張沛霖，李小慧，周 律

(1．上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.上海材料研究所 高分子材料事業(yè)部，上海市200437)

基于RTM-Worx模擬碳纖維復(fù)合空心球體成型

張沛霖1，2，李小慧2，周 律1

(1．上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.上海材料研究所 高分子材料事業(yè)部，上海市200437)

樹(shù)脂灌注成型法成型碳纖維復(fù)合材料制品是目前較為熱門的成型方式，但目前市面上的成品多是薄壁圓筒或管狀制品，鮮有碳纖維復(fù)合材料空心球體制品。樹(shù)脂灌注成型成本較高，若通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定澆注位置和其他參數(shù)，會(huì)造成資源浪費(fèi)。RTM-worx仿真軟件可以模擬成型過(guò)程和模擬不同參數(shù)對(duì)充模時(shí)間的影響。文中模擬了注射壓力、注射位置、滲透率等對(duì)充模時(shí)間的影響，并通過(guò)對(duì)比分析確定了參數(shù)范圍。

RTM；滲透率；碳纖維復(fù)合材料

AbstractResin transfer molding is the most favorite way to make the carbon fiber product recently. However, most products are thin-walled cylinder or tubular products. It will waste resource to determine parameters by experiment since the cost of Resin transfer molding is larger than other molding way. The RTM-Worx software can simulate the affection of filling time caused by different parameters. In the paper, the effort of filling time caused by pressure, permeability and the position of injection gate was be simulated. The parameters were determined via the comparison of testing result.

KeywordsRTM;permeability;carbon fiber

近年來(lái)，碳纖維材料制品憑借其質(zhì)量小、力學(xué)性能好逐步成為新興材料的熱門。碳纖維復(fù)合材料早期主要運(yùn)用在航空航天等軍用產(chǎn)品上[1]。隨著碳纖維產(chǎn)額的不斷提高以及碳纖維技術(shù)的逐步完善，碳纖維復(fù)合材料越來(lái)越多地運(yùn)用到民用制品上，比如目前較為熱門的碳纖維自行車，碳纖維羽毛球拍，碳纖維汽車門等[2]。碳纖維制品的成型方式主要包括模壓成型法、纏繞成型法、樹(shù)脂灌注成型法(Resin Transfer Molding，RTM)、真空輔助成型(Vacuum Assisted Resin Infusion，VARI)等，其中VARI是基于RTM成型衍生出的成型方式。模壓成型是將一定量的模壓料放入模具中，在設(shè)定的溫度和壓力作用下，將材料固化成制品的加工方式[3]。模壓成型操作較為簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境和溫度壓力的要求不高，生產(chǎn)效率較高、成型周期較短，自1909年以來(lái)在世界各地廣為應(yīng)用。但是模壓成型的模具設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，制品尺寸受到限制，適合中小型復(fù)合材料制品的生產(chǎn)[4]。纏繞成型是一種將連續(xù)的纖維紗或纖維布浸漬樹(shù)脂膠，連續(xù)纏繞在相應(yīng)于制品內(nèi)腔尺寸的芯模上，在一定的溫度條件下固化成型的工藝。纏繞成型目前是樹(shù)脂基復(fù)合材料的主要制造工藝之一。纏繞成型按照工藝的不同可以分為3種，分別是干法纏繞成型、濕法纏繞成型和半干法纏繞成型[5]。纏繞成型可以滿足高比強(qiáng)度和等強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求，在軍用方面的應(yīng)用較廣。真空輔助成型(Resin Transfer Molding，RTM)是一種較為熱門的復(fù)合材料成型工藝方法。其利用真空壓力將樹(shù)脂注入預(yù)成型體中，浸潤(rùn)后固化成型的方式。由于預(yù)成型體一般是通過(guò)三維編制成型，所以RTM制品都具有較好的力學(xué)性能和表面質(zhì)量，可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部較為復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的成型[6]。根據(jù)碳纖維復(fù)合材料空心球體具有密度小、力學(xué)性能好、不易機(jī)加工、表面要求較高等特點(diǎn)，結(jié)合碳纖維三維編織的預(yù)成型體的力學(xué)性能好等特點(diǎn)，選擇使用RTM成型工藝制作碳纖維復(fù)合材料空心球體。

1 RTM成型工藝

RTM樹(shù)脂灌注成型法(Resin Transfer Molding, RTM)，目前在汽車工藝、航空航天、國(guó)防工業(yè)的運(yùn)用較多。但是RTM的成本較其他成型方式較高，其中RTM模具設(shè)計(jì)是該技術(shù)是否成功的重要因素，也是占成本比例較高的部分。注射口位置的選擇、纖維在模腔中的流動(dòng)情況、纖維浸潤(rùn)過(guò)程和樹(shù)脂固化過(guò)程都是能否形成高質(zhì)量成品的重要因素。所以選擇合適的澆注口，確定注射壓力、滲透率等參數(shù)是RTM成型的重要環(huán)節(jié)之一。但是如果通過(guò)不斷實(shí)驗(yàn)來(lái)確定參數(shù)，會(huì)造成資源浪費(fèi)和增加成本。如果使用軟件模擬成型過(guò)程，可有效降低成本，并確定參數(shù)范圍。

2 RTM-WORX軟件

RTM-WORX是荷蘭Polyworx公司于1991年開(kāi)始開(kāi)發(fā)的仿真樹(shù)脂傳遞模塑工藝的軟件，升級(jí)至今已經(jīng)經(jīng)歷9個(gè)版本，在RTM模擬領(lǐng)域占有較大的份額。RTM-WORX可以模擬不同位置的澆注口、導(dǎo)流槽對(duì)產(chǎn)品成型的影響，也可以評(píng)估不同的樹(shù)脂和碳纖維對(duì)工藝的影響[7]。RTM-WORX自帶有限元功能，可以劃分網(wǎng)格并處理出應(yīng)力云圖。鑒于RTM成型在目前為止成本還較大，所以RTM-WORX的運(yùn)用可以有效的降低實(shí)驗(yàn)成本。本文使用2013版RTM-WORX對(duì)碳纖維復(fù)合材料的成型進(jìn)行模擬。比較不同參數(shù)如樹(shù)脂粘度、纖維含量、纖維滲透率、注射壓力等和澆注口位置等對(duì)RTM產(chǎn)品成型時(shí)間的影響。

3 RTM工藝仿真

3.1 不同澆注口對(duì)成型時(shí)間的影響

根據(jù)RTM的成型方式，模具的注射口一般位于上模具的最低點(diǎn)，并且應(yīng)該選擇不醒目的位置，這樣可以降低對(duì)成品表面的影響。根據(jù)已有實(shí)驗(yàn)表明，樹(shù)脂必須垂直注入模具，這樣可以保證樹(shù)脂不會(huì)反射到型腔中而破壞樹(shù)脂流動(dòng)規(guī)律從而導(dǎo)致大量氣泡的堆積，影響制品質(zhì)量，所以注射口應(yīng)該要垂直于模具。注射口根據(jù)需要可以設(shè)置1個(gè)或多個(gè)，由于球體是對(duì)稱結(jié)構(gòu)且體積較小，澆注口設(shè)置1～2個(gè)即可。注射口的位置一般有以下3種：(1)設(shè)置在中心位置或設(shè)置在產(chǎn)品的幾何型心，這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是可以有效減短樹(shù)脂流動(dòng)距離；(2)設(shè)置在邊緣位置如設(shè)置在模具的一端，同時(shí)分配流道；(3)設(shè)置在外圍周邊?；谏鲜鲈瓌t，可以假設(shè)注射口位于球體赤道處或球體最高點(diǎn)。其他參數(shù)如表1所示。在RTM-WORX中導(dǎo)入模型，模型如圖1所示，半球參數(shù)為半徑25 mm，厚度1.5 mm, 臺(tái)階處加厚1 mm。

表1 成型參數(shù)

圖1 模型圖

經(jīng)過(guò)模擬分析，注射口在球頂注射成型時(shí)間為2.76 s，注射口在赤道出成型時(shí)間為1.39 s, 可知注射口設(shè)置在赤道處成型時(shí)間較短，注射口設(shè)置在球頂?shù)哪M結(jié)果如圖2所示。

圖2 注射口設(shè)置在球頂

由模擬結(jié)果可知設(shè)置兩個(gè)對(duì)稱的注射口可以縮短充模時(shí)間。RTM-Worx可以查看不同填充程度的填充情況，如圖3所示。根據(jù)模擬可知設(shè)置對(duì)稱澆注口，填充過(guò)程沒(méi)有樹(shù)脂包裹現(xiàn)象和樹(shù)脂干涉現(xiàn)象，部件成型較為均勻，可以將注射口設(shè)置在赤道與軸線對(duì)稱位置。

圖3 對(duì)稱澆注口充模過(guò)程

3.2 注射壓力

在RTM成型中，樹(shù)脂的在模腔中的流動(dòng)情況，是能否成型較好質(zhì)量的制品的關(guān)鍵要素。在溫度一定的前提下，注射壓力對(duì)樹(shù)脂充模有較大影響。如果注射壓力較小并小于纖維絲間的毛細(xì)作用時(shí)，注射壓力就不是樹(shù)脂流動(dòng)的主要?jiǎng)恿?，?shù)脂流動(dòng)會(huì)出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，樹(shù)脂和纖維空隙間的空氣不能及時(shí)排出就會(huì)形成大氣泡，成型制品就會(huì)出現(xiàn)缺陷。如果注射壓力較高，注射壓力成為樹(shù)脂流動(dòng)的主要?jiǎng)恿Γ诶w維絲的間隙中會(huì)形成小氣泡。注射壓力的控制不僅影響著樹(shù)脂的流動(dòng)與浸潤(rùn)也影響著成型時(shí)間[8]。在表1其他參數(shù)不變的前提下，模擬注射壓力0.05～0. 45 MPa的成型。成型結(jié)果如表2所示。

表2 不同注射壓力對(duì)充模時(shí)間的影響

圖4 注射壓力與充模時(shí)間擬合曲線

由表2可知，隨著注射壓力的增大，充模時(shí)間減少，擬合曲線如圖4所示。當(dāng)注射壓力較小時(shí)，充模時(shí)間受注射壓力的影響較大，當(dāng)注射壓力>0.35 MPa，隨著注射壓力的增大，充模時(shí)間并沒(méi)有發(fā)生大幅度的變化。

3.3 滲透率

滲透率是描述充模過(guò)程流體的流動(dòng)性的關(guān)鍵參數(shù)，目前獲得纖維體滲透率的方法有3種，分別是實(shí)驗(yàn)測(cè)量、解析求解和經(jīng)驗(yàn)估計(jì)。而使用較多用于計(jì)算滲透率的解析求解公式是Darcy定律。根據(jù)Darcy定律，對(duì)于水平流動(dòng)，在不計(jì)重力的情況下，定律表達(dá)式為

(1)

式(1)中，u為流體的速度矢量；K為預(yù)成型體的滲透率張量，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，μ為流體的粘度；ΔP為壓力梯度。對(duì)于各項(xiàng)異性的多孔介質(zhì)，滲透率張量可以表示為

(2)

若局部坐標(biāo)與纖維成型體的主方向一致時(shí)，其滲透率可以簡(jiǎn)化成

(3)

式中，k11、k22、k33分別為主方向的滲透率值。若是各項(xiàng)同性的預(yù)成型體，可以默認(rèn)k11=k22=k33，碳纖維復(fù)合材料空心球體屬于殼體模型，樹(shù)脂沿厚度方向流動(dòng)較少，可以忽略厚度方向的滲透率，所以滲透率表示為

(4)

在RTM-worx中假設(shè)滲透率k11=k22，k11取(0.2～2) e-9/m2, 表1其他參數(shù)不變，模擬充模時(shí)間如下。并擬合曲線如圖5所示。

表3 滲透率對(duì)充模時(shí)間的影響

圖5 滲透率與充模時(shí)間擬合曲線

經(jīng)過(guò)曲線擬合可以發(fā)現(xiàn)，隨著滲透率的增大，充模時(shí)間逐漸減少，當(dāng)滲透率<0.8 e-9/m2時(shí)，充模時(shí)間隨滲透率變化較為明顯，當(dāng)滲透率>0.8 e-9/m2后，充模時(shí)間隨滲透率變化趨勢(shì)較弱。滲透率與充模時(shí)間成反比。

3.4 樹(shù)脂粘度與纖維含量

RTM成型對(duì)樹(shù)脂的要求也較高，RTM 用樹(shù)脂需要滿足 “一長(zhǎng)” 、 “一快” 、 “兩高” “四低” 的要求，即要求樹(shù)脂凝膠時(shí)間長(zhǎng)，固化速率快，具有高消泡性和高浸潤(rùn)性，樹(shù)脂的粘度低、固化收縮率低和放熱峰低[9]。其中樹(shù)脂粘度對(duì)充模過(guò)程影響較大，樹(shù)脂粘度過(guò)大，在充模過(guò)程中易出現(xiàn)干點(diǎn)和氣泡，但是樹(shù)脂粘度過(guò)低也會(huì)影響到產(chǎn)品的力學(xué)性能。目前研究出性能較為良好的RTM樹(shù)脂有西安航天復(fù)合材料研究所研制的RTM專用環(huán)氧樹(shù)脂，在常溫下樹(shù)脂黏度為0.11 Pa·s；北京玻璃鋼研究院復(fù)合材料有限公司制得的中溫固化樹(shù)脂在30 ℃溫度下黏度為0.255 Pa·s；Cytec公司的EP2400樹(shù)脂等。碳纖維復(fù)合材料不同的碳纖維含量會(huì)影響到制品的力學(xué)性能和質(zhì)量體積比。在RTM-WORX中模擬不同的纖維含量的充模時(shí)間，得出的數(shù)據(jù)如表4所示，模擬曲線如圖6所示。根據(jù)模擬曲線圖可知，充模時(shí)間與碳纖維含量成反比，纖維含量越高，充模時(shí)間越短，結(jié)合碳纖維力學(xué)性能強(qiáng)于樹(shù)脂的力學(xué)性能的特點(diǎn)，如果要求碳纖維復(fù)合材料制品達(dá)到較好的力學(xué)性能，可以選擇75%以上的纖維含量[10-13]。

表4 不同纖維含量對(duì)充模時(shí)間的影響

圖6 碳纖維與充模時(shí)間擬合曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合RTM-works對(duì)碳纖維復(fù)合材料空心球體的注射口位置進(jìn)行了假設(shè)，并模擬了不同注射口的成型過(guò)程。模擬不同的性能參數(shù)，主要是滲透率，注射壓力和纖維含量對(duì)充模過(guò)程的影響。確定了主要參數(shù)的選擇范圍[14-16]。但滲透率的確定是目前較為復(fù)雜的課題，滲透率的確定固然可以通過(guò)理論計(jì)算或經(jīng)驗(yàn)值估算，以及通過(guò)實(shí)驗(yàn)精確算出滲透率對(duì)RTM的成功充模有重要作用。RTM-Worx可以較好地模擬出不同參數(shù)對(duì)成型過(guò)程的影響，根據(jù)模擬結(jié)果可知，注射壓力、纖維含量、滲透率與時(shí)間成反比，樹(shù)脂黏度與時(shí)間成正比，符合Darcy定律。

[1] 朱志強(qiáng),萬(wàn)里鷹,黃基銳,等.碳纖維及其復(fù)合材料的研究

進(jìn)展[J].江西化工,2013(2):67-70.

[2] 謝逸,宋鵬濤,王永寧,等.碳纖維材料的性能及應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2013(18):51-52.

[3] 陳元芳,李小平,宮敬禹.SMC模壓成型工藝參數(shù)對(duì)成型質(zhì)量的影響[J].工程塑料應(yīng)用,2009(4):39-41.

[4] 蘇曉全.淺析樹(shù)脂基復(fù)合材料成型工藝[J].科學(xué)時(shí)代,2014(20):113-115.

[5] 陳建中.復(fù)合材料纏繞制品發(fā)展情況報(bào)告[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2012(3):94-96.

[6] 劉宇,常海明.復(fù)合材料成型工藝分析[J].民營(yíng)科技,2012(11):62-67.

[7] 陳蓉,吳安如,孫振起,等. 基于RTM工藝成型復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片的質(zhì)量控制研究進(jìn)展[J]. 湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2016,26(3):28-31.

[8] 邱婧婧,段躍新,梁志勇.RTM工藝參數(shù)對(duì)樹(shù)脂充模過(guò)程影響的模擬與實(shí)驗(yàn)研究[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2004，21(6):70-74.

[9] 徐艷,王天圣,張錦光,等.碳纖維復(fù)合材料引擎蓋的RTM工藝仿真[J].機(jī)械工程師,2014(11):130-132.

[10] 潘利劍.先進(jìn)復(fù)合材料工藝圖解[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2015.

[11] 黃家康.復(fù)合材料成型技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011.

[12] 趙延新.機(jī)翼氣動(dòng)彈性模型RTM工藝研究及模具設(shè)計(jì)[D].大連:大連理工大學(xué),2014.

[13] 魏俊偉,張用兵,郭萬(wàn)濤.真空輔助成型(VARI)工藝研究進(jìn)展[J].材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,2010(3):99-105.

[14] 梁志勇,段躍新,尹明仁,等.復(fù)合材料RTM制造工藝計(jì)算機(jī)模擬分析研究[J].航空學(xué)報(bào),2000，21(s1):116-121.

[15] Robert Hull,Charlottesville.Carbon fibers[M].New York:Springer,2015.

[16] 卞云鵬,齊潔.碳纖維原絲在干濕法紡絲中的凝固浴濃度控制[J].電子科技,2014,27(12):31-33,36.

RTM Simulation of Carbon Fiber Composite Half Sphere Based on RTM Worx

ZHANG Peilin1，2, LI Xiaohui2, ZHOU Lü1

(1.School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China;2.Department of High Molecular Material,Shanghai Institute of Materials,Shanghai 200437,China)

TP391.9

A

1007-7820(2017)10-135-04

2016- 12- 08

上海市科技人才計(jì)劃基金(15XD1520900)

張沛霖(1993-)，女，碩士研究生。研究方向：CAE技術(shù)。李小慧(1973-)，男，高級(jí)工程師。研究方向：高分子及復(fù)合材料。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.10.036