張國利，安 鵬，劉 嬌，陳光偉

（天津工業(yè)大學(xué)先進(jìn)紡織復(fù)合材料省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387）

CRTM成型工藝參數(shù)對玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料空隙率及彎曲性能的影響

張國利，安 鵬，劉 嬌，陳光偉

（天津工業(yè)大學(xué)先進(jìn)紡織復(fù)合材料省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387）

牽伸速率和注膠壓力是影響CRTM成型工藝空隙率和彎曲性能的重要因素.采用CRTM成型工藝在不同牽伸速率和注膠壓力下制作復(fù)合材料平板，并對其進(jìn)行空隙率測定和三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn).結(jié)果表明：注膠壓力為0.5 MPa時(shí)，牽伸速率由10 cm/min增加到70 cm/min，空隙率由1.836%增加到4.534%；牽伸速率為35 cm/min時(shí)CRTM復(fù)合材料平板的彎曲強(qiáng)度最大，為806.5 MPa；牽伸速率為35 cm/min時(shí)，注膠壓力由0.1 MPa增加到0.7 MPa，平板的空隙率從8.895%降低到1.654%，平板的彎曲強(qiáng)度先增加后趨于平緩.

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；CRTM成型；牽伸速率；注膠壓力；空隙率；彎曲性能

樹脂傳遞模塑（resin transfer molding，RTM）成型工藝技術(shù)具有成本低、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品性能可靠、環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)合材料成型中獲得了較廣泛的應(yīng)用.受RTM金屬閉模模具尺寸有限和重量不易過大的制約，RTM成型技術(shù)不適宜制造截面形狀固定的超大尺寸復(fù)合材料制件，如長度超過3 m以上的工型、T型梁等[1-3].受纖維能否充分浸潤的限制，傳統(tǒng)的拉擠成型工藝技術(shù)僅適宜加工截面形狀不變、長度不受限制的單向或混雜短纖維氈增強(qiáng)的復(fù)合材料制件.但對于織物增強(qiáng)或立體編織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的恒定截面型狀的復(fù)合材料制件，采用膠槽浸膠工藝無法實(shí)現(xiàn)樹脂基體對增強(qiáng)體的浸潤，因此拉擠成型工藝不適宜制備2D鋪層織物或立體編織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的復(fù)合材料制件[4-8].連續(xù)樹脂傳遞模塑成型（CRTM）是一種有效融合了RTM成型和拉擠成型兩者工藝優(yōu)點(diǎn)的新型復(fù)合材料制備工藝技術(shù)：采用正壓驅(qū)動(dòng)注膠模具替代開放式膠槽浸膠工藝，較好地解決了傳統(tǒng)拉擠成型工藝樹脂浸滲整體結(jié)構(gòu)預(yù)型體的難題；利用兩端口非密閉固化模具和連續(xù)牽引裝置，較好地解決了金屬閉模RTM成型工藝制備尺寸有限的難題.因此，該新型復(fù)合材料成型工藝具有重要的工程應(yīng)用前景[9-10].受CRTM預(yù)型體連續(xù)移動(dòng)和其成型模具非密閉的影響，在CRTM成型過程中增強(qiáng)體無法實(shí)現(xiàn)在真空狀態(tài)下樹脂的浸潤.為了有效排除預(yù)制體中的空氣，CRTM采用定壓注膠、牽伸速率控制等方法實(shí)現(xiàn)樹脂對預(yù)制體的浸潤.因此，CRTM成型工藝參數(shù)是影響CRTM制品樹脂的浸滲質(zhì)量與力學(xué)性能的關(guān)鍵因素.空隙率是指單位體積內(nèi)所含孔隙的體積分?jǐn)?shù).樹脂浸潤質(zhì)量決定了其復(fù)合材料制品中空隙率的高低，進(jìn)而影響復(fù)合材料的力學(xué)性能.對空隙率的判定是判斷復(fù)合材料質(zhì)量的重要指標(biāo)，先進(jìn)復(fù)合材料一般要求將空隙率控制在1.0%～2.5%[11-12].如朱洪艷等[13]針對復(fù)合材料板力學(xué)性能的研究表明，孔隙的存在使得纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的縱向和橫向彎曲強(qiáng)度及模量、抗沖擊破壞等性能都不同程度地下降.Ghiorse等[14]對碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的研究結(jié)果指出，空隙率每增加1%，彎曲強(qiáng)度降低10%.然而，目前國內(nèi)外關(guān)于織物增強(qiáng)或立體編織結(jié)構(gòu)的CRTM成型工藝參數(shù)對復(fù)合材料制件浸潤質(zhì)量及其彎曲性能的影響還未見有相關(guān)研究成果發(fā)表.本文采用CRTM成型工藝技術(shù)，以縫合的二維玻璃纖維預(yù)制件作為增強(qiáng)材料制備復(fù)合材料平板，評價(jià)了CRTM成型工藝參數(shù)牽伸速率和注膠壓力對其空隙率及彎曲性能的影響，為編織、縫合T型、工型等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的CRTM成型工藝提供參考.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料與設(shè)備

所用原料包括：LJ-01A高強(qiáng)度環(huán)氧拉擠樹脂，LJ-01B固化劑，常熟佳發(fā)化學(xué)有限責(zé)任公司產(chǎn)品；INT-1890M內(nèi)脫模劑，科拉斯化工技術(shù)有限公司產(chǎn)品；E玻璃纖維布、E玻璃纖維單向帶，泰安玻璃纖維有限公司產(chǎn)品.以上有關(guān)材料的性能參數(shù)如表1、表2所示.

表1 樹脂體系參數(shù)Tab.1 Properties of resin system

表2 增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structure parameters of reinforcement

所用設(shè)備包括：HB/LJ2060型液壓拉擠機(jī)，哈爾濱復(fù)合材料設(shè)備開發(fā)公司產(chǎn)品；AG-250KN型島津萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)，上海璟瑞科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；馬弗爐，北京市永光明醫(yī)療儀器廠產(chǎn)品；復(fù)合材料切割制樣機(jī)，上海光相制樣設(shè)備有限公司產(chǎn)品；CRTM注膠系統(tǒng)，自制.

1.2CRTM復(fù)合材料平板制備

將二維玻璃纖維布及單向帶裁剪成長8 m、寬12 cm的條帶，將8層裁剪好的玻璃纖維布與3層玻璃纖維單向帶以2 mm針距、15 mm間距進(jìn)行縫合，并裁剪，最終制得長度為8 m、寬度為10 cm的縫合預(yù)制件.

將縫合好的玻璃纖維預(yù)制件按照表3所示設(shè)計(jì)方案在HB/LJ2060型液壓拉擠機(jī)中進(jìn)行CRTM成型，成型模具3區(qū)溫度分別為135、165、175℃，注膠溫度為50℃.CRTM成型工藝如圖1所示.

表3 各實(shí)驗(yàn)方案的工藝參數(shù)Tab.3 Process parameters of schemes

圖1 CRTM成型工藝原理圖Fig.1 Principle diagram of CRTM

1.3 纖維體積含量及空隙率測定

按照J(rèn)C/T287-2010纖維增強(qiáng)塑料空隙率試樣方法分別測定樹脂、纖維和纖維增強(qiáng)塑料的密度.然后，測定樹脂含量，計(jì)算纖維增強(qiáng)塑料的理論密度，其結(jié)果與所測得的纖維增強(qiáng)塑料密度相比較.

1.3.1 復(fù)合材料制件與樹脂澆注體密度測定

按照GB/T1463-2005纖維增強(qiáng)塑料密度和相對密度試驗(yàn)方法，將制備的復(fù)合材料制件切割成2～5 g，每組5個(gè).用天平稱量試樣在空氣中的質(zhì)量（m1）、金屬絲（直徑 ≤ 0.125 mm）的質(zhì)量（m2）和試樣在水（23℃）中的質(zhì)量（m3）.

式中：ρw=0.997 6 g/cm3，表示23℃水的密度.5個(gè)試樣求平均值，用ρc表示復(fù)合材料密度，ρr表示樹脂澆注體密度.

1.3.2 復(fù)合材料制件樹脂含量測試

按照GB/T2577-2005玻璃纖維增強(qiáng)塑料樹脂含量試驗(yàn)方法，將密度測定完畢的試樣放入650℃馬弗爐中的坩堝內(nèi)灼燒，將樹脂基體燒掉，在干燥器中冷卻稱量，精確至0.1 mg；反復(fù)灼燒，直至樹脂基體全部碳化消失，兩次稱量結(jié)果不超過1 mg，測得纖維質(zhì)量為m4，則

式中：ρf表示纖維的密度.

1.3.3 空隙率計(jì)算

復(fù)合材料理論密度（g/cm3）為

復(fù)合材料空隙率為

1.4 三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)

參照GB/T1449-2005纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法，對CRTM復(fù)合材料板進(jìn)行彎曲性能測試，試驗(yàn)件長×寬×厚為80 mm×15 mm×4 mm，跨距為64 mm，實(shí)驗(yàn)速率為2 mm/min.彎曲實(shí)驗(yàn)均在AG-250KN型島津試驗(yàn)機(jī)上完成，如圖2所示.

圖2 三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.2 Test device of three-point bending

彎曲強(qiáng)度計(jì)算公式為

式中：σ為彎曲強(qiáng)度（MPa）；P為破壞載荷（N）；l為跨距（mm）；b為試件寬度（mm）；h為試件厚度（mm）.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 牽伸速率對空隙率的影響

在相同的樹脂體系和固化條件下，當(dāng)注膠壓力均為0.5MPa時(shí)，牽伸速率對空隙率的影響如表4所示.

表4 不同牽伸速率下復(fù)合材料板的空隙率Tab.4 Gap content of composite plate with different drawing speeds

由表4可以看出：當(dāng)注膠壓力一定時(shí)，隨著牽伸速率的增加，空隙率呈增加的趨勢.當(dāng)速率為10 cm/ min時(shí)，空隙率為1.836%；隨著速率增加到70 cm/ min，空隙率隨之增加到4.534%.這是由于隨著牽伸速率的增加，預(yù)制件在注膠模具中停留的時(shí)間減少，而在CRTM成型過程中樹脂是靠壓力沿預(yù)制件厚度方向浸潤，牽伸速率增加，樹脂沒有充分浸潤，不能將預(yù)制件中的空氣帶出，留下空隙.

2.2 注膠壓力對空隙率的影響

在相同的樹脂體系和固化條件下，當(dāng)牽伸速率均為35 cm/min時(shí)，不同注膠壓力下復(fù)合材料板的空隙率如表5所示.

表5 不同注膠壓力下復(fù)合材料板的空隙率Tab.5 Gap content of composite plate with different injecting pressures

由表5可以看出，當(dāng)牽伸速率一定時(shí)，隨著注膠壓力的增加，空隙率減小.當(dāng)注膠壓力為0.1 MPa時(shí)，空隙率最大為8.895%；隨著注膠壓力增加到0.5 MPa，空隙率減小為1.895%，繼續(xù)增加注膠壓力，空隙率變化不大.這是由于當(dāng)預(yù)制件在注膠腔中停留時(shí)間一定時(shí)，增大注膠壓力，樹脂能快速浸入纖維體，排出空氣，空隙率降低；注膠壓力繼續(xù)增加，制件的空隙率變化不大，樹脂大量溢出，造成樹脂浪費(fèi).因而選擇注膠壓力時(shí)，應(yīng)在制件空隙率達(dá)到要求的情況下偏小掌握.

2.3 牽伸速率對平板彎曲性能的影響

在相同的樹脂體系和固化條件下，注膠壓力為0.5 MPa時(shí)，不同牽伸速率下制備的復(fù)合材料平板彎曲實(shí)驗(yàn)的載荷位移曲線如圖3所示.

圖3 不同牽伸速率下復(fù)合材料板的載荷-位移曲線Fig.3 Load-displacement curves of composite plate with different drawing speeds

由圖3可以看出：復(fù)合材料平板的失效載荷隨著牽伸速率的增加，先增大后減小.35 cm/min時(shí)失效載荷最大，為2.02 kN；70 cm/min時(shí)失效載荷最小,僅為1.57 kN.根據(jù)得到的載荷值計(jì)算出試樣的彎曲強(qiáng)度，如表6所示.

表6 不同牽伸速率下復(fù)合材料板的彎曲強(qiáng)度Tab.6 Bending strength of composite plate with different drawing speeds

在CRTM成型過程中，牽伸速率的選擇需要考慮使產(chǎn)品在模具中部膠凝固化，也即脫離點(diǎn)在中部并盡量靠前.由表6可以看出，注膠壓力一定時(shí)，牽伸速率由10 cm/min增加到35 cm/min時(shí)，復(fù)合材料平板的彎曲強(qiáng)度由664.5 MPa增加到806.5 MPa，隨著速度繼續(xù)增加，彎曲強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)速率為70 cm/min時(shí)彎曲強(qiáng)度僅為628 MPa.這是由于牽伸速率過低時(shí)，復(fù)合材料平板在成型模具中停留時(shí)間過長，制品固化過度、老化造成彎曲強(qiáng)度較低；牽伸速率過高時(shí)，材料在模具中停留的時(shí)間過短，制品固化不良或者不能固化，直接影響到制件質(zhì)量，彎曲強(qiáng)度降低.

2.4 注膠壓力對平板彎曲性能的影響

在相同的樹脂體系和固化條件下，牽伸速率為35 cm/min時(shí)，不同注膠壓力下制備的復(fù)合材料平板彎曲實(shí)驗(yàn)的載荷位移曲線如圖4所示.

圖4 不同注膠壓力下復(fù)合材料板的載荷-位移曲線Fig.4 Load-displacement curves of cornposite plate with different injecting pressures

由圖4可見，注膠壓力較低時(shí)，復(fù)合材料平板的失效載荷隨著注膠壓力的增加而增加，注膠壓力為0.1 MPa時(shí)失效載荷最小，僅為1.57 kN，注膠壓力為0.5 MPa時(shí)失效載荷為2.02 kN；當(dāng)注膠壓力超過0.5 MPa后，增大注膠壓力，對平板的失效載荷影響不顯著.根據(jù)得到的載荷值計(jì)算出試樣的彎曲強(qiáng)度，如表7所示.

表7 不同注膠壓力下復(fù)合材料板的彎曲強(qiáng)度Tab.7 Bending strength of composite plate with different injecting pressures

由表7可以看出，隨著注膠壓力的增加，復(fù)合材料平板的彎曲強(qiáng)度增加.當(dāng)注膠壓力為0.5 MPa時(shí)，平板的彎曲強(qiáng)度為806.5 MPa，比注膠壓力為0.3 MPa時(shí)提高了約10%.這是由于牽伸速率一定時(shí)，注膠壓力增加，樹脂能快速地浸潤纖維，排出增強(qiáng)體中夾雜的空氣，空隙率減小，從而增加平板的有效承載面積，彎曲強(qiáng)度增加.但是當(dāng)注膠壓力達(dá)到0.5 MPa后，隨著注膠壓力的繼續(xù)增加，平板的彎曲強(qiáng)度變化不明顯.

2.5 破壞模式與機(jī)理分析

在彎曲測試時(shí)，隨著加載增大，復(fù)合材料平板產(chǎn)生彎曲破壞，這是由于試件橫截面上的受力不均勻，中性面一側(cè)受拉、一側(cè)受壓.復(fù)合材料平板在彎曲破壞時(shí)有兩種失效模式：一種是彎曲時(shí)試件沿孔隙發(fā)生彎曲破壞；另一種是彎曲時(shí)頂部受壓縮產(chǎn)生分層破壞.圖5所示為彎曲測試破壞后試樣的形貌.

實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)：注膠壓力為0.1 MPa和0.3 MPa的試樣空隙率較高，彎曲測試后多呈現(xiàn)第一種破壞模式，如圖5（a）所示，試件沿孔隙方向發(fā)生破壞.大的孔隙影響了裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展方向，裂紋沿著大孔隙的方向發(fā)展，還可見小的裂紋從大孔隙產(chǎn)生.這是由于孔洞的存在產(chǎn)生了應(yīng)力集中，從而使平板產(chǎn)生破壞.而在注膠壓力為0.5 MPa和0.7 MPa的試樣中沒有觀察到這種現(xiàn)象，該試樣空隙率較低，試樣彎曲時(shí)受壓面產(chǎn)生分層破壞，如圖5（b）所示，纖維彎曲變形，基體沿纖維方向開裂，破壞處可見明顯的分層.

圖5 彎曲破壞后的復(fù)合材料試件顯微鏡照片F(xiàn)ig.5 Microscope picture after bending failure of composite specimens

3 結(jié)論

通過測試不同CRTM復(fù)合材料平板的空隙率，并進(jìn)行三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

（1）當(dāng)注膠壓力一定時(shí)，隨牽伸速率的增加，材料的空隙率增加、復(fù)合材料平板的彎曲強(qiáng)度先增加后降低.牽伸速率為35 cm/min時(shí)，復(fù)合材料板的彎曲性能最好.

（2）當(dāng)牽伸速率保持恒定，隨注膠壓力的增加，材料的空隙率逐漸降低，復(fù)合材料平板的彎曲強(qiáng)度逐漸增加后趨于平緩.隨著壓力繼續(xù)增加，注膠時(shí)易產(chǎn)生溢膠現(xiàn)象，彎曲強(qiáng)度和空隙率變化不明顯.

（3）復(fù)合材料平板在彎曲破壞時(shí)有2種失效模式：彎曲時(shí)試件沿孔隙方向發(fā)生彎曲破壞；彎曲時(shí)頂部受壓縮產(chǎn)生分層破壞.

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Effect of CRTM molding process parameters on porosity and flexural performance of glass fiber reinforced composite

ZHANG Guo-li，AN Peng，LIU Jiao，CHEN Guang-wei
（Key Laboratory of Advanced Textile Composites of Tianjin and Ministry of Education，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

Drawing speed and injection pressure are the important factors affecting porosity and flexural strength of CRTM molding process.Composite plates are produced through CRTM molding process with different drawing speed and injection pressure.Void content and three point bending tests of composite plates are performed.It is found that when the injection pressure keeps constant（0.5 MPa），the void content increases from 1.836% to 4.534% as the drawing speed increases from 10 cm/min to 70 cm/min.When the drawing speed is 35 cm/min，the flexural strength of composite plates is the highest with 806.5 MPa.When the drawing speed keeps constant（35 cm/min），the void content decreases from 8.895% to 1.654% as the injection pressure increases from 0.1 MPa to 0.7 MPa，and the flexural strength of the plates increases first and then keeps constant.

glass fiber reinforced composite；CRTM molding process；drawing speed；injection pressure；void content；flexural performance

TB332

A

1671－024X（2015）02－0001－05

2014-12-02

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目（2012AA03A201）；天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目（13TXSYJC40500）

張國利（1964—），男，研究員，研究方向?yàn)榧徔棌?fù)合材料.E-mail：guolizhang@tjpu.edu.cn