段躍新，肇 研

(北京航空航天大學 材料科學與工程學院，北京 100191)

樹脂基復合材料在航空航天、國防、交通運輸、電子化工等領域應用愈來愈廣泛，復合材料的研究成為各個國家研究的重點，復合材料的技術水平也成為國家綜合技術實力的標志［1－5］。我國在樹脂基復合材料方面的研發(fā)和應用起步較晚(20世紀70年代末期)，無論原材料還是制備工藝都遠遠落后于發(fā)達國家［6］。因此，國家對復合材料的發(fā)展尤為重視，除了投入重金開展科研攻關外，積極鼓勵和扶持各大高校建立復合材料專業(yè)，開展復合材料的教學和研究工作，以推動復合材料的人才技術儲備。

北京航空航天大學是建立復合材料專業(yè)、開展復合材料研究最早的高校之一。已建立了復合材料設計、材料、制造等一系列專業(yè)學科，形成了在功能復合材料、液體成型技術等方面的研究特色，培養(yǎng)了大批專業(yè)的技術人員，現(xiàn)已在航空、航天和國防等領域發(fā)揮巨大的作用。

但是，自2000年以來，由于擴招等因素的影響，在復合材料教學實驗方面出現(xiàn)了學生人數(shù)多、教學設備臺套數(shù)少、場地小等現(xiàn)象，導致實驗教學的學時數(shù)減少，演示實驗增多，學生動手機會不多等不利于學生培養(yǎng)的現(xiàn)象。

為解決該現(xiàn)象，學校投入了大量經(jīng)費，更新設備，改造實驗室，增加設備臺套數(shù)量，以保證學生實驗質(zhì)量。

復合材料液體成型工藝(Liquid Composites Molding，LCM)是近30年發(fā)展起來的復合材料成型工藝之一。具有成本低、效率高、質(zhì)量好等優(yōu)點，成為各國關注和研究的焦點［7－9］。LCM技術的研究和應用已成為低成本復合材料技術的主要發(fā)展方向，預計該技術將成為21世紀復合材料的主導技術之一［10］。本實驗室是國內(nèi)最早研究LCM工藝的高校實驗室之一，具備模具研發(fā)、模擬、制造等技術優(yōu)勢，也是最早將該工藝技術應用于教學實驗的高校實驗室。實驗室為本科生及研究生設立了復合材料液體成型工藝模擬分析特色實驗。

1 實驗設計

復合材料液體成型工藝原理是將預先設計好的纖維增強材料鋪放在模具中，閉合模腔，將樹脂注入或真空抽入模腔中，依靠帶壓樹脂的流動浸潤纖維并排除纖維中的氣體，加熱固化樹脂使復合材料成型［11］。RTM(Resin Transfer Molding，RTM)為復合材料液體成型工藝中最具代表性的一種［12］。RTM工藝原理如圖1所示。

圖1 RTM工藝原理圖

液體成型工藝雖然具有諸多優(yōu)點，但是由于其模腔密閉，工藝控制難，所以一般采用工藝模擬的方式輔助模具設計及工藝參數(shù)的選擇與優(yōu)化［13］。

本實驗的設計目的在于使學生了解復合材料液體成型工藝的成型原理，模擬的目的和意義，模擬的理論依據(jù)，模擬方法，模擬的組成部分及驗證方法。圖2為液體成型工藝模擬流程圖。圖3為簡化的工藝模擬流程圖。

圖2 復合材料液體成型工藝模擬流程圖

圖3 簡化的復合材料液體成型工藝模擬流程圖

2 實驗設備和模具

實驗設備是本實驗室與廠家根據(jù)實驗特點專門設計的。設備具有占地面積小，操作簡單，易維護等特點。圖4為RTM設備圖。

圖4 RTM設備圖

模具自主設計，采用復合材料作為模具下壁板，上壁板采用聚碳酸酯透明塑料，在中心、邊緣中點、邊緣角點設置溢料口和注射口，并可互換。圖5為RTM模具圖。

圖5 RTM模具圖

3 實驗要求

實驗的具體要求分為兩部分:(1)模擬部分;(2)實驗部分。

3.1 模擬部分

學生根據(jù)實驗指導書的內(nèi)容學習模擬的一些基本理論知識，如DARCY定律、流體連續(xù)性方程，有限元等，了解掌握液體成型工藝的原理和模擬的組成部分。之后，采用本實驗編制的二維流動模擬軟件，對模擬軟件進行操作，使學生了解RTM工藝注射口、溢料口的選擇、粘度的設定、滲透率的設定等。根據(jù)模擬軟件，學生自主設計各種工藝狀態(tài)如溢料口改變對工藝的影響、粘度/滲透率的改變對工藝的影響等，并總結其中的規(guī)律，做出相應的數(shù)據(jù)和分析曲線。

3.2 實驗部分

學生根據(jù)實驗指導書和模擬分析的結果，自主選擇注射方式等變量進行實驗。首先學生通過滲透率的測定，確定纖維織物滲透率?？椢飳訑?shù)、鋪層可自主設計，通過旋轉粘度儀確定樹脂體系的粘度，根據(jù)模擬結果確定二至三種注射方式，進行實驗。最后對比模擬和實驗結構，分析寫出實驗報告。

3.3 實驗例證

3.3.1 樹脂粘度測試

將300 mL樹脂放入500 mL的燒杯中，放入旋轉粘度計，測定結果:樹脂的粘度為0.062 Pa/s。

3.3.2 不同注射壓力的實驗

注射壓力的大小是RTM工藝過程中影響樹脂充模的一個重要工藝參數(shù)［14］。

改變注射壓力，測試不同注射壓力條件下樹脂充模所需要的時間，測試中所使用的實驗裝置如圖6所示。

圖6 樹脂充模實驗裝置

將不同注射壓力下對應充模時間的測試結果同軟件模擬結果進行對比，結果如表1所示。

表1 不同注射壓力充模時間的比較

3.3.3 滲透率測試

滲透率是描述充模過程中增強材料滲透性的一個重要參數(shù)。用來表征樹脂流過多孔介質(zhì)纖維織物的難易程度，也是充模過程中樹脂模擬的重要參數(shù)［15］。

樹脂充模過程中，記錄流動前峰流過一定距離所對應的時間，并將已知的樹脂粘度、注射壓力等代入DARCY定律即可計算出滲透率的數(shù)值［16］。最終測定得到玻璃布的滲透率為9.709 2×10－10m2。

滲透率測試過程中樹脂流動前峰對增強纖維的浸潤過程如圖7所示。圖8則給出了樹脂流動前峰流經(jīng)距離的平方與所對應時間的關系曲線。

圖7 滲透率測試實驗

圖8 樹脂流動距離平方與對應時間的關系曲線

3.3.4 不同注射口的實驗

樹脂注射口的位置也是影響RTM工藝過程中樹脂充模的重要工藝參數(shù)。

圖9分別給出了注射口在底線中點、側邊線中點、中心點以及角點等4種不同注射方式時，樹脂充模過程的實驗與模擬圖片。

不同注射口位置對應充模時間的實驗與模擬結果如表2所示。

圖9 不同注射口位置的實驗與模擬圖片

表2 不同注射方式充模時間的比較

3.3.5 分析完成實驗報告

根據(jù)模擬和實驗結果完成實驗報告。

4 結束語

通過實驗的設計，學生可以掌握復合材料液體成型工藝的原理、基本的數(shù)學模型理論、模擬方法、參數(shù)的測定、模擬結果的分析;學生可以自主設計、自主實驗，調(diào)動了學生實驗的積極性，提高了學生的動手能力和分析能力。

［1］陳祥寶.先進樹脂基復合材料的發(fā)展［J］.航空材料學報，2000，20(1):46－54.

［2］劉代軍，陳亞莉.先進樹脂基復合材料在航空工業(yè)中的應用［J］.材料工程，2008(z1):194－198.

［3］趙云峰.先進纖維增強樹脂基復合材料在航空航天工業(yè)中的應用［J］.軍民兩用技術與產(chǎn)品，2010(1):4－6.

［4］包建文，陳祥寶.電子束固化樹脂基復合材料進展［J］.高分子通報，2000(2):69－72.

［5］楊乃賓.先進樹脂基復合材料［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2000.

［6］唐見茂.碳纖維樹脂基復合材料發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望［J］.航天器環(huán)境工程，2010，27(3):269－280.

［7］黃家康，岳紅軍，董永祺.復合材料成型技術［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2000.

［8］段躍新.先進復合材料液體成型工藝基礎研究［D］.北京:北京航空航天大學，1999.

［9］烏云其其格，益小蘇.復合材料低成本成型用預成型體的制備［J］.高科技纖維與應用，2005，30(1):28－34.

［10］田正剛.LCM工藝中纖維預成型體滲透率的研究［D］.武漢:武漢理工大學，2004.

［11］鄭錫濤，李光亮，鄭曉霞，等.液體成形復合材料力學性能測試方法研究進展［J］.航空工程進展，2010，1(1):62－70.

［12］梁志勇.復合材料液體成型工藝技術基礎研究［D］.北京:北京航空航天大學，2000.

［13］尹明仁，段躍新，李丹，等.視窗化RTM工藝充模過程模擬仿真技術研究［J］.復合材料學報，2001，18(4):17－22.

［14］邱婧婧，段躍新，梁志勇.RTM工藝參數(shù)對樹脂充模過程影響的模擬與實驗研究［J］.復合材料學報，2004，21(6):70－74.

［15］李文曉，薛元德，吳人杰.樹脂傳遞模塑工藝中滲透率的測定［J］.建筑材料學報，2000，3(3):258－262.

［16］孫靜，段躍新，李翔，等.含膠預成型體滲透特性［J］.航空制造技術，2010(10):69－71.