黃明，祖韻秋，高亢，韋韡，張娜，朱華平，劉春太

（1 鄭州大學橡塑模具國家工程研究中心，河南 鄭州 450002；2 上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545005；3 江蘇奇一科技有限公司，江蘇 丹陽 212314）

與傳統(tǒng)金屬材料相比，碳纖維（CF）增強復合材料具有密度小、比強度和比模量高、耐腐蝕、可設計強、易于整體集成成型等優(yōu)點。當前，基于小絲束的碳纖維增強復合材料已廣泛應用于航空、航天、軍工等重要領域。傳統(tǒng)上，小絲束碳纖維性能優(yōu)異，但工藝要求嚴格、價格高昂，在向汽車、醫(yī)療等民用領域大范圍推廣應用時，其成本問題便凸顯出來。而大絲束碳纖維價格相對小絲束可降低55%左右，盡管其抗拉強度比小絲束碳纖維稍低，但性價比高，是汽車輕量化材料的重要選擇之一。

雖然大絲束碳纖維在民用工業(yè)領域成本優(yōu)勢明顯，但其在液體成型時，由于單束纖維絲過多而易導致纖維束內(nèi)微觀浸潤困難，易產(chǎn)生干斑、氣泡以及孔隙等制造缺陷。另外，對一些同時帶有凸起、凹槽、拐角等復雜結構的制件，也要考慮樹脂在纖維束間和纖維布層間的流動方式、流動速度、浸潤程度、充模時間等諸多影響成型結果的因素。傳統(tǒng)液體成型模具設計和成型工藝主要以生產(chǎn)經(jīng)驗為主，而如今，這種基于經(jīng)驗的方法已無法滿足高效率、大規(guī)模、低成本的生產(chǎn)需求。通過模擬仿真，可對樹脂在模腔中的浸潤情況、運動狀態(tài)進行反復地模擬和預測，對提高模具開發(fā)成功率、提升產(chǎn)品質(zhì)量、縮短試模周期、降低研發(fā)成本具有重要意義。邱婧婧等針對工字孔平板構件開展了不同工藝參數(shù)下的樹脂充模過程模擬研究，驗證了三維制品液體成型模擬結果的可靠性。孫玉敏等模擬分析了風機葉片的樹脂傳遞成型（RTM）工藝過程，優(yōu)化并確定了最佳的注射管道鋪設方案和溢料口的大小、位置與數(shù)量。劉剛等突破航空航天領域內(nèi)常用的高成本熱壓罐工藝，對厚壁復雜碳纖維復合材料結構件進行了RTM 技術工藝模擬，成功制作出了復合材料厚壁連桿樣件?？傮w而言，當前國內(nèi)外針對小絲束碳纖維增強復合材料的成型研究較多，技術也越來越成熟，而對大絲束碳纖維制品的液體成型模擬研究較少。

與此同時，在傳統(tǒng)的汽車裝配工藝中，以汽車地板為代表的車身結構件要經(jīng)過電泳烘干工藝，這意味著碳纖維制件在烘干高溫下不可發(fā)生明顯的蠕變變形，且在裝配應力和高溫狀態(tài)下要具備一定的強度和剛度。因此，開展大絲束碳纖維增強復合材料液體成型模擬以及高溫在線力學性能研究，對汽車輕量化具有重要意義。

本文面向低成本大絲束碳纖維在汽車領域產(chǎn)業(yè)化應用需求及存在的問題，采用0°/90°雙軸向縫編大絲束碳纖維布（50K）和耐高溫環(huán)氧樹脂（EP，固化后玻璃化轉(zhuǎn)變溫度185℃）開展了滲透率測試和汽車地板真空輔助樹脂傳遞成型（VARTM）模擬優(yōu)化研究，確定了最優(yōu)進膠方式和抽氣口位置。根據(jù)模擬結果設計并制造了成型模具，試制出表面質(zhì)量良好的汽車地板制件，超景深顯微鏡觀測制品截面顯示纖維束內(nèi)和層間浸潤良好，無干斑、裹氣等缺陷，同時開展了高溫在線拉伸、應變變化和應變恢復行為研究。

1 碳纖維鋪層滲透率測定

1.1 理論方法

滲透率是纖維材料的固有屬性,其描述了樹脂在織物或預成型體中浸潤、滲透流動的難易情況，是纖維增強復合材料液體成型模擬的關鍵參數(shù)。在VARTM 中，大絲束纖維的束內(nèi)浸潤至關重要，通過VARTM 模擬可優(yōu)化模具設計和工藝參數(shù)，是提高纖維束浸潤、降低干斑等缺陷的有效手段。樹脂在纖維束的流動可視為牛頓流體在多孔介質(zhì)中的流動，假定連續(xù)纖維束為剛性多孔材料，在不考慮樹脂熔體的可壓縮性和慣性力情況下，樹脂在纖維布中的流動符合Darcy 定律，一維Darcy公式可表述為式(1)。

1.2 滲透率實驗

滲透率測試采用T300級50K碳纖維經(jīng)0°/90°雙軸向縫編的碳纖維布（型號為C-PLY SP BT300 CT3 50K HS，幅寬125cm，由Chomarat Textiles Industries 生產(chǎn)），其由纖維束在徑向和緯向無交叉通過細尼龍絲編織而成，上下面纖維方向互相垂直，纖維布層厚為0.5mm，面密度為300g/cm，孔隙率為60%。滲透率測試時纖維布剪裁尺寸為200mm×300mm，鋪設4 層，纖維縫編結構和鋪層方式如圖1所示。

圖1 纖維縫編布及鋪層方式

耐高溫環(huán)氧樹脂為惠柏ML-8190A，固化劑為ML-8190B，兩者按質(zhì)量比10∶45 進行混合。25℃下環(huán)氧樹脂黏度為1.4～1.9Pa?s，與固化劑混合后黏度為300～400mPa?s，可操作時間為140～220min，固化條件為先在25℃保持24h（或60℃保寺4h）然后在180℃保持3h。為保證實驗測試準確度，實驗前把混合溶液置于25℃真空環(huán)境下抽氣15min以去除樹脂內(nèi)的氣體。VARTM 實驗裝置如圖2 所示，參考軸向法、徑向法對編織結構預制體滲透率進行測試。

圖2 滲率測試實驗裝置

實驗時，首先關閉進膠口，開啟真空泵抽真空，樹脂回收鍋壓力降至0.02MPa以下后保持10min，以確定模具整體無漏氣；然后打開進膠口，樹脂在大氣壓力作用下快速進入密封膜下的纖維編織布內(nèi)，膠液充滿導流網(wǎng)時流動前沿的位置達到統(tǒng)一，此時開始計時，記錄樹脂流動前沿到達刻度位置的時間，如表1所示。

表1 樹脂流動前沿到達刻度位置時間

對表1 實驗數(shù)據(jù)進行線性擬合，如圖3 所示，得到擬合直線斜率為0.01234±0.00017，擬合后=0.99692。結合式(3)，計算得到該大絲束碳纖維布的軸向滲透率K=1.152×10m，而同等條件下12K 小絲束碳纖維織物的滲透率通常不小于10m，說明大絲束碳纖維布樹脂浸潤更慢、流動阻力相對更大。

圖3 滲透率實驗數(shù)據(jù)及擬合

2 汽車地板VARTM模擬

2.1 網(wǎng)格劃分與參數(shù)設置

針對圖4 所示汽車地板的VARTM，是帶有凸起、拐角等較復雜結構的制件，為預測成型缺陷，確定合理的進膠、抽氣方式以提高生產(chǎn)效率，本文采用PAM-RTM軟件對其進行充模模擬分析。模擬之前，首先借助Comsol 軟件對CAD 模型進行三角形網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)為84390，節(jié)點數(shù)為42440；然后將網(wǎng)格導入PAM-RTM建立分析模塊，根據(jù)產(chǎn)品2mm厚、鋪設4層大絲束纖維布的設計，對網(wǎng)格模型在厚度方向上進行多層拉伸，使原網(wǎng)格由平面三角形網(wǎng)格拉伸并分切成4 層相同的四面體網(wǎng)格，如圖5 所示，每層代表按設計方式鋪設的0°/90°雙軸向縫編碳纖維布，因每張?zhí)疾祭w維束在0°和90°方向均勻縫編，所以同一層內(nèi)兩個互為垂直方向的滲透率均可采用上節(jié)測試的一維滲透率來表達。相關模擬參數(shù)見表2，VARTM 的特點是成型壓力低、樹脂浸潤速度慢、剪切速率小，且固化前環(huán)氧樹脂為含環(huán)氧基的低聚物，黏度非常小，因此模擬過程將其視為牛頓流體。

圖4 汽車地板CAD模型

圖5 模型網(wǎng)格

表2 模擬參數(shù)設置

根據(jù)制品尺寸和內(nèi)部構造特點，為探索充模過程的變化和充填時間，確定最優(yōu)的進膠方式和抽氣位置，本文采取3 種進膠方案進行模擬對比分析，其中方案1采取從邊2進膠、邊4位置抽氣的方式，方案2 采取從邊3 進膠、邊1 位置抽氣的方式，方案3采取從制件四周進膠、中心位置抽氣的方式。

2.2 模擬結果與分析

圖6(a)和(b)分別為方案1 和方案2 的充模時間模擬云圖，結果顯示方案1樹脂完全充滿型腔時間長達23900s（398.3min），而此ML-8190A 樹脂在25℃下最大操作時間為220min，當超過此時間時，樹脂的黏度會因交聯(lián)反應而快速增大，直接導致充模阻力增加，纖維束浸潤困難，型腔無法充滿，表明方案1設計不可行。方案2因樹脂流動距離變短，充模時間大幅下降，但也長達13813s（230.2min），實際生產(chǎn)中這種情況也許能在樹脂完全固化前充滿型腔，但最后充填區(qū)域的質(zhì)量也會不佳，且生產(chǎn)效率不高。過長的充模時間說明，相對于小絲束，大絲束碳纖維較低的滲透率使樹脂流動阻力更大、纖維束浸潤更慢，在相同壓力驅(qū)動下充填速率更低。

圖6 方案1和方案2充填時間云圖

針對方案1 和方案2 充模效率低的問題，方案3 選擇在制品四周同時進膠，抽氣位置在制品正中間位置，圖7為充模時間模擬分布圖，型腔完全充滿時間下降至2480s（41.3min），效率得到了極大提升，而最后充填區(qū)域也基本位于制品幾何中心位置。

圖7 方案3充填時間云圖

圖8 為方案3 在不同時刻樹脂充填百分比及流動形態(tài)模擬，結果顯示樹脂在流經(jīng)制件凹槽和凸臺位置時，因流動方向和流長的改變，流動前沿無法統(tǒng)一[圖8(a)]，在滯后和突前的拐角處有裹氣的風險，但隨著充模的進一步推移，流動前沿又逐漸恢復一致[圖8(b)]。圖8(a)和(b)同時顯示，從流動前沿向后樹脂充填百分比是逐漸增加的趨勢，說明纖維束的浸潤需要一定的時間，完全浸潤時刻要稍滯后于前沿流經(jīng)時刻。圖8(c)顯示，流動前沿基本上同時匯聚于制件幾何正中心的抽氣位置，沒有出現(xiàn)明顯的滯后現(xiàn)象，說明抽氣位置合適。

圖8 不同時刻樹脂充填百分比及流動形態(tài)

對比上述3 種方案的仿真結果，方案3 能顯著改善大絲束碳纖維VARTM 充模時間，是相對理想的方案。同時，考慮到該制品結構較復雜，且凸起與凹陷位置高度差最多有6cm，因重力作用凸起部位可能浸潤不足造成干斑和氣泡，實際生產(chǎn)中為更進一步保證制品表面和內(nèi)部質(zhì)量，在抽氣口處設置溢料口，溢料口在鋪層的上方，充填完畢后保持壓力不變繼續(xù)抽氣，直至抽氣管內(nèi)有樹脂流出且無明顯氣泡時，停止抽氣并鎖緊抽氣口。

最后需要指出的是，可靠的模擬結果一定是網(wǎng)格無關性的，為驗證該問題，將網(wǎng)格數(shù)增加至160092，其他條件不變情況下對比兩套網(wǎng)格計算的充模時間，方案1、方案2 和方案3 分別相差3.24%、2.14%和1.23%，滿足網(wǎng)格無關性的要求。

3 制品成型與高溫力學性能

3.1 模具制造與制品成型

根據(jù)方案3 設計并制造的模具如圖9 所示，在上模的型腔周圍設計流道，使樹脂通過注膠口注入后迅速充滿流道，然后從型腔四周向中心位置充填。整個成型時間大概48min，稍多于模擬的41min，考慮到實際生產(chǎn)中碳纖維布的鋪設范圍稍大于產(chǎn)品和增加的溢料時間等因素，可得出實際注膠時間和模擬結果基本吻合。固化后經(jīng)切邊的制件如圖10所示，制件表面光滑流暢，無干斑、缺膠情況。

圖9 VARTM模具

圖10 VARTM制件

3.2 纖維束浸潤形態(tài)表征

依據(jù)復合材料拉伸國家標準GB/T 3354—1999，在制品不同部位通過水切割得到力學測試樣條，觀察其截面無明顯可見的氣泡裹挾現(xiàn)象，纖維束長度方向呈明顯灰黑色，與之正交排列的另一方向纖維呈黑色并緊密排布。超景深顯微鏡（俫卡DVM6 A）觀察切割面形貌，如圖11所示，切割面放大128倍和256倍均顯示纖維束浸潤良好，不同纖維取向?qū)咏缦廾黠@但結合良好，無孔隙、干斑等缺陷現(xiàn)象。

圖11 制件截面放大不同倍數(shù)下的掃描超景深形貌和3D掃描超景深形貌

3.3 高溫力學性能

在當前的汽車裝配工藝中，汽車零件通常要經(jīng)過電泳烘干工藝，烘干溫度可達到120～180℃，且一般會持續(xù)半小時以上，這對碳纖維制件是一個挑戰(zhàn)。因此，開展碳纖維增強地板的高溫性能研究，對評估復合材料能否通過電泳烘干工藝具有重要意義。

圖12 為粘接鋁制加強片的拉伸試樣和島津高溫拉伸試驗機（Shimadzu AG-XPlus），為真實模擬材料在烘干工藝中的環(huán)境，試樣和夾具在設定溫度的密閉環(huán)境箱中保溫30min 后再開始拉伸測試。圖13為試樣在25℃、80℃、130℃和180℃四個溫度下的平均拉伸強度和模量，可以看出，拉伸模量從25℃時的55.23GPa 下降至180℃時的34.47GPa，隨溫度變化明顯，而拉伸強度基本沒有明顯下降，180℃下拉伸強度為472.24MPa，仍然保持良好的抗拉伸性能。

圖12 拉伸試樣與高溫拉伸試驗機

圖13 不同溫度下平均拉伸強度與拉伸模量

圖14和圖15為25℃和180℃下試樣拉斷面的電鏡照片，25℃下纖維表面有較多的樹脂黏附，表明碳纖維表面上漿劑提高了界面剪切強度，起到了有效傳遞載荷的作用。而180℃下碳纖維表面較為光滑，黏附樹脂較少，表明纖維與基體界面剪切強度減弱，結合力下降，這可能由以下原因造成：一是180℃高溫下纖維表面上漿劑已經(jīng)分解或部分分解，基體與上漿劑中的活性官能團形成的化學結構被破壞；二是樹脂在接近玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時可能發(fā)生了一定程度的軟化，致使樹脂與纖維表面溝槽之間形成的機械嚙合作用下降，最終導致試樣拉伸模量明顯降低。因此而言，要改善樹脂基復合材料高溫下的力學性能，除了要采用耐高溫樹脂，上漿劑的耐熱性也是重要影響因素。

圖14 25℃下拉伸斷面的SEM照片

圖15 180℃下拉伸斷面的SEM照片

上述拉伸測試結果表明，該復合材料在高溫下仍具備較好的抵抗外力而不被破壞的能力。同時，汽車地板在裝配狀態(tài)下不可避免地會在內(nèi)部產(chǎn)生裝配應力，復合材料在裝配應力和烘干高溫共同作用下是否會發(fā)生明顯的蠕變變形，是判斷該復合材料制件能否通過電泳烘干工藝的另一關鍵因素。鑒于此，采用動態(tài)力學分析儀（Q800）實驗研究了不同應力、不同溫度下該復合材料試樣的應變變化及應變恢復情況，如圖16 所示，在分別施加20MPa和40MPa兩種應力載荷30min條件下，材料的最大應變均隨溫度的升高逐漸增大，其中180℃條件下兩種應力作用1800s 時的最大應變分別為0.84%和1.58%，表明溫度對試樣的應變有較明顯影響。然而，同樣180℃條件下兩種應力釋放1800s 時，應變可分別恢復至0.1025%和0.2689%，均處于較低水平，表明該試樣在180℃高溫下仍具有良好的抗蠕變性能。

圖16 不同溫度下的應變-時間曲線

4 結論

本文面向低成本大絲束碳纖維在汽車領域產(chǎn)業(yè)化應用需求及存在的問題開展研究，對指導復合材料能否通過傳統(tǒng)汽車的電泳烘干工藝具有重要意義。主要工作及結論如下。

（1）基于Darcy定律推導了滲透率計算公式，利用自行搭建的VARTM工藝設備測試計算了0°/90°雙軸向縫編大絲束碳纖維布（50k）滲透率，結果表明，同等條件下大絲束碳纖維織物滲透率明顯小于小絲束。

（2）開展了汽車地板VARTM 模擬優(yōu)化研究，確定了最優(yōu)進膠方式和抽氣口位置，據(jù)此設計并制造了成型模具，試制出表面質(zhì)量良好的樣件。超景深顯微鏡觀測顯示，纖維束內(nèi)和層間浸潤良好，無干斑、裹氣等缺陷，表明在合理的模具設計和工藝條件下大絲束碳纖維布能液體成型質(zhì)量良好的制品。

（3）高溫在線拉伸結果顯示，溫度對耐高溫EP基CF復合材料拉伸模量影響顯著，而對拉伸強度影響不大，表明該材料在高溫下仍具備較好的抵抗外力而不被破壞的能力。高溫應變測試則顯示，溫度對材料的應變有較明顯影響，但180℃高溫下20MPa和40MPa 兩種應力釋放1800s 時，應變可分別恢復至0.1025%和0.2689%，均處于較低水平，表明該材料在高溫下仍具有良好的抗蠕變性能。