rm工藝中氣泡和干斑的形成機理

rm工藝中氣泡和干斑的形成機理

在各種制造工藝中，rr模式的混合（rtm）具有效率高、投資低、工作環(huán)境好、能耗低、工藝適應(yīng)性強等優(yōu)點，被認為是制造輕、重、幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)雜聚合物材料最有潛力的制造工藝。它已廣泛用于建筑、交通、電訊、衛(wèi)生、航空航天等領(lǐng)域。近年來,RTM的應(yīng)用和研究取得了顯著的進展。然而,RTM充模過程易產(chǎn)生氣泡、干斑等多種缺陷,嚴重影響了制品的質(zhì)量。所以RTM缺陷的形成機理成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點之一。1rtm工藝在制品成型過程中的應(yīng)用由于模具設(shè)計不當(dāng)、原材料性能欠佳或用量不合理及工藝參數(shù)選擇不合理等因素,使用RTM工藝成型的制品有時會出現(xiàn)種種缺陷。為了確保制品質(zhì)量,現(xiàn)對RTM工藝中出現(xiàn)的氣泡和干斑兩種主要缺陷進行分析。1.1樹脂膠液流動對纖維束的沖擊氣泡是RTM制品常見的缺陷,也是目前嚴重影響制品質(zhì)量的難題。氣泡缺陷的存在會導(dǎo)致纖維浸潤性降低,樹脂與纖維界面粘接性差,造成復(fù)合材料制品強度下降,表面質(zhì)量差。RTM工藝是將纖維預(yù)成型體預(yù)先鋪放在模具中,然后再注入樹脂,因此樹脂必須在發(fā)生固化反應(yīng)之前迅速充滿模腔并浸透纖維。由于樹脂注入時間很短,因此模腔內(nèi)空氣的排出時間有限,使得RTM工藝中極易發(fā)生空氣的包裹而形成氣泡RTM成型工藝充模過程中樹脂在纖維增強材料中的流動主要有兩種方式,一是樹脂膠液在纖維束間空隙內(nèi)的流動;二是樹脂膠液在纖維束內(nèi)纖維單絲間的流動在RTM充模過程中,可以將玻璃纖維織物看成是多孔介質(zhì)。孔隙有兩種,一是在纖維單絲之間形成的空隙及在纖維單絲表面的宏觀或微觀裂紋形成的空隙,為微觀空隙,微孔的尺寸大小在10低粘度樹脂膠液以較低速度注入模腔時,由于表面張力作用,纖維束內(nèi)的膠液流動超前于纖維束間的膠液流動,當(dāng)纖維束內(nèi)的流動前沿與橫向纖維束遭遇時,瞬時引發(fā)沿橫向纖維束方向的兩種相向流動。當(dāng)這兩種流動匯合時,若軸向纖維束間的樹脂膠液仍未達到或超過橫向纖維束,因橫向流動的液體已封閉了氣體通道,形成了氣泡,這種氣泡為大氣泡,大小一般在10從理論上分析,產(chǎn)生氣泡的原因有4種(1)模腔內(nèi)樹脂固化反應(yīng)放熱過高,固化時間過短,從而模腔中的氣體沒有完全排出。(2)樹脂注入模腔時帶入空氣過多,注射時間內(nèi)無法全部排出,甚至氣泡一直居于模腔頂部,從上而下的樹脂不能將其攜帶出去。(3)樹脂粘度過大,氣泡在注射時間內(nèi)不能全部從制品中溢出,而且由于樹脂粘度大,流動緩慢,甚至可能剛將氣泡攜至制品側(cè)面中部區(qū)(制品高度較大時)灌注即停止,從而脫模后的制品夾含氣泡(或坑狀缺膠)較多。(4)樹脂注入模腔的壓力過大,致使氣泡包容在樹脂中,難以排出。氣泡含量會影響到材料性能,如層間剪切強度,縱、橫向彎曲彈性模量,縱、橫向拉伸強度和模量,壓縮強度和模量,抗疲勞性能等。據(jù)報道,10%的氣泡體積含量導(dǎo)致彎曲強度減小3%,拉伸強度減小3%,受扭剪切強度減小9%,碰撞強度減小8%低速注射時,在纖維束之間所形成的大氣泡如果沒有比較大的壓力沖擊時,將處于一種相對穩(wěn)定狀態(tài)。但是這種氣泡可以在纖維增強材料的厚度方向上下移動,在移動過程中,還可能與其它纖維束間的大氣泡相互融合、貫通。當(dāng)模腔基本充滿時,采用較高的速度將樹脂膠液快速注入模腔,可以排除大氣泡。高速注射開始時,大氣泡開始軸向移動,此時纖維束間的表面張力作用已基本消失,高速流體所造成的較高的壓力沖擊纖維束間的大氣泡,使之變形、破裂,最終排出制品之外。高速注射過程中,纖維束間的大氣泡基本無法產(chǎn)生,但纖維束內(nèi)部微氣泡的形成及由此造成的缺膠現(xiàn)象會緊隨著流動前沿產(chǎn)生。此時,如果在膠液剛剛充滿模腔時立即停止注射,則這些氣泡、缺膠等缺陷就會固定在纖維束之內(nèi)。若在膠液充滿模腔后以更快的注射速度強制膠液繼續(xù)注入模腔,維持一定的壓力,就會迫使纖維束內(nèi)的氣泡從其間排除。隨著壓力的升高,起初會有一些相對較大的氣泡排出,之后,會繼續(xù)有大量微氣泡被排出。這些被排出的微氣泡在纖維束間相互融合形成中等大小的氣泡,這些尺寸在10真空法是消除氣泡的有效方法。在壓力低于1×10振動也是減少氣泡含量的方法。由于振動產(chǎn)生高的剪切速度,導(dǎo)致樹脂粘度下降,因而促進了樹脂的流動,改善了預(yù)成型體的浸漬,因而樹脂分布更加均勻,也提高了樹脂固化交聯(lián)度,減少了氣泡含量。振動可以減少氣泡的產(chǎn)生,但只有當(dāng)振動頻率為某一特定值時,氣泡含量才為最低值,且值域非常小1.2充模過程的影響使用RTM工藝的制品內(nèi)部出現(xiàn)干斑的主要原因是浸潤不充分。比起氣泡缺陷,干斑對制品質(zhì)量的影響更嚴重。干斑通常指浸潤不充分或完全沒有樹脂浸潤的面積較大的區(qū)域。若干斑出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)承受載荷的關(guān)鍵位置,將直接影響制品是否合格,甚至導(dǎo)致制品完全作廢。干斑發(fā)生變化分為3種情況,第一種,干斑周圍區(qū)域樹脂的飽和壓高于干斑內(nèi)空氣壓,導(dǎo)致樹脂流入干斑內(nèi),使干斑體積減小,內(nèi)部氣壓增加,直至達到與外界平衡為止。這說明干斑在最初形成時,其體積大小依賴于樹脂注塑壓力,樹脂高壓注射可以減小干斑的體積。第二種,干斑周圍樹脂飽和區(qū)內(nèi)存在壓力梯度,當(dāng)干斑經(jīng)歷第一種變化后,樹脂從高壓區(qū)流入干斑內(nèi),空氣變成小氣泡從低壓處逃逸掉。第三種,當(dāng)干斑內(nèi)的氣壓和飽和區(qū)的壓力達到平衡時,此時樹脂飽和壓等于干斑內(nèi)的氣壓,樹脂在毛細管壓力的作用下進入干斑內(nèi),干斑體積逐漸變小,即毛細效應(yīng)影響干斑的變化對于制品內(nèi)部出現(xiàn)干斑的原因,發(fā)現(xiàn)通常是由于玻璃纖維浸潤不充分或者是由于充模過程中的排氣口位置設(shè)置不當(dāng)。一般由于成型制品的幾何形狀復(fù)雜,充模時通常會設(shè)置多個排氣口。對于一個排氣口來說,由于成型體的滲透率不均勻,使得樹脂沿著滲透率小的區(qū)域邊緣流動;如果樹脂在分散介質(zhì)中間和底面流動前沿的位置不同,先到達的樹脂在底部沒有潤濕前就封閉排氣口,從而在排氣口和隨后的樹脂流動前沿間包裹空氣,形成干斑國內(nèi)外研究人員針對這些影響因素,在消除制品內(nèi)部干斑方面做了大量工作,通過不同的措施來達到提高制品質(zhì)量的目的(1)通過分析和調(diào)節(jié)樹脂粘度。(2)修正模具流道設(shè)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(shè)計。操作時排除干斑有切實可行的方法,如當(dāng)模腔注滿后,不停止注射,讓更多的樹脂流出模具出口,但這樣將造成浪費。更好的方法是,當(dāng)模腔注滿后,關(guān)閉排氣口,繼續(xù)注射樹脂,增加模腔內(nèi)的壓力到設(shè)定值后,保壓一段時間,再打開排氣口,樹脂和裹入的空氣一同從排氣口排出,重復(fù)這一過程所起到的排除干斑的實際效果更好2影響rtm成型工藝內(nèi)氣泡的因素近年來,針對RTM工藝中所存在的氣泡和干斑缺陷問題,國內(nèi)外的專家學(xué)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,最早開展浸潤研究的是J.G.Williams等根據(jù)RTM兩種類型的流動模型。R.S.Parnas等許多學(xué)者根據(jù)理論分析描述在RTM中氣泡形成的機理。C.Binetruy國內(nèi)武漢理工大學(xué)王繼輝等浙江大學(xué)邵雪明綜上所述,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(jié)構(gòu)形式與性能、孔隙率、模具表面質(zhì)量、模具溫度和注塑壓力。但模具溫度和注塑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;但較高的注塑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(jié)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(nèi)外目前的研究工作尚未全面地評價這些機理或闡述它們之間的相互作用。分析預(yù)成型體中干斑的形成和對它的預(yù)測是目前研究的重點。在確定的纖維之間建立樹脂流動模型可預(yù)測干斑的含量。B.Markicevic等預(yù)測不同預(yù)成型體中干斑的含量并且分析分散層性質(zhì)對干斑含量的影響。他們還建立了模型來模擬充模過程中纖維層和嵌件堆積引起的預(yù)成型體不均勻。這個模型與預(yù)成型體質(zhì)量和所通過的路徑對干斑形成不同有關(guān)。對于松散多孔介質(zhì),K.Hoes等數(shù)值模擬技術(shù)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最終目的是確定成型工藝參數(shù)及保證制品質(zhì)量。RTM工藝過程模擬可預(yù)測不同工藝條件下的注模時間,預(yù)測模腔內(nèi)壓力分布情況,預(yù)測溫度場和固化度場的分布情況,顯示任意時刻的樹脂流動前峰位,以及預(yù)測可能出現(xiàn)的主要工藝缺陷干斑,這些預(yù)測的結(jié)果將為優(yōu)化工藝設(shè)計提供重要依據(jù)3rtm成型工藝的研究隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和國內(nèi)外各科研單