)間的差異,并提出了一種在恒定速率的充模實(shí)驗(yàn)中測(cè)定纖維預(yù)制體面內(nèi)各向異性滲透率的方法。為了減少由于人工讀取流動(dòng)前沿帶來(lái)的誤差,CARTER 等[14]提出了一種用于徑向?qū)嶒?yàn)的數(shù)據(jù)驗(yàn)證方法,可以得到較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行流場(chǎng)跟蹤,并使用自行開(kāi)發(fā)的商業(yè)軟件對(duì)圖像進(jìn)行數(shù)字化處理,以確保有效的數(shù)據(jù)被輸入到自動(dòng)分析過(guò)程中,這一方法大大提高了實(shí)驗(yàn)測(cè)量滲透率的可靠性。GAUVIN等[15]同時(shí)進(jìn)行了恒定壓力和恒定流速的徑向法填充實(shí)驗(yàn),研究了注射孔尺寸對(duì)主滲透率的影響,發(fā)現(xiàn)隨著注膠口半徑的增加,主滲透率值逐漸減小。

一般預(yù)制體的厚度比較小(小于10 mm),在這種情況下厚度方向的滲透率(面外滲透率)通常被忽略。但是,對(duì)于具有較大厚度的預(yù)制體來(lái)說(shuō),應(yīng)考慮面外滲透率。NEDANOV 等[16]提出了一種運(yùn)用徑向法測(cè)定厚度方向滲透率的方法,實(shí)驗(yàn)液體在三維預(yù)制體中的流動(dòng)規(guī)律符合半橢球體假設(shè),同時(shí)也滿足達(dá)西定律。用視頻采集設(shè)備記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程,通過(guò)測(cè)量不同時(shí)刻面內(nèi)2個(gè)主方向的滲透半徑和厚度方向滲透完成的時(shí)間,并結(jié)合預(yù)制體厚度可計(jì)算出厚度方向的滲透率。但是,有時(shí)面內(nèi)實(shí)驗(yàn)中流體在預(yù)制體面外方向流動(dòng)速度很快,浸潤(rùn)到預(yù)制體底部的時(shí)間極短,通過(guò)視頻采集設(shè)備很難采集到有效數(shù)據(jù)。為了改善這一情況,李香林等[17]采用連續(xù)加載的方式,研究了玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料液體成型過(guò)程中多軸向無(wú)屈曲織物和斜紋織物的壓縮響應(yīng)行為,并建立描述該行為的數(shù)學(xué)模型。研究提出了變注射壓力條件下的厚度方向滲透率預(yù)測(cè)模型,獲得了預(yù)成型體厚度方向滲透率隨體積分?jǐn)?shù)的增大而減小的規(guī)律。KLUNKER 等[18]采用數(shù)值仿真方法發(fā)現(xiàn)在一定的注射壓力下沿厚度方向滲透率呈梯度分布。劉文超等[19]針對(duì)低黏度樹(shù)脂設(shè)計(jì)了局部滲透率測(cè)量裝置,測(cè)量了多層二維平紋編織玻璃纖維織物的滲透率。研究結(jié)果表明,隨著織物層數(shù)的增加,整個(gè)纖維預(yù)制體的滲透率均值和方差均減小。即隨著層數(shù)的增加,促進(jìn)嵌套效應(yīng),有利于纖維預(yù)制體的壓實(shí),導(dǎo)致滲透率減小。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣RTM 成型工藝中,采用碳纖維三維編織復(fù)合材料可以有效提高機(jī)匣的力學(xué)性能。本研究基于風(fēng)扇機(jī)匣用碳纖維三維編織復(fù)合材料,開(kāi)展了預(yù)制體材料滲透特性的研究,通過(guò)分析液體在預(yù)制體面內(nèi)和厚度方向的流動(dòng)過(guò)程,獲得了液體在預(yù)制體內(nèi)的滲透規(guī)律。研究結(jié)果以期為機(jī)匣RTM 成型提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)裝置由模具、真空泵、緩沖罐、視頻采集設(shè)備和液體質(zhì)量記錄裝置構(gòu)成。

滲透實(shí)驗(yàn)?zāi)＞呷鐖D1所示。

圖1 滲透率測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Permeability testing experimental setup

模具的上下模均采用有機(jī)玻璃,以便實(shí)時(shí)觀測(cè)模腔內(nèi)液體的流動(dòng)狀態(tài)。模腔為長(zhǎng)方體中空結(jié)構(gòu),模腔內(nèi)最大可放置400 mm×400 mm×50 mm 的預(yù)制體,其厚度方向上可在0～50mm 間任意調(diào)節(jié)。上下兩個(gè)壓力表分別反映了注入口和流動(dòng)前沿的壓力。液體由位于上模板中心的一個(gè)注入孔注入模腔內(nèi),孔直徑為5 mm。2 個(gè)流出孔則位于下模板兩側(cè),兩孔直徑均為5 mm。

真空泵用于抽取測(cè)試裝置中的空氣,提供穩(wěn)定負(fù)壓,進(jìn)而在實(shí)驗(yàn)中可將液體穩(wěn)定地吸入模腔內(nèi)。緩沖罐連接于真空泵和測(cè)試裝置之間,用于保護(hù)真空泵,防止填充液體流入真空泵。視頻采集設(shè)備位于測(cè)試裝置的正上方和正下方,用于記錄流動(dòng)過(guò)程。采用質(zhì)量記錄模塊對(duì)液體儲(chǔ)箱內(nèi)的質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄,進(jìn)而可以獲得注入模腔內(nèi)液體的質(zhì)量,該模塊的量程為0～10×103g,數(shù)據(jù)采集頻率為10 Hz。

實(shí)驗(yàn)材料采用碳纖維三維編織預(yù)制體,由國(guó)內(nèi)某設(shè)計(jì)院提供,如圖2 所示,其碳纖維材料為CCF800G,軸向紗規(guī)格為12 k·股-1,橫向紗為24 k·股-1。預(yù)制體采用8步法進(jìn)行編織,有效實(shí)驗(yàn)尺寸為350 mm×(350±0.2) mm。碳纖維密度為1 810 g·mm-3,通過(guò)稱重預(yù)制體后可得預(yù)制體內(nèi)碳纖維的質(zhì)量,進(jìn)而可得碳纖維在預(yù)制體內(nèi)的體積率以及預(yù)制體內(nèi)的孔隙率。環(huán)氧樹(shù)脂通常需采用加熱降低黏度后進(jìn)行注塑,為了便于實(shí)驗(yàn),通常選用與樹(shù)脂流動(dòng)性相似的非反應(yīng)測(cè)試流體,如玉米漿、硅油、食用油等代替進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本研究實(shí)驗(yàn)選用菜籽油作為注塑流體,采用旋轉(zhuǎn)黏度儀測(cè)得其常溫(25℃)下黏度為6.921×10-5kPa·s。

圖2 碳纖維預(yù)制體材料Fig.2 Carbon fiber preform material

1.2 3D滲透率分析原理

碳纖維三維編織預(yù)制體可以看作為多孔介質(zhì)模型,而達(dá)西定律是流體通過(guò)多孔介質(zhì)的典型基本方程,即

其中:v為液體在介質(zhì)中的平均流動(dòng)速度;k為多孔介質(zhì)的滲透張量;μ為流體的黏度;Δp為流動(dòng)前沿與注入口之間的壓力差。

在點(diǎn)源入口注射液體時(shí),流體進(jìn)入多孔介質(zhì)或預(yù)型件內(nèi)時(shí)呈半橢球體擴(kuò)散滲透,如圖3所示,在3個(gè)主軸方向流動(dòng)為主滲透方向,其滲透率為3個(gè)主滲透率[20]:

圖3 3D主滲透率示意圖Fig.3 3D main permeability schematic diagram

其中:φ為空隙率,xf、yf、zf為沿X、Y、Z軸方向的流動(dòng)前峰位置,a、b、c為半橢球體在X、Y、Z軸方向的注入半徑初始邊界值,Δp為注射壓差,η為液體黏度。因此,根據(jù)實(shí)驗(yàn)中獲得的注射壓差、液體流動(dòng)前峰位置以及對(duì)應(yīng)的時(shí)刻,即可計(jì)算出各方向上液體在材料內(nèi)的滲透率。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程分析

實(shí)驗(yàn)對(duì)4 種不同的預(yù)制體進(jìn)行了滲透特性分析,如表1所示。實(shí)驗(yàn)中,真空泵抽取真空后,注射孔和流出孔之間的壓差均保持在93 kPa左右。當(dāng)上表面液體滲透到材料的邊緣時(shí),實(shí)驗(yàn)即停止。通過(guò)上下表面同時(shí)監(jiān)測(cè)液體的前鋒位置,可以得到不同時(shí)刻液體在上表面流動(dòng)的位置,以及液體沿厚度方向滲透到下表面所需的時(shí)長(zhǎng)。由表1可知,預(yù)制體A 和B液體滲穿時(shí)長(zhǎng)分別為128和174 s,而其它預(yù)制體在測(cè)試階段未從厚度方向滲穿。

表1 滲透率實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Permeability test conditions

圖4為上表面記錄的試驗(yàn)圖像。由圖4可知,滲透主向與軸向的夾角為1°～3°,角度較小,因此本研究中假定所有預(yù)制體在面內(nèi)的滲透主向與軸/橫向平行。圖5為注入模腔內(nèi)的液體質(zhì)量與時(shí)間的關(guān)系,由圖5可知,流入預(yù)制體內(nèi)的質(zhì)量呈由快變緩的趨勢(shì),這是因?yàn)殡S著液體前鋒的前移,后續(xù)液體流經(jīng)預(yù)制體的長(zhǎng)度加長(zhǎng),面積增大,因此阻力將增加,進(jìn)而注入預(yù)制體內(nèi)的液體的流速將降低。4種預(yù)制體下液體的流速也不相同,相同時(shí)間下,A＜B＜D＜C,且預(yù)制體下液體質(zhì)量流率差異較為明顯。根據(jù)實(shí)時(shí)記錄的質(zhì)量,以及結(jié)合橢球模型,可以求得液體在厚度方向上滲透前鋒的位置。

圖4 滲透率測(cè)試上表面實(shí)驗(yàn)圖像Fig.4 Upper surface permeability testing experimental image

圖5 滲透率測(cè)試實(shí)驗(yàn)過(guò)程中注入模腔內(nèi)的液體質(zhì)量Fig.5 Mass of liquid injected into the mold cavity during the permeability testing experiment

2.2 面內(nèi)滲透特性分析

由視頻采集設(shè)備獲得的預(yù)制體上下表面的流動(dòng)過(guò)程,對(duì)滲透主向X和Y向的流動(dòng)前鋒位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖6所示。由圖6可知,4種預(yù)制體下液體前鋒位置隨時(shí)間的變化趨勢(shì)近似一致,但到達(dá)同一位置時(shí),液體在預(yù)制體內(nèi)所需時(shí)間A＜B＜D＜C,由此表明液體在預(yù)制體A 內(nèi)的流動(dòng)速度最快,而在預(yù)制體C 內(nèi)流動(dòng)最慢。所有工況下,液體沿軸向(X)流動(dòng)速度快于橫向(Y),這與預(yù)制體的編織方法和軸/橫向紗線規(guī)格有關(guān)。由于液體未從預(yù)制體C和D 的厚度方向上滲出到下表面,因此沒(méi)有獲得預(yù)制體C和D 下表面上液體流動(dòng)的數(shù)據(jù)。而在預(yù)制體A 和B的厚度方向分別經(jīng)過(guò)128和174 s后,液體滲穿到達(dá)下表面,之后液體沿下表面繼續(xù)流動(dòng),并且下表面的前沿位置會(huì)逐步追上上表面前沿位置,如圖6(a)和圖6(b)所示。由此表明,液體沿厚度方向滲穿后,下表面的流動(dòng)速度將快于上表面。該原因主要是因?yàn)橄卤砻嬉后w將受到沿X/Y向和Z向的驅(qū)動(dòng)力的同時(shí)作用,而上面的液體僅受到X/Y向的驅(qū)動(dòng)力,因此,在未追上上表面液體前鋒之前,下表面液體的流動(dòng)速度將快于上表面。

圖6 滲透率測(cè)試實(shí)驗(yàn)過(guò)程中預(yù)制體上下表面滲透前鋒位置Fig.6 Penetration front position on the upper and lower surfaces of the precast specimen during permeability testing experiment

根據(jù)3D 滲透率計(jì)算公式(2)和(3),以及圖6滲透前鋒位置,可以計(jì)算得到X向、Y向滲透率,結(jié)果如圖7所示。由于在液體注入模腔的初始階段,流動(dòng)的前鋒不太穩(wěn)定,因而在數(shù)據(jù)選取和計(jì)算上存在較大誤差,因而獲得的滲透率值偏差較大。而在液體注入一定時(shí)間后,液體前鋒發(fā)展較為穩(wěn)定,因此計(jì)算得到的滲透率值也趨于穩(wěn)定。所有工況下,軸向滲透率均高于橫向,由預(yù)制體軸橫向紗規(guī)格可知(軸向紗規(guī)格為12 k·股-1,橫向紗為24 k·股-1),橫向紗內(nèi)碳纖維密集度高于軸向紗,因此液體在橫向紗內(nèi)的滲透率小于軸向紗。

圖7 滲透率測(cè)試實(shí)驗(yàn)過(guò)程中預(yù)制體面內(nèi)滲透率分析結(jié)果Fig.7 In-plane permeability analysis of perform during the permeability test experiment

對(duì)穩(wěn)定段的滲透率值求取平均,結(jié)果如圖8所示。由結(jié)果可知,X和Y方向上,預(yù)制體的滲透率A＞B＞D＞C,液體在A 預(yù)制體內(nèi)的滲透性最好,其X向和Y向的滲透率值分別為1.136×10-10和4.259×10-11m2;液體在C 預(yù)制體內(nèi)的滲透性最差,其X向和Y向的滲透率值分別為7.275×10-11和1.968×10-11m2。預(yù)制體厚度相同時(shí),如A 與B,以及C與D,空隙率越大,則滲透率越大。而當(dāng)空隙率相同時(shí),如A 與D,以及B與C,預(yù)制體厚度值越大,則滲透率越小,由此表明預(yù)制體厚度將影響材料的面內(nèi)滲透率。

圖8 預(yù)制體X 和Y 向上平均滲透率分析結(jié)果Fig.8 Analysis of average permeability results in X and Y directions of perform

2.3 厚度方向滲透特性分析

根據(jù)液體在預(yù)制體內(nèi)滲透的橢球原理,以及結(jié)合圖5(注入模腔內(nèi)的液體質(zhì)量m)和圖6(X和Y向滲透前鋒)的結(jié)果,可以計(jì)算出厚度Z方向的滲透前鋒位置(zf):

再結(jié)合公式(4)即可求出Z向滲透率,結(jié)果如圖9所示。因?yàn)橐后w在注入模腔的初始階段時(shí)流動(dòng)前鋒輪廓未穩(wěn)定的原因,Z向的滲透率計(jì)算值也有一定偏差。液體前鋒充分發(fā)展后,Z向的滲透率計(jì)算值也趨于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)Z向在穩(wěn)定段的滲透率值求平均,結(jié)果如圖10所示。液體在A 預(yù)制體厚度方向的滲透性最好,滲透率值為5.900×10-12m2,而在C預(yù)制體內(nèi)的滲透性最差,滲透率值分別為2.990×10-13m2。由結(jié)果可知,Z向上,預(yù)制體的滲透率A＞B＞D＞C。預(yù)制體厚度相同時(shí),如A 與B,以及C與D,空隙率越大,則Z向滲透率越大。而當(dāng)空隙率相同時(shí),如A 與D,以及B與C,預(yù)制體厚度值越大,則Z向滲透率越小。由此表明預(yù)制體厚度也會(huì)影響材料的厚度方向上的滲透率。

圖9 滲透率測(cè)試實(shí)驗(yàn)過(guò)程中厚度方向滲透率Fig.9 Permeability test process in the thickness direction

圖10 預(yù)制體厚度方向上平均滲透率分析結(jié)果Fig.10 Analysis results of average permeability in the direction of preform thickness

一般情況下,厚度方向上的材料密集程度高于軸向和橫向,因此厚度方向上的滲透率遠(yuǎn)小于面內(nèi)滲透率,差距在1～2個(gè)數(shù)量級(jí),如預(yù)制體B在X向的滲透率約是Z向滲透率的37倍,因此液體在厚度方向上流動(dòng)時(shí)受到較大的阻力。隨著預(yù)制體厚度的增加,液體的噴注壓力可能不能完全克服厚度向上的流動(dòng)阻力,因此液體流動(dòng)速度較慢。這也可能是液體未在預(yù)制體C 和D 厚度方向上滲穿的原因之一。三維預(yù)制體中,液體3個(gè)方向上的滲透是相互影響的過(guò)程,因此預(yù)制體厚度方向上的滲透特性影響了面內(nèi)的滲透特性。

3 結(jié)論

針對(duì)風(fēng)扇機(jī)匣用碳纖維三維編織復(fù)合材料,開(kāi)展了預(yù)制體材料滲透特性的研究,通過(guò)分析液體在預(yù)制體面內(nèi)和厚度方向的流動(dòng)過(guò)程,可以獲得如下結(jié)論:

1) 實(shí)驗(yàn)對(duì)厚度和孔隙率不同的4種三維編織預(yù)制體進(jìn)行了滲透特性分析。所有預(yù)制體在面內(nèi)的滲透主向與編織的經(jīng)/橫向平行,且軸向滲透率約為橫向滲透率值的3.2倍,這與預(yù)制體的編織方法和軸橫向紗規(guī)格有關(guān)。

2) 4種預(yù)制體下液體前鋒位置隨時(shí)間的變化趨勢(shì)近似。液體在A 預(yù)制體內(nèi)的滲透性最好,其X向和Y向的滲透率值分別為1.136×10-10和4.259×10-11m2;液體在C 預(yù)制體內(nèi)的滲透性最差,其X向和Y向的滲透率值分別為7.275×10-11和1.968×10-11m2。預(yù)制體厚度影響了材料的面內(nèi)滲透率。

3) 液體在A 預(yù)制體厚度方向的滲透性最好,滲透率值為5.900×10-12m2,而在C預(yù)制體內(nèi)的滲透性最差,滲透率值分別為2.990×10-13m2。預(yù)制體厚度會(huì)影響材料的厚度方向上的滲透率。

4) 厚度方向上的滲透率遠(yuǎn)小于面內(nèi)滲透率,差距在1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。但液體在預(yù)制體內(nèi)3個(gè)方向上的滲透是相互影響的過(guò)程,預(yù)制體厚度方向上的滲透特性影響了面內(nèi)的滲透特性。