基于“离位”复合技术的Z向流动RTM成型工艺渗透特性研究

A novel Z-direction flowing RTM technology has been developed to resolve the processing problems in the engineering application of "Ex-situ" technique. In this technology one kind of in-mold resin distributor was applied to induce Z-direction flow of the resin and shorten the flowing distance. As a result, this technology can alleviate the negative influence of functional agent to resin fluidity in "Ex-situ" preforms. This proposal is concentrated on the technological fundamentals of the novel RTM technology. The flowing characteristics and permeability parameters along Z-direction will be studied. At the same time, the mathematical correlation of flowing characteristics and processing parameters will be built. The principle research objective is to solve the process issues encountered in the integrating manufacture of aeronautical composite parts with large dimension, high thickness and complex structures, furthermore provide the fundamental theoretical support of the low cost manufacturing technology of the high performance aeronautical composites.

Z向流动RTM成型工艺是针对"离位"复合技术工程化应用时存在的工艺问题而发展的一种全新的工艺技术，通过在闭合模腔内预置快速树脂分配器，使树脂沿厚度方向短程、快速浸润预成型体，最大程度地缓解应用"离位"复合技术时层间功能组分的附载对树脂流动的影响。本研究针对这一工艺技术所包含的基本工艺原理，开展对树脂在纤维预成型体中的流动规律及渗透特性的研究，建立树脂流动规律与工艺参数之间的数理关联。解决将"离位"复合技术应用于大尺寸、大厚度、复杂结构航空复合材料结构件整体制造时所存在的工艺原理问题，为航空复合材料的高性能、低成本制造技术提供基础理论支撑。

北京航空材料研究院先进复合材料重点实验室先后提出了具有自主知识产权的“离位”增韧技术和Z向流动RTM成型技术。结合这两项专利技术，研究了“离位”增韧剂结构形式对纤维预成型体压缩特性、Z向渗透特性的影响；同时研究了树脂沿预成型体Z向流动浸润行为，对于点阵结构附载的“离位”增韧剂，进一步研究了其对复合材料的增韧机理。.针对多孔薄膜以及无纺布结构形式的增韧剂，通过压缩实验及微观形貌分析，对“离位”增韧预成型体的压缩特性进行了研究。结果表明，预成型体压缩过程中，其纤维体积分数随压力的增加而增加，但是层间增韧剂的结构形式会对预成型体压缩特性产生一定影响。实验验证了B. Chen提出的关于织物预成型体压缩过程的本构关系，当模型中经验指数k为2时，实验值与模型预测值吻合良好。.通过开展Z向渗透实验，研究了纤维体积分数、增韧剂结构形式对预成型体Z向渗透特性的影响，同时对预成型体Z向渗透阈值作了初步的理论分析。结果表明，随着预成型体纤维体积分数的升高，其Z向饱和渗透率均呈现出明显下降趋势；同时，结合T. G. Gutowski提出的Z向渗透阈值与纤维体积分数的关系，计算出了树脂在预成型体中趋近于Z向停止流动时的名义纤维体积分数，当Kozeny常数k’z为1时，实验值与理论预测值吻合良好。.利用埋植于上下模具面的压力传感器监测Z向注阶段预成型体内的压力变化，并结合不同出胶口树脂的流出时间，拟合出树脂在预成型体内Z向流动前锋随时间的变化趋势，进而对树脂在预成型体内Z向流动浸润模式进行推演。结果表明，树脂在非增韧预成型体、无纺布以及多孔薄膜“离位”增韧预成型体中Z向流动所需的驱动压力依次增大。流动前锋的拟合结果表明，增韧层对流动前锋存在周期性的“二次分配”作用，因而树脂在“离位”增韧预成型体中Z向的流动前锋更加平滑。.针对重点实验室开发的增韧剂非连续化点阵分布的ES-Fabric织物，研究了其Z向渗透特性、复合材料的增韧效果以及增韧机制。结果表明，增韧剂点阵分布可以有效缓解Z向注射的工艺难度。与非增韧复合材料相比，ES-Fabric复合材料的韧性性能提高较为明显。对于增韧机理的研究发现，增韧剂点阵附载可以有效提高复合材料层间局部富热塑相比例。当复合材料遭受低速冲击时，局部富热塑相能够了大量吸收冲击能量，抑制裂纹的横向扩展，减少复合材料的冲击损伤面积，进而大幅提高复合材料的层间韧性。