真空辅助RTM成型技术的研究_李柏松

玻璃钢/复合材料

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真空辅助RTM成型技术的研究󰀁

李柏松󰀁王继辉󰀁邓京兰

(武汉工业大学材料复合新技术国家实验室,武汉430070)

摘要:󰀁本文详细介绍了目前RTM工艺中最先进的两种真空辅助成型技术高渗透介质辅助成型及引流槽辅助成型。采用这两种技术的RTM工艺能够制造超厚超大的产品,适应更加广阔市场需求。同时,真空辅助RTM成型技术也将RTM工艺的应用领域进一步扩大。

关键词:󰀁RTM󰀁真空辅助成型󰀁高渗透性介质󰀁引流槽

1󰀁前󰀁言

树脂传递模塑成型(RTM)工艺自90年代以来,得到越来越广泛的应用。传统的RTM工艺是将纤维增强材料铺放到闭合的模腔中,用压力将树脂注入模腔,树脂浸透纤维增强材料,然后固化,脱模成型制品。这一方法受到材料品种及其性能的,很难适应大尺寸及厚壁制品的生产要求。由于闭模操作,虽然人们采用各种各样的方法,也很难将制品的缺陷降到一个可以普遍接受的水平。随着复合材料工业对成型工艺的要求越来越高,特别是对成型工艺的环保及成本方面的要求越来越高。近年来,国外研制开发了真空辅助RTM成型技术(Vacuum-AssistedResinTransferMolding)简称VARTM。与传统的RTM工艺相比,其模具成本可以降低50-70%,使用这一工艺在成型过程中有机挥发物(VOC)非常少,充分满足了人们对环保的要求,并且成型适应性好,因为真空辅助,可以充分消除气泡。这一工艺制造的单件制品的最大表面积可以达到186m2,厚度150mm󰀁1󰀁,纤维重量含量最大可达75~80%

󰀁2󰀁

形状复杂的大型厚壁制品,在充模过程中,对于树脂胶液在模腔内的流动时间及流动模式的预测至

关重要,准确的流动时间及流动模式对于调整树脂的凝胶时间,保证树脂对纤维增强材料的浸透起着关键作用。对此美国俄亥俄大学的L.JamesLee󰀁1󰀁等人采用高渗透介质辅助的VARTM工艺,借助高渗透介质对流动的帮助可以预测树脂在模腔内的流动情况。高渗透介质辅助VARTM工艺中,纤维增强材料直接铺放在硬质模板上,在纤维增强材料顶上铺设一层剥离层,剥离层通常是一层很薄的低孔隙率、低渗透率的纤维织物,剥离层上铺放高渗透介质,然后用其真空袋包覆、密封、结构形式如图1所示。

。正因为这些优点,这一

图1󰀁高渗透介质辅助VARTM结构

技术正迅速地得到推广。

2󰀁VARTM工艺

VARTM工艺是最近几年发展起来的一种改进的RTM工艺。其基本方法是使用敞开模具成型制品。这里所说的敞开模具是相对传统的RTM的双层硬质闭合模具而言的,VARTM模具只有一层硬质模板,纤维增强材料按规定的尺寸及厚度铺放在模板上,用真

空袋包覆,并密封四周,真空袋采用尼龙或硅树脂制成。注射口设在模具的一端,而出口则设在另一端,注射口与RTM喷相连,出口与真空泵相连。当模具密封完好,确认无空气泄漏后,开动真空泵抽真空。达到一定真空度后,开始注入树脂,固化成型。2.1󰀁高渗透介质辅助VARTM工艺

对于单纯的平面流动,高渗透介质的渗透率可以用下面的方程来描述:

󰀂s2

t=󰀁(1)2kP0

这里,s是从注射口到流动前缘的距离,t是相应的时间,󰀁是树脂胶液的粘度,Po是注射口处的压力,󰀁是高渗透介质的孔隙率,采用的高渗透介质孔隙率一般为0.85-0.88。树脂胶液在高渗透介质中的流动时间可以决定纤维织物在充模过程中的渗透率。这是因为真空辅助RTM工艺过程中树脂胶液是在两种截然不同的多孔介质内造成的。模腔内树脂胶液的流动行为可以用如下达西定理和连续方程进行控制:

󰀁󰀁V󰀁=0(2)

󰀁国家自然科学基金资助项目(19872051)和高等学校骨干教师资助计划资助项目

FRP/CM󰀁2001󰀁No.118V=󰀁-

真空辅助RTM成型技术的研究2001年1月

K󰀁󰀁P(3)󰀁这里,K󰀁是渗透率张量,是一个三维坐标函数。对于纤维织物部分和高渗透介质部分,它的数值是不同的.上述控制方程可以用变系数有限元方法求解。

在树脂注射过程中,由于高渗透介质的渗透率远远高于剥离层和纤维增强材料的渗透率,高渗透介质层内树脂流动前缘迅速超前于纤维层,进入纤维增强材料的树脂胶液大部分是从高渗透介质中流出的。L.JamesLee通过有限元分析确定了在VARTM充模过程中树脂胶液的流动模型,如图2所示。

质的渗透率直接决定着充模流动时间,而纤维增强材料的渗透率不起决定作用。因此高渗透介质可以提高充模速度。

2.2󰀁引流槽辅助VARTM工艺

虽然采用高渗透介质辅助VARTM工艺可以较大地提高充模流动速度,但是这种提高相对于某些特殊性能(比如凝胶时间难以)的树脂来讲还是不够的,并且高渗透介质辅助成型还带来了固体废物的问题。废弃的高渗透介质及剥离层不但会造成环境污染,还提高了制作成本,因此对于厚壁制品,采用引流槽辅助VARTM工艺有着更加实际的意义。该工艺要求制品厚度达到能够在单面或中间加入低密度材料(如泡沫)夹层。当然这种夹层可以更有效地降低制品重量,并有可能提高某些方面的应用性能。引流槽辅助VARTM工艺结构由图4所示。

图2󰀁树脂胶液流动模型图

树脂胶液在高渗透介质中的流动可以看作是一种存在渗漏的平面流动。这种渗漏是沿着高渗透介质厚度方向流入剥离层和纤维增强材料。剥离层和纤维增强材料看作是渗漏树脂的接收器。树脂胶液在高渗透介质中渗漏流动区域可以由三节点三角形有限元模型来处理,如图3所示。渗漏量可以用方程(4)计算。

图4󰀁真空辅助VARTM结构

引流槽的数量及其尺寸与制品规格有关。引流槽的设计直接决定树脂胶液对纤维增强材料的浸润程度。在该工艺中,注射流道直接与引流槽入口相连,但是排气槽和引流槽出口要保持一定距离。对于薄壁制品排气槽和引流槽出口的距离应为2倍的引流槽间距,对厚壁制品,这个距离与制品厚度和纤维增强材料横向渗透率有关。树脂胶液的粘度直接决定着充模时间。高粘度树脂胶液的充模流动行为遵

图3󰀁有限元模型

KlumpPdS(4)󰀁L

其中:dS是控制体积分;L是树脂胶液在剥离层和纤

Qleak=󰀁S

维增强材料部分的流动前缘的距离;Klump是剥离层和纤维增强材料部分在厚度方向上的总的渗透率。󰀁󰀁L.JamesLee通过实验研究得出结论:高渗透介

sin(󰀁nW)81-󰀁3W-HWn=1,3,5...n󰀁󰀁n󰀂n

1-K󰀁2n-

从达西定理。树脂胶液粘度与流动时间成线性关系,

低粘度树脂胶液的充模流动行为不符合达西定理.这是因为低粘度树脂胶液在注射口和引流槽中流动速度非常快,表面张力起着主要作用。

树脂胶液在引流槽中的流动可看作是一维孔隙中的流动,单个引流槽及其所对应的纤维增强材料的渗透率用等价渗透率Keq来计算:

Keq=

K󰀁sinh(󰀁nW)-cosh(󰀁nW)cosh(󰀁nW)-1󰀁n

󰀁nKsinh(󰀁nW)+󰀁ncosh(󰀁nW)

󰀁(5)

(下转第23页)

FRP/CM󰀁2001󰀁No.1

󰀁2001年1月玻璃钢/复合材料

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产。假如经检测后,由于工艺控制不严等原因造成模腔不符合要求,就此报废,重新开模未免太可惜。按照我们的经验,可以有两种补救办法,󰀁可以报废其中一片模具,再重新开一片;󰀁可以利用RTM工艺

自身的特点进行修补,一般可以把其中一片模具表面胶衣层凿掉,然后铺上玻璃纤维增强材料,另一片模具则贴上蜡片,喷涂胶衣,然后合模注射,待固化后脱模处理,即可交付使用。

METHODOFFRPMOULDSIZEANDCAVITYTHICKNESSCONTROLINRTM

YuanHauizhouAbstract:󰀁Thispaperintroduceshowtomanufac-turetheFRPmouldforRTMandthesizeandthethicknessofmouldcavityisquiteaccuratethroughchoosingrawmaterials

andcontrollingprocesstechnology.

Keywords:󰀁RTMrawmaterialsprocesstechnologymould

󰀁󰀁收稿日期:2000󰀁06󰀁21

(上接第18页)

n󰀁,H和W分别为引流槽的深度和宽度,KH

为纤维增强材料的渗透率。这里󰀁n=

引流槽内的树脂胶液浸透纤维增强材料的流动从图5中能清楚的看到,依据质量守恒关系,单个引流槽中树脂胶液的分配按下面方程计算:

Qin=Qout+Qleak达西定理:

Qout=

KeqPi+1,n-Pi,n

An

󰀁dl

(7)(6)

Qout和Qin分别代表流出和流入的树脂胶液,遵从

中交叉流动面积,Pi-1,n,Pi,n,Pi+1,n代表注射压力。

Qleak代表从引流槽相纤维增强材料浸透树脂胶液量。

KxPi,n

hdl(9)󰀁dfill

dfill为树脂胶液流动前缘到引流槽形心的距离。Qleak=

由于这种引流槽的渗透率远远大于任何一种高渗透性介质,因此树脂总是先注满这些引流槽,然后才从引流槽注入纤维增强材料。大型制品整个注射过程就可以被看作是被引流槽分解了的数个(与引流槽数量有关)小的注射过程。因此对于厚壁制品而言,充模流动时间几乎等于单个引流槽内树脂在纤维增强材料厚度方向的浸透时间。这大大地缩短了充模周期。相对于高渗透介质辅助VARTM而言,引流槽辅助VARTM工艺充模速度可以提高17倍。

3󰀁结束语

我国玻璃钢工业处于蓬勃发展时期。在国防、船舶、桥梁、航空工业等领域,这种低成本、高性能的VARTM制品会越来越受到青睐,因此研制或引进类

图5󰀁渗流模型

似工艺方法,一定能促进我国玻璃钢工业的发展。

参考文献

1󰀁PlasticsTechnology.March,1995

2󰀁XiuDongSum,shoujieLiandLJamesLee.PolymerComposites,1998;19:

807

KeqPi,n-Pi-I,n

An(8)

󰀁dl

An是树脂胶液在相邻引流槽对应纤维增强材料Qin=

STUDYONVACUUM-ASSISEDRESINTRANSFERMOLDING

LiBaisong󰀁WangJihui󰀁DengJinglan(StateMaterialSynthesisKeyLab.,WuhanUniversityofTechnology)

Abstract:󰀁TheStudyintroducedtwokindsofvacuum-assistedresintransfermolding,onebasedonhigh-perme-ablemedium,theotherbasedongrooves.Thetwokindsofvacuum-assistedresintransfermoldingwillfindmoreusesinthecompositeproduction.

Keywords:󰀁RTM󰀁vacuum-assisted󰀁high-permeablemedium󰀁grooves

󰀁󰀁收稿日期:2000󰀁05󰀁22

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