RTM工藝中所存在的缺陷問題國內外研究概況
近年來,針對RTM工藝中所存在的缺陷問題,國內外的專家學者開展了大量的理論和實驗研究。通過觀察RTM工藝充模過程中樹脂的流動,探索缺陷形成及消除機理。
對氣泡缺陷的形成問題,早開展浸潤研究的是Williams等人,他們在流動觀察試驗中發現當流體的流動前沿流過后,一些氣泡仍然存在于纖維床中,稱重法測得氣泡體積含量不超過4%,但沒有深入探討其余流體及增強材料性能的關系。將結果與用水和酒精所做實驗結果進行比較,發現表面張力對空氣的包裹有一定的影響,他們提出了表面張力對流速以及樹脂在纖維中的流動形態的影響。
Peterson和Robertson模擬了RTM成型工藝,將樹脂注入一支玻璃管中,纖維沿著玻璃管軸向排布,試驗發現纖維含量較低時產生一些較大的橢圓形氣泡,這些氣泡流動性好,一般都隨著樹脂向前遷移;而纖維含量較高時(>50%)產生的圓形氣泡分布比較均勻,這些氣泡的流動性較差。注射壓力增加,氣泡體積隨之降低,流動性好,而且氣泡大都在纖維/樹脂界面處產生。Peterson和Robertson還采用不同直徑且帶有彎路的玻璃管對樹脂流動進行了研究,提出了毛細作用數的概念,見公式(1-1):

他們發現毛細作用數對氣泡的形成有一定的影響,這個參數與注射點的位置和注射壓力有關。由彎曲的玻璃管試驗發現在彎曲的部位形成了較大的氣泡,認為這是樹脂流動形態不一致和局部增強材料滲透系數變化引起的。
Molnar等人分別拍攝了高、低流速下樹脂流經單向纖維織物時的顯微照片。在流速較低時,纖維絲間流體流動速度比纖維束間的快,這是因為有毛細作用力的影響;而在流速較高時,毛細作用力的影響較小,纖維絲間流體流動速度明顯比纖維束間的慢,這一現象與Pamas和Phelan提出的空氣包裹機理一致。
Pamas和Phelan建立了垂直于纖維束流動過程中氣泡裹入的一維模型,描述了纖維束間大孔隙中及纖維束內小孔隙中樹脂流動前沿的形態,提出了纖維束結構對氣泡形成的影響。
Patel N、Rohatgi V和LeeL.J.等人探索了RTM充模過程中纖維浸潤和氣泡形成問題。他們通過流動可視化實驗研究充模流動中氣泡的形成機理,提出氣泡形成與毛細作用力和液體-纖維-空氣的接觸角有關。Lundstrom T.S.設計了透明的注射模具,通過使用顯微鏡觀察微小區域內流體的流動形態分析RTM工藝充模過程中氣泡的形成過程。
Lundstrom T.S,Gebart B.R和Lundemo C.Y等人研究在RTM成型工藝中真空輔助對氣泡形成的影響――真空度對氣泡含量和含有氣泡區域大小的影響。并通過光學顯微方法和圖像分析技術確定氣泡體積含量。
Hull描述了制品中容易形成氣泡的區域以及氣泡的類型:
1.纖維束之間和纖維束內形成的氣泡,可能為圓形,或者伸長為平行于纖維束的橢圓形空穴。這些氣泡的大小與纖維束間和纖維束內的孔隙有關;
2.層間和富樹脂區域的氣派;
Ludd和Wright通過研究總結出制品中含有1%的氣泡,復合材料的層間剪切強度下降7%,可見氣泡缺陷的存在對復合材料的機械性能極為不利。不僅會降低復合材料制品的強度、耐久性和抗疲勞性,而且對氣候的敏感性和吸濕性增加,強度等性能的分散性增加。在實際應用中,氣泡的存在將加速制品對濕氣的吸收,削弱了纖維―基體的界面粘接性,破壞制品的機械性能。制品中的氣泡是濕氣滲入的通道,并將因為氧化作用而導致聚酯的塑化性、削弱聚合物鏈、降低纖維-樹脂基體的界面性能。制品表面或附近區域氣泡的存在會影響表面處理效果。
綜上所述,可以看到影響RTM成型工藝中氣泡缺陷形成的主要因素是:樹脂的粘度、增強材料織物的結構型式與性能、孔隙率、模具表面質量、模具濕度和注射壓力。但模具濕度和注射壓力對于氣泡含量的影響尚不清楚。一般地,較低壓力下樹脂對纖維束的浸潤效果比較高的壓力下的好,因為較高壓力使樹脂的流動速度較快;但較高的注射壓力可以沖走裹在增強材料里面的氣泡。在注射過程將要結束時給流動前沿施加一個比較大的壓力,可以排出大量的氣泡。注射過程將要結束時給流動前沿施加一個比較大的壓力,可以排出大量的氣泡。然而國內外目前的研究尚未全面地評價這些機理或闡述它們之間的相互作用。
Hayward和Harris研究了RTM工藝中影響氣泡含量的因素,結果表明子啊真空輔助下樹脂浸潤預成型體,得到制品的空隙率降低,剪切和彎曲強度增加。對制品進行圖像分析發現空隙率有明顯的降低,在真空輔助下空隙率為0.15%,而沒有真空輔助的空隙率為1.0%。
還有一些文獻提出了注射過程中采用真空輔助可以降低氣泡的含量,提高復合材料制品的強度。除了Hutcheon的文獻外都沒有提到真空輔助注射的缺點,據Hutcheon所述,在較低壓力下有可能會引起樹脂中產生孔隙,但對氣泡含量的影響程度卻不得而知。
復合材料制品中的氣泡含量可以通過幾種方法進行測量;利用光學顯微鏡觀察制品拋光的橫截面以確定氣泡含量;通過統計的方法得到制品中的氣泡的體積分數,即在顯微照片上數點的方法或計算機輔助圖像分析技術,這種方法對于研究局部氣泡的類型和分布較為實用,如果要對大范圍的區域進行研究,就需要對較多部位進行測試以得到可靠的數據。
對于制品內部出現干斑的原因,發現通常是由于玻纖浸潤不充分或者是由于充模過程中的排氣口位置設置不當。如果同期產品中出現干斑的是某個產品的某個部位,這時考慮是否是由于玻璃纖維布被污染而造成。同時通常制品內部出現干斑也與樹脂粘度有關。國內外研究人員針對這些影響因素,在消除制品內部干斑方面做了大量工作,通過不同的措施來實現提高制品質量的目的。比如:
1.通過分許和調節樹脂粘度。
2.修正模具流道設計,查看模具流道是否太長或太窄,及時改進模具來研究模具流道對樹脂流場的影響以及輔助功能。
3.檢查注射口和排氣口,改進注射口和排氣口的設計。
針對預型體產生變形的形成原因,生產RTM工藝制品時研究人員也從實踐中獲得了一些很好的經驗。比如注意合模操作方法及布層厚度,合模操作方法的不恰當或布層過厚都易引起褶皺現象,換用耐沖刷性好的纖維布、預成型坯布或針織復合氈,分析注射方式選用壓力注射還是流量注射等因素的影響,實現降低樹脂對布層的沖力等。
數值模擬技術為研究RTM工藝缺陷影響因素提供了有效的工具,RTM工藝過程的計算機模擬分析終目的是確定成型工藝參數及保證質量。RTM工藝過程模擬可預測不同工藝條件下的注模時間,預測模腔內壓力分布情況,預測溫度廠和固化度場的分布情況,顯示任意時刻的樹脂流動前鋒位,以及預測可能出現的主要工藝缺陷干斑,這些預測的結果將為優化工藝設計提供重要依據。










































