摘 要 以碳纖維為代表的纖維復(fù)合材料以其優(yōu)越的比強(qiáng)度、比剛度、抗疲勞性及耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)景。作為復(fù)合材料成型工藝的一種，樹(shù)脂傳遞成型（Resin Transfer Molding，RTM）技術(shù)具有綠色化、質(zhì)量穩(wěn)定、尺寸精度高、產(chǎn)品外形光滑平整等多種優(yōu)勢(shì)。本文基于RTM工藝，通過(guò)對(duì)基體樹(shù)脂粘度的研究，同時(shí)采用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)優(yōu)化流道設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)，獲得最佳注射方式，成功制備了較大厚度、低孔隙率及高內(nèi)部質(zhì)量的碳纖維菌形蓋產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞 復(fù)合材料；RTM；菌形蓋；計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)

Study on RTM Process Manufacturing Technology of

Composite Mushroom Shaped Cap

LIU Xinyi， XIE Tieqin， YU Baifeng， ZHANG Yunfeng， ZHOU Qi

（Harbin FRP Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT Fiber composite materials represented by carbon fiber are widely used in various scenarios due to their superior specific strength， specific stiffness， fatigue resistance， and corrosion resistance. As a type of composite material molding process， Resin Transfer Molding （RTM） technology has various advantages such as greenness， stable quality， high dimensional accuracy， and smooth and flat product appearance. This article is based on the RTM process. By studying the viscosity of the matrix resin and using computer-aided technology to optimize the flow channel design and process parameters， the optimal injection method was obtained， and a carbon fiber mushroom shaped cap product with large thickness， low porosity， and high internal quality was successfully prepared.

KEYWORDS compound material; RTM; mushroom shaped cap; computer-aided technology

1 引言

材料是工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，為產(chǎn)業(yè)提供基礎(chǔ)支撐，材料“已新代舊”是工業(yè)更好、更快、更優(yōu)發(fā)展的主要解決方案之一[1]。以玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等代表的樹(shù)脂基纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、耐疲勞、強(qiáng)度可設(shè)計(jì)、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)異特性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、風(fēng)機(jī)葉片、化工等多種領(lǐng)域。樹(shù)脂傳遞成型（Resin Transfer Molding，RTM）工藝是通過(guò)自然或人為加壓將低粘度樹(shù)脂灌入至密閉模具中浸潤(rùn)干態(tài)纖維，并在可控時(shí)間內(nèi)固化成型的復(fù)合模塑技術(shù)[2]。作為復(fù)合材料成型工藝的一種，RTM工藝具有質(zhì)量穩(wěn)定、尺寸精度高、外形光滑平整、綠色化等多種優(yōu)勢(shì)。隨著工業(yè)對(duì)復(fù)合材料產(chǎn)品要求的提升，RTM衍生出如HP-RTM、LRTM、SCRIMP、VA-RTM等多種類型[3]。本文將基于RTM工藝制備較大厚度、高質(zhì)量的碳纖維菌形蓋產(chǎn)品。

2 材料與設(shè)備

碳纖維菌形蓋為回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，頂部設(shè)有通孔，底部為翻邊法蘭，如圖1所示，主要用于高速旋轉(zhuǎn)下轉(zhuǎn)子防護(hù)和力的傳遞。因此，碳纖維菌形蓋對(duì)尺寸精度和內(nèi)部質(zhì)量要求較高。主要規(guī)格為上通孔直徑30 mm，下圓直徑290 mm，法蘭直徑330 mm，厚度13.5 mm。

根據(jù)碳纖維菌形蓋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時(shí)為保證產(chǎn)品的成型質(zhì)量和穩(wěn)定性，將選擇RTM工藝作為其成型方式。相對(duì)預(yù)浸料鋪放工藝而言，RTM工藝在纖維織物鋪放過(guò)程中省略了因產(chǎn)品厚度較大，需進(jìn)行真空排氣階段，效果更高，成本更低。碳纖維菌形蓋成型用原材料及設(shè)備如表1所示，碳纖維菌形蓋成型設(shè)備主要有提供真空環(huán)境的真空泵系統(tǒng)，RTM過(guò)程的雙組份環(huán)氧注膠機(jī)以及固化過(guò)程的加熱爐。材料將采用哈爾濱玻璃鋼研究院有限公司的T700級(jí)碳纖維織物和南通星辰合成材料有限公司的環(huán)氧樹(shù)脂。

3 工藝設(shè)計(jì)與制造

3.1 模具設(shè)計(jì)

模具作為工業(yè)之母，是保證產(chǎn)品形狀和精度的關(guān)鍵部件。對(duì)于RTM成型過(guò)程，模具還需具有密封及承壓功能。模具密封性一方面為RTM過(guò)程提供真空環(huán)境，防止在樹(shù)脂灌入過(guò)程中，產(chǎn)生“氣團(tuán)包裹”現(xiàn)象，造成產(chǎn)品出現(xiàn)“白斑”或浸漬不良，另一方面，模具密封性也避免樹(shù)脂溢出導(dǎo)致注膠失敗和浪費(fèi)。RTM模具承壓性主要體現(xiàn)在模具合膜時(shí)纖維織物因蓬松受壓的抵抗力、樹(shù)脂灌注時(shí)的內(nèi)壓力及脫模時(shí)的變形等。因此，RTM模具需具有較大的剛度，常采用金屬材質(zhì)。碳纖維菌形蓋成型模具分為上模具和下模具，如圖2所示，材質(zhì)選用45#鋼，下模具表面設(shè)有密封槽，并用O型硅橡膠密封圈密封，壓縮量取18 %。

3.2 流道設(shè)計(jì)

流道設(shè)計(jì)是RTM工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，合理的流道設(shè)計(jì)不僅可以縮短樹(shù)脂灌注過(guò)程，還可以避免干斑、富樹(shù)脂等缺陷的形成。傳統(tǒng)RTM工藝的流道設(shè)計(jì)主要以工程經(jīng)驗(yàn)為主、試錯(cuò)法為輔[12]，該過(guò)程常常伴隨著多次的工藝參數(shù)更改和模具的修整，浪費(fèi)大量人力物力，難以滿足現(xiàn)代復(fù)合材料模具設(shè)計(jì)及生產(chǎn)的需要。隨著計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的發(fā)展，RTM模具設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中逐漸引入了數(shù)字化仿真技術(shù)，通過(guò)定量分析減少試錯(cuò)率，提高RTM模具開(kāi)發(fā)效率，降低生產(chǎn)周期并節(jié)約研制成本[4]。但是，RTM過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程[5]，涉及樹(shù)脂的反應(yīng)放熱，直觀表現(xiàn)為樹(shù)脂的粘度變化，為降低計(jì)算難度，同時(shí)考慮到樹(shù)脂在未達(dá)到固化溫度時(shí)，反應(yīng)較為緩慢，故將樹(shù)脂浸潤(rùn)纖維織物的過(guò)程簡(jiǎn)化為單一的物理過(guò)程，并忽略樹(shù)脂在灌注時(shí)模具的變形和纖維的沖刷變形，即不可壓縮，該過(guò)程僅看作牛頓流體在多孔介質(zhì)中的層流流動(dòng)，遵循Darcy定律[6，7]，表達(dá)式如公式（1）所示。

V=-KμP（1）

式中，V為體積流量，K為介質(zhì)滲透率，μ為流體粘度，P為流體壓力。由于RTM過(guò)程纖維增強(qiáng)材料常常已確定，提供注膠壓力的方式有限，可認(rèn)為滲透率和流體壓力為一定值，因此如何降低樹(shù)脂粘度，是RTM成型過(guò)程的關(guān)鍵因素[17]。

碳纖維菌形蓋成型用樹(shù)脂是一種雙組份的高性能環(huán)氧樹(shù)脂體系，具有低粘度、可操作時(shí)間長(zhǎng)、工藝性能好等優(yōu)點(diǎn)，樹(shù)脂性能參數(shù)如表2所示。溫度變化直接影響樹(shù)脂粘度，為獲得較低的樹(shù)脂粘度，確定RTM成型時(shí)樹(shù)脂溫度，對(duì)該樹(shù)脂進(jìn)行了不同溫度下的粘度測(cè)試，如圖3所示。樹(shù)脂粘度隨著溫度的升高而逐漸降低，這是因?yàn)闇囟壬呒涌炝朔肿舆\(yùn)動(dòng)速度，減弱相互作用力。隨著溫度的進(jìn)一步升高，樹(shù)脂粘度變化緩慢。由于60 ℃時(shí)樹(shù)脂粘度與70 ℃、80 ℃時(shí)粘度相近，為避免資源浪費(fèi)，選定60 ℃為注膠溫度。

進(jìn)一步分析樹(shù)脂在60 ℃時(shí)的適用期，測(cè)量該溫度下不同時(shí)間內(nèi)的樹(shù)脂粘度變化，如圖4所示，樹(shù)脂粘度隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而升高，這個(gè)因?yàn)闃?shù)脂逐漸發(fā)生固化反應(yīng)。通常情況下，RTM用樹(shù)脂應(yīng)具有較低且相對(duì)穩(wěn)定的粘度，成型周期內(nèi)樹(shù)脂粘度為0.1～0.5 Pa·s較佳[18]，可見(jiàn)樹(shù)脂灌注溫度為60 ℃時(shí)，在120 min內(nèi)完成灌注即可。

在RTM成型過(guò)程中，注膠口及真空口處常存在纖維沖刷嚴(yán)重或富樹(shù)脂等缺陷，影響產(chǎn)品的成型質(zhì)量和美觀度，因此，常常將二者布置于產(chǎn)品加工可去除區(qū)域。本文依據(jù)碳纖維菌形蓋形狀和可加工區(qū)域，對(duì)其RTM成型過(guò)程的流道仿真分析設(shè)計(jì)三種成型方案。如圖5、表3所示，方案A為菌形蓋頂部1#為注膠口，底部2#為真空口；方案B為菌形蓋頂部1#為真空口，底部2#為注膠口；方案C在方案B的基礎(chǔ)上，保留頂部1#為真空口，設(shè)計(jì)了3#注膠槽，實(shí)現(xiàn)環(huán)向注膠。為了可以準(zhǔn)確捕捉到樹(shù)脂的流動(dòng)過(guò)程，計(jì)算模型采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，網(wǎng)格數(shù)為51399，如表4所示，設(shè)置好邊界條件和材料參數(shù)。

樹(shù)脂流動(dòng)模式隨著注射方式的改變而改變，如圖6和圖7所示，方案A、B、C均完成了充模。其中，方案A灌注時(shí)間為2970 s，方案B灌注時(shí)間為6850 s，方案C灌注時(shí)間為215s，均在樹(shù)脂合理使用時(shí)間內(nèi)。相對(duì)于其他兩種方案，方案C時(shí)間要縮短許多，為方案A的7.2 %，方案B的3.1 %，主要是因?yàn)榄h(huán)向注膠槽的存在，樹(shù)脂流動(dòng)通道最短，壓力損失最小，且真空孔處為流道末端，壓力損失小。方案B浸潤(rùn)距離最長(zhǎng)，這是因?yàn)榱鲃?dòng)通道最長(zhǎng)，且隨著浸潤(rùn)過(guò)程的進(jìn)行，樹(shù)脂逐漸覆蓋真空口，壓力損失增大，而且在注膠口對(duì)側(cè)易出現(xiàn)“氣團(tuán)包裹”造成干斑等浸潤(rùn)不良現(xiàn)象。

3.3 工藝成型

在3種成型方案中，方案C充模時(shí)間最短，因此本次工藝成型流道設(shè)計(jì)將選取該方案。碳纖維碳纖維菌形蓋RTM過(guò)程如圖8所示。碳纖維菌形蓋成型過(guò)程分為預(yù)成型制造階段、RTM成型階段、機(jī)械加工階段及檢驗(yàn)階段。在預(yù)成型坯成型過(guò)程中，對(duì)于首次使用的模具，應(yīng)進(jìn)行高溫除油，鋪放前清潔模具表面并涂抹脫模劑3～4次。依據(jù)產(chǎn)品形狀及尺寸采用專用切割設(shè)備對(duì)碳纖維織物進(jìn)行裁剪，鋪放過(guò)程中可采用3M膠固定。鋪放完成后，安放密封膠條，上下模具合膜并用螺栓鎖緊，過(guò)程中使用扭力扳手保證模具各處受力一致，同時(shí)采用塞尺檢驗(yàn)合膜?？p大小。RTM過(guò)程中，通過(guò)球閥控制真空口及注膠口的開(kāi)合。采用真空泵系統(tǒng)對(duì)模具持續(xù)抽真空，使其腔內(nèi)真空度達(dá)到500 Pa或更高，打開(kāi)注膠閥，利用樹(shù)脂灌注設(shè)備持續(xù)灌注樹(shù)脂，為防止樹(shù)脂沖刷纖維造成纖維褶皺，局部纖維體積含量增高，不易浸潤(rùn)，同時(shí)提高成型效率，注膠速度采用梯度注膠形式。待真空閥處溢膠，及時(shí)關(guān)閉真空閥和注膠閥，切斷連接管路，完成注膠過(guò)程并進(jìn)行固化。由于RTM為帶有外模具的固化，固化溫度和時(shí)間需考慮模具的傳熱，碳纖維菌形蓋固化工藝曲線如圖9所示，碳纖維菌形蓋的固化時(shí)間為120 ℃×180 min+160 ℃×300 min。固化完成后自然冷卻脫模，利用真空口或注膠口為頂出口，將產(chǎn)品脫出。產(chǎn)品加工前應(yīng)進(jìn)行探傷，判斷其是否具備加工條件，加工后應(yīng)再次探傷，確保產(chǎn)品不因加工造成開(kāi)裂或分層。

4 性能分析

碳纖維菌形蓋制品及探傷過(guò)程如圖10所示，碳纖維菌形蓋浸潤(rùn)良好，未發(fā)現(xiàn)干斑、貧膠、富樹(shù)脂等缺陷，尺寸公差滿足設(shè)計(jì)要求±0.1 mm。依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)碳纖維菌形蓋不同區(qū)域進(jìn)行纖維體積含量、孔隙率、及固化度測(cè)試。碳纖維菌形蓋理化測(cè)試結(jié)果如表5所示，纖維體積含量為60.84 %，孔隙率為0.12 %，固化度為97.52 %，均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在超聲波探傷檢測(cè)階段，采用奧林巴斯超聲探傷儀進(jìn)行100 %掃查，結(jié)果顯示回波強(qiáng)度高，產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量?jī)?yōu)異，無(wú)疏松、架橋或分層等缺陷。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以碳纖維菌形蓋為研究對(duì)象，對(duì)成型用樹(shù)脂基體進(jìn)行了粘度隨溫度及固定溫度下粘度隨時(shí)間的變化測(cè)試，確定了合適的樹(shù)脂灌注溫度。同時(shí)利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)對(duì)碳纖維菌形蓋RTM過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，指導(dǎo)了RTM模具的流道設(shè)計(jì)，獲得了最佳注射方式，成功制備了較大壁厚、低孔隙率及內(nèi)部高質(zhì)量的復(fù)合材料菌形蓋。

參 考 文 獻(xiàn)

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