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1、RTM成型工艺中缺陷形成机理的研究+李柏松 王继辉 邓京兰(武汉工业大学材料复台新技术国家实验室，武汉430070)摘 要 本文简要介绍了树脂传递模塑(简称RTM)成型工艺中缺陷的形成机 理， 以及消除缺陷的一种方法。该方法能根据纤维增强材料的铺设结构及树脂胶液流动 方式 预测缺陷的形成并加以消除。 关毽词树脂传递模塑r缺陷气泡消瞬、7 1前言近年来，树脂传递模塑(RTM)工艺在国内外得到了越来越广泛的应用。该工艺在树 脂基复合材料成型工艺方法中的地位也随之提高。由于RTM工艺具有很低的工艺设备成 本和劳动力成本，很短的生产周期，较强的材料适应性，以及基本不对环境造成污染等显 著优点，在今后一
2、段时间里，这一工艺必将会更加普遍地为复合材料工业所采用。 RTM工艺过程是将液态树脂体系在一定压力下，注入预先铺放了纤维增强材料的闭 合模腔内，树脂在模腔内浸润纤维增强材料后固化成型。这种闭合模腔内的纤维浸润情况 较其它成型方法相对复杂，它既不同于手糊成型，也不同于靠加热加压的成型方法如 SMC、BMC等。手糊成型工艺是在开放的环境中操作，可以很方便排除浸润过程中产生 的气泡，使树脂充分浸润纤维。SMC、BMC等热压方法则可以依赖于温度压力的提高来 改善树脂对纤维的浸透性。而RTM工艺要求闭合模腔内树脂在凝胶前很短的时间内迅速 浸透纤维，并依赖注射压力或其它的辅助方法尽快排除气泡，否则就无法避
3、免制成品中产 生缺胶、气泡等缺陷。 针对RTM工艺存在的这些缺陷，国内外研究人员做了大量的工作。这些研究工作主 要集中在缺陷的形成机理及缺陷消除两方面。2 RTM制品缺陷形成机理姗制品普通存在着气泡、缺胶等明显缺陷，研究它们的形成机理对于如何消除这 些缺陷至关重要。 早期JA小Mn矗Hl】等人对树脂胶液在极小范围内的流动情况进行了实验研究，并 且获得了一些有意义的结论。TSLundstvom2等人认为气泡的形成主要是在树脂流 动过程中由于空气的裹人而形成的。近年来，IJJmI唐e【3】等人研究了纤维增强材 料铺设结构对树脂胶液流动及气泡形成的影响。LJmea Lee认为在纤维增强材料中孔隙按尺
4、寸大小分布几率如图l所示，大孔隙 的尺寸大小在104至10“1忸II之间，微孔的尺寸大小在10J至1040mj之间，这种分布 形式与自然界生物形态的分布相类似。国家自然科学基金资助项目(ItlII删ISI在RTM充模过程中树脂胶液在纤维增强材料中 的流 动主要有以下两种形式：一是树脂胶液在纤维束 闻空隙内的 流动，二是树脂胶液在纤维束内纤维单丝分 布间的流动。我们把在纤维柬之间的空隙里产生的气泡几 称为大气泡，而在纤维束内单丝之间产生的气泡依其 奎大小不同分别称为小气泡或傲气泡。 对于不同结构的纤维增强材料，产生气泡的形式 也不尽相同。例如单向缝合 纤维毡，在相邻的纤维束 的空隙内产生的气泡是
5、细长的，而相邻的缝合纤维之 孔隙尺寸 间产生的 气泡是圆形的。为了研究的方便，LJames图1孔隙分布几宰图 I艘建立了如下气泡形成的模形，如图2所示：树脂腔浪流动前缘 毛细作 用引发的流动前缘形堇至桥 图2 气泡形成模型在这个模型中，清楚地显示了树脂胶渡流动时大孔、微孔的相对位置，气泡产生的形 式，纤维束间及纤维束内两种不同通道内的流动区域及流动前缘的情况。这两种流动通道 内的孔隙率和渗透率是不同的，也就是说，将纤维增强材料看成是由大孔和微孔相互作用 而重叠在一起的连续的多孔介质。 依赖于渗透率和表面张力作用，在以某一速度充模时，总有一种多孔介质通道内的树 脂胶液流动会超前于另一个。这是由于
6、在两种不同多孔介质通道内树腊胶液存在着一个浸 润饱和度分配的情况造成的。这种树脂胶液浸润饱和度分配可以用多相流动方程来计算。 在图2中，“桥”是指交叉流动的路径，在这个“桥”部分的纤维中，树脂胶液浸润饱和 度处于临界状态，当然桥的长度不同，临界值大小也不同，树脂胶液会从浸润饱和的多孔 介质通道内迅速地通过桥流向浸润不饱和的多孔介质通道内。 当采用经纬方格布和连续纤维毡等作为增强材料时，对树脂的流动情况作了比较细致的研 究。他们认为，在以经纬方格布作增强材料时，树脂在模腔内的流动主要有两种形式(轴 向流动和横向流动)。低粘度树脂胶液以较低速度注入模腔时，由于表面张力作用，纤维 束内的胶液流动超前
7、于纤维束间的胶液流动，当纤维柬内的流动前缘与横向纤维束遭遇 时，瞬时引发沿横向纤维束方向的两种相向流动，当这两种流动汇合时，若轴向纤维 束间的树脂胶液仍未达到或超过横向纤维束，因横向流动的液体己封闭了气体通道，即 形成了气泡(如图3a所示)ol黧l：_形成的搬气泡(h) 图3a大气泡形成示意图 图8b微气泡形成示意图这种气泡为大气泡，其大小一般在lo“一10“1em。之间。而当胶液粘度较高，或以较 高速度注入模腔时，纤维束间的流动超前于树脂在纤维束内的流动。此时，纤维束内的毛 细作用小于树脂注射压力作用，当胶液通过纤维束间的流动注满模腔之后，纤维束内部胶 液仍未能完全浸透纤维，如此则造成纤维柬
8、内部存在气泡或缺胶现象，这种气泡为微气泡， 如图3b所示，大小般在5 x l矿一10“4timz之间。当缺胶发生时，会产生一些大小在10-l盯Iem之间的泡沫状气泡这种泡沫现象只存在于靠近流动前缘的位置。连续纤 维毡的情况与经纬方格布类似。3 RTM成型工艺缺陷的消除机理针对上述RTM成型工艺中缺陷形成机理，LimmesL蛐等人通过实验研究认为， 只要在同一充模过程中通过采取变压注射等方法可消除绝大部分的缺陷。 当流动方向与纤维束存在夹角0时,LJam嘲Lee提出了一种有关被裹人纤维增强 材料的单个气泡移动的理论【4l，如图4所示。当树脂胶液将气泡裹人时，气泡内部的压 力和气泡外部树脂胶液对他
9、的压力保 持一种平衡状态，这时气泡与树脂胶 液的界面是一种未加限制的自由界 面，并且气泡界面的任何部分都具有 相同的曲率，当树脂胶液开始流动的 时候，这种平衡被破坏，气泡外部开 始受到树脂胶液的动态压力和粘性压 力，这样就迫使气泡的自由表面的各 部分曲率发生变化，以便继续和外部图4 孔隙内气泡的移动模型压力保持平衡。此时在树脂胶液下游，一409气泡被拉向孔外，气泡的自由表面曲率开始增大，以抵抗这种拉力。并且在械脂胶液的上 游气泡的自由表面曲率同时减小。逐渐就使气泡的自由表面形成半月状，以达到新的平衡。 达到这种新的平衡的气泡仍然可以稳定地存在于纤维树脂体系内。一旦气泡自由表面适应 外部压力的调
10、整被限制，在外部压力的作用下气泡就会变得不稳定。当这种调整不足以适 应外部压力的改变时，这种不稳定的表面就会被破坏。 某一气泡被破坏时排出的部分或全部气体会和上游的另一气泡会合，这样就形成气泡 的移动。当外部压力变化适当时，这种气泡移动的现象通常发生在树脂胶液流动的下游。 如果气泡很大或者外部压力足够高，这种已开始移动的气泡就会被分解成两个或更多 个小气泡。此时如果没有足够的外部压力继续作用，这些小气泡仍会继续稳定的存在于纤 维树脂体系中。 基于这一理论，当气泡自由表面的表面张力作用小于树脂胶液流动压力的作用时，气 泡就会开始移动。随着外部条件发生不同的变化，被树脂胶液裹人的气泡会发生两种不同
11、 的变化，要么吸人其他小气泡，要么分裂排出小气泡。当气泡移动到树脂胶液流动前缘的 边缘时，气泡就会被排除，当气泡在树脂胶液流动的尾部时，气泡就会吸人前面气泡破裂 产生的小气泡。 考虑到接触角滞后作用，依据孔隙结构，Chatzis和Morrow给出了移动气泡所 要求的外部压力(己)，这种计算是根据孔隙出口处的直径(D。)及孔隙自身的直径(D) 得出的。 峨嘶吖警一等)这里r“是树脂胶液的表面张力，以和日，是树脂胶液前进和后退的接触角，假设L。 是气泡从头到尾的长度，卢是气泡轴线与流动方向的夹角，因为粘性流动，移动气泡所需 外部压力只可以用下式表示以=LLvoidCOS 。(2)KiKw 这里”是
12、树脂胶液的粘度，“，是平均表面流动速度，K。是树脂胶液浸润纤维时的 相对渗透率，K是纤维增强材料固有的渗透率。 低速注射时，在纤维束之间所形成的大气泡，如果没有比较大的压力冲击，将处于一 种相对稳定状态。但是这种气泡可以在纤维增强材料的厚度方向上下移动，在移动过程中， 还可能与其它纤维束问的大气泡相互融合、贯通。当模腔基本充满时，采用较高的速度将 树脂胶液快速注入模腔，可以排除大气泡。高速注射开始时，大气泡开始轴向移动，此时 纤维束闻的表面张力作用已基本消失，高速流体所造成的较高的压力，冲击纤维柬间的大 气泡，使之变形、破裂最终排出制品之外。 高速注射过程中，纤维束间的大气泡基本无法产生，但纤
13、维束内部微气泡的形成及由 此造成的缺胶现象会紧随着流动前缘产生。此时，如果在胶液刚刚充满模腔时立即停止注 射，则这些气泡、缺胶等缺陷就会固定在纤维束之内。若在胶液充满模腔后以更快的注射 速度强制胶液继续注入模腔，维持一定的压力，就会迫使纤维束内的气泡从其间排除。随 之压力的升高，起初会有一些相对较大的气泡排出，之后，会继续有大量微气泡被排出。 这些被排出的微气泡在纤维束间相互融合形成中等大小的气泡，这些尺寸在10410“ jm。之间的气泡会很容易地被压力排除。4结束语 究并取得了相当的研究成果。目前，我国复合材料行业主要是靠引进国外的删国外许多学者对i11硎1成型工艺中缺陷的形成及消除已经进行
14、十几年深人细致的研 备技术 从事lillM制品的生产制造。研究lItI啊成型工艺缺陷形成机理及消除措施，对 于我国 IITM工艺技术及制品性能的提高都具有极其重要的意义。参考文献 1】JAMoin札 LTmvino and LJLeePoIvmer Composites，P414，Vol 10，1987 2工 Shmdslrom andBRGebart，Polymer Composites，P25，V0115，1994f3NPated and L JanmesLee，Efiects of Fiher Mat Architecture 013 Void Formation and Removal
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16、ngjihui Dengjinglan (MaterialSyntheds StateKeyLab，WuhanUniversity ofTechnology，Wuhan，430070)ABSTRACTA formationmechanismand the elimination ofdefects i1“1resin transfer molding products have been studied in this issueFormation and eliminationof defects call be predicted according to architecture of reinforced materials and the behaviors of flowing KEYWORD Resin Transfer Molding，D
