复合材料作业-RTM技术基金申请书.pdf

-1-大 连 理 工 大 学 研究生考查课 作 业 课程名称：复合材料制备与加工技术复合材料制备与加工技术 研究生姓名：冉冲 学号：21204108 导师：高航 作业成绩：任课教师(签名)交作业日时间：2014年 5月 15 日 -2-报审学科组 报审亚学科组 项目指南代码 申报编号 资助编号 国家国家自然科学基金自然科学基金申请书申请书（面上项目面上项目）项目名称：关于树脂基复合材料制备的 RTM 技术基金申请书 申 请 者：冉冲 办公电话：[phone] 手 机：15563691618 电子邮箱：Ran.chong 依托单位：大连理工大学 邮政编码：316024 通信地址：大连理工大学北山 B 区四舍 208 联系电话：[phone] 填写日期：2014-05-15 -3-一、一、基本信息基本信息 申申 请请 者者 信信 息息 姓名（中文）冉冲 姓名（拼音）ranchong 性别 男 民族 汉 出生日期 19870706 电子邮箱 Ran.chong 办公电话 [phone] 手机 [phone] 专业技术职务（职称）硕导 最高学位 硕士 最高学位授予单位 大连理工大学 研究领域 树脂基复合材料 其他 依依 托托 单单 位位 单位名称 大连理工大学 单位类别 大学 隶属关系 教育部 邮政编码 316024 通信地址 大连理工大学北山 B 区四舍 208 联系人 孙士勇 联系电话 传真 电子邮箱 Sunshy1981 合合 作作 单单 位位 单位名称 联系人 联系电话 项项 目目 基基 本本 信信 息息 项目名称（中文）树脂基复合材料的技术研究 项目名称（英文）RTM technology research resin matrix composites 申报学科 1（名称）复合材料 申报学科1（代码）申报学科 2（名称）申报学科2（代码）依托实验室 复合材料研究所 起止年月 2014 年 5 月 至 2016 年 6 月 研究性质 横向 申请金额 200 万元 报审学科组 复合材料 报审亚学科组 -4-研研 究究 内内 容容 关键词（5 个）中文 复合材料 树脂传递模塑成型 英文 composite materials RTM 摘要（限 400 字）RTM是树脂传递模塑成型的简称，该工艺是介于手糊工艺和SMC工艺之间的一种适合于中等批量生产的技术。由于该工艺具备效率高、投资低、工作环境好、能耗低、工艺适应性强等一系列优点，因此倍受青睐，发展迅速。由于RTM有其它复合材料成型技术无法比拟的优点,所以该技术已应用到了建筑、交通、体育、卫生、电讯、航空航天等领域。随着科学技术的不断发展，RTM 工艺已经成为一种大有前途的成型工艺。本项目主要研究RTM技术的存在的难点和问题以及解决这些难点和问题的应对策略和方法，为该技术在我国的大范围推广和应用提供技术支持，特别是一些“高精尖”行业的应用。-5-二、二、研究项目组主要成员概况研究项目组主要成员概况（含申请者含申请者）序号 姓名 出生日期 专业技术职务（职称）最高 学位 专业 项目分工 年工作月数 工作单位 签字 1 冉冲 2 李海岗 3 周天一 4 王建 5 周厚又 6 7 8 9 10 总人数 高级 中级 初级 博士后 博士生 硕士生 参加单位数 5 3 2 5 5 说明：高级、中级、初级、博士后、博士生、硕士生人员数、参加单位数由申请者负责填报（含申请者），总人数自动生成。4 -6-三、三、项目经费预算表项目经费预算表 单位：万元 申请资助总金额 年度预算 第一年度（201 年）第二年度（201 年）第三年度（201 年）200 80 120 支支 出出 计计 划划 明明 细细 支出科目 金额 支出内容及计算依据 1、科研业务费 56 （1）测试/计算/分析 12 （2）能源/动力费 16 （3）会议/差旅费 16 （4）出版物/文献/信息传播费 6 （5）其他 8 2、实验消耗费 34 （1）原材料/试剂/药品购置费 22 （2）其他 12 3、仪器设备费 56 （1）购置 38 （2）试制 18 4、实验室改装 24 5、协作费 12 6、管理费（5%）8 7、津贴费（10%）10 -7-报告报告正文正文 （一）立项依据（一）立项依据 1、研究意义研究意义 随着科学技术的不断发展，RTM 工艺已经成为一种大有前途的成型工艺。日本强化塑料协会将RTM工艺和拉挤工艺一起，推荐为两大最有发展前途的工艺。国外复合材料界预测，RTM技术的研究和应用热潮将延续到本世纪末，21世纪初RTM 技术会和现在的SMC 等成型工艺一样，成为FRP 领域的主导工艺之一。与国外先进水平相比，我国RTM工艺起步较晚,八十年代开始引进国外的RTM工艺和设备,但RTM制品产量低,开发成功并投人生产者不多,设备利用率低,目前在RTM 成型工艺与设备、原材料、模具设计制造等方面均存在相当大的差距，振兴中国的RTM 产业任重而道远，这就需要国内各科研单位和生产厂家共同努力，正视差距、找出原因，尽快消化吸收国外先进技术，结合实际开发改进，抓紧时机开展这方面的技术研究与应用,闯出一条中国人自己的RTM 产业化之路。2、国内外研究现状分析国内外研究现状分析及存在问题及存在问题 据统计，近年来欧美等国RTM制品增长率已连续多年达10%以上，这一增长速率超过了复合材料的平均增长速度，并且这一增长速度保持了相当长的一段时间。日本RTM 成型技术的发展速度更是惊人，从1970年起步到1991年前后，短短的20年间，RTM的发展已历经了三个阶段。其第三代RTM的生产效率可与SMC匹敌（模具占用时间约3min），所得制品的强度可靠性达到更高水平。早在80年代初，美国的保龄球娱乐中心就使用了由RTM工艺生产的座椅。以后各国相继开发了汽车外壳、净化槽、游艇壳体（10m长的已研制成功）、引擎盖、汽车保险杠等产品，从简单的手推车车身到复杂的小汽车、面包车的整体车身及高性能复合材料结构件（飞机垂直尾翼、汽车底盘），均可采用RTM工艺制造。在努力开发RTM制品的同时，对用于RTM工艺的原材料、机械设备、模具结构等诸方面进行了深入的研究。经过近五年的研究和发展，RTM 工艺在工业发达国家如英、美、德、法、瑞典已发展到相当成熟的程度，应用也相当普遍。该工艺系统目前正日趋完善，生产效率目前以达到每30min制造一个制品的程度，将来有可能实现FRP 制品形状不受限制、铺层随意设计的机械化、自动化生产工艺线。国内引进RTM工艺设备始于80年代，尽管引进的设备不少，但RTM制品的产量很低，开发应用成功、并投入正常生产者寥寥无几。按照国外先进技术指标来要求，相距甚远。应该说该工艺在国内还处于初级阶段，需予以足够的重视；并将其作为一个系统工程进行研究，特别是各环节之间的配合，主要应加强RTM设备（配套问题）、原材料（专用化）、模具（设计制造）等方面的科研与开发工作。同时也应看到国内RTM工艺发展的前景和目前的进展，比如原材料方面，南京已生产出连续玻璃纤维毡，江阴第二合成化工厂、金陵巴斯夫（现帝斯曼）公司等先后推出了数种RTM专用树脂，上海玻璃钢研究所在玻璃钢模具电加热温控方面作了有益的探索；另外，江阴第二合成化工厂先后从美国格拉斯公司、维纳斯公司引进多套RTM注射设备和胶衣喷涂设备，意欲建成国内最大、最完善的RTM生产线。3、应用方向或应用前景应用方向或应用前景 -8-RTM 是树脂传递模塑成型的简称。它起源于上世纪 50 年代的冷模浇铸工艺，至今已有 40 多年的历史，但 RTM 工艺真正为人们所重视，并得到迅速发展只有近十几年的历史。由于该工艺具备效率高、投资低、工作环境好、能耗低、工艺适应性强等一系列优点，因此倍受青睐，发展迅速。由于 RTM 有其它复合材料成型技术无法比拟的优点,所以该技术已应用到了建筑、交通、体育、卫生、电讯、航空航天等领域。RTM 工艺的特点极适合航空构件较高的生产要求,因而在航空航天领域应用最广。波音公司采用编织结构增强体/RTM 技术制造了“J”形机骨架;Douglas 公司利用缝合结构增强体/RTM 技术研制了机翼和机身蒙皮,其价格比预浸带铺放工艺低,更主要的是提高了抗冲击损伤性能。Hercules 公司用 RTM 技术制造导弹机翼等部件,其成本仅为连续纤维缠绕工艺的 1/41/3。另外,该公司正在研究用 RTM 生产 Pegasus 三级触发器,此部件独特而复杂的造型再次证明了 RTM 技术优异的适应性。RTM 工艺在汽车制造业中的应用也非常广泛。许多公司分别利用该技术制作了汽车底盘保护板、车顶、头灯罩、导风板、挡泥板等部件。用 RTM 工艺生产的玻璃钢水箱具有重量轻、防腐蚀、无毒、安装维修清洗方便、外观优美等优点,是钢质和混凝土水箱的理想替代品。目前己形成许系列,质量符合国家卫生标准的玻璃钢水箱。此外,RTM 技术在自行车架、球拍、赛艇、电话亭屋顶、蓄电池壳体、空调主机罩等制品的制备中也得到了广泛应用。对于基础研究，着重结合国际科学研究发展趋势，论述其可能的应用方向；对于应用基础研究，着重结合学科前沿，围绕首都经济建设和社会发展的重要科技问题，论述其应用前景。用于高性能复合材料成型的 RTM 技术近年来得到了较快发展,在许多领域也得到了广泛应用,但总的来讲,该技术还处于初级阶段,仍然有广阔的发展前景。在树脂基体方面,要发展具有优异性能的快速固化树脂和混合树脂体系,引进互穿网络结构(IPN)树脂体系;在增强材料方面,要发展除玻璃纤维以外的其它种类的纤维增强材料,发展混杂纤维和编织结构增强材料,重点发展三维编织增强材料。如前面所述,三维编织增强技术的发展使得复合材料可以作为主受力件使用,对制备具有复杂外形、高尺寸精度和高力学性能要求的结构件十分有利,同时也摆脱了对昂贵复杂的预浸工艺和高能耗热压罐的依赖,使得 RTM 工艺成为二维编织增强材料最有效的成型工艺得以进一步发展。因此,欧美各国均把三维编织体/RTM 技术作为先进复合材料的主要发展方向而高度重视。另外,仍需继续发展的有增强材料自动预成型技术与设备、低成本模具设计与制造技术、自动控制的树脂注入系统以及 RTM 与其它成型工艺的复合成型技术,以制备更高质量的构件。-9-参考文献 1 仲伟虹,梁志勇,张佐光,等.材料工程J.195,(1):9 2 顾媛娟,梁国正,蓝立文,等.材料导报J.1995,(2):71 3 黄家康,岳红军,董永祺.复合材料成型技术M.北京:化学工业出版社,1999 4 蓝立文,梁国正,顾媛娟.材料工程J.1995,(9):6 5 W.B.Young and C.W.Tsong.J.Reinf.Plast&ComposJ.1994,13(5):467 6 曹运红,杨鸿昌.飞航导弹J.1998,(12):57 7 杨桂,敖大新,张志勇,等.编织结构复合材料制作、工艺及工业实践M.北京:科学出版社,1999 8 张建艺,卢建德.宇航材料工艺J.1996,26(2):45 9 姚承照,冯志海,许斌.材料工程J.1999,(7):29 10 于永禄.RTM 法制备三维编织结构复合材料的研究C.第八届全国复合材料会议论文集,1994,北:230232 11 孙慧玉.材料工程J.1998,(5):34 12 李中华,钟华.宇航材料工艺J.1996,(2):76 13 J.S.Hayward and B.Harris.SAMPE JJ.1990,26(3):39 14 J.S.Hayward and B.Harris.Plastics and RubberProcessing andApplicationsJ.1989,(11):191 15 李萍,陈祥宝.材料工程J.1998,(1):46 16 吕昶,薜元德.复合材料学报J.1999,16(1):131 17 W.B.Young.PolymerCompositesJ.1994,15(2):118 18 张少春,陆关兴,黄怿,等.玻璃钢/复合材料J.1996,(6):1 19 胡晓斌,马玉录,朱奎龙,等.玻璃钢/复合材料J.1995,(3):3 20 F.Trochu,R.Gauvin,et al.J.Reinf.Plast.&Com-posJ.1994,13(3):262 21 W.B.Young.J.Reinf.Plast.&ComposJ.1995,14(4):310 22 孙正军,宋焕成.宇航材料工艺J.1993,23(6):18 23 段红杰,陶浩.中国塑料J.1998,12(3):65 24 李新华,高克强,等.玻璃钢/复合材料J.1999,(6):28 25 吴人杰.下世纪我国复合材料的发展.复合材料学报,2000,20(1):45-56.26 陈雅丽.低成本复合材料的新进展.航空工程与维修,2001(1):14-19.27 陈祥宝.先进树脂基复合材料的发展.航空材料学报,2002,20(1):24-28.-10-（二二）研究内容研究内容（不超过不超过 1500 字字）1、研究目标研究目标 攻克 RTM 技术的存在的难点和问题以及解决这些难点和问题的应对策略和方法，并通过仿真试验和理论分析的手段评价和比较其实际效果和正确性。为该技术在我国的大范围推广和应用提供技术支持和理论依据，特别是一些“高精尖”行业的应用，打断国外一些企业对该技术的垄断。2、主要主要研究内容研究内容 1）弄清树脂传递模塑(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。2）通过对树脂传递模塑()成型工艺进行了具体的研究,对所得制品进行了力学性能测试,并研究分析不同注胶温度和注胶压力对制品力学性能的影响，确定 RTM 工艺中的相关工艺参数 3）RT M 工艺过程的控制体积单元/有限元算法(CV/F EM),进行工艺过程的压力场及树脂流场模拟分析，模拟分析主要工艺参数树脂粘度、注射压力及预成型体渗透特性对 RTM 工艺过程的影响规律，优化工艺设计、减低工艺实验成本及保证产品质量 3 3、拟解决的关键问题、拟解决的关键问题 技术国内外普遍存在的难点和问题表现在以下三个方面：）树脂对纤维的浸渍不够理想，制品里存在空隙率较高，干纤维的现象；）制品的纤维含量较低；）大面积、结构复杂的模具型腔内，模塑过程中树脂的流动不均衡，而这个动态过程无法观察，更不能进行预测和控制。上述难点和问题的主要原因有：物料里残存、截留着气泡，树脂的浸渍性差等。（三三）项目创新点项目创新点（不超过不超过 500 字字）1）采用各型混合器，扩大树脂的适用范围。通过采用各型混合器，把一些粘度较大的树脂加热，以达到RTM成型所需的粘度并顺利排除气泡，使RTM在高性能复合材料方面获得广泛应用。2）采用压实增强材料和辅以高真空措施，达到高纤维含量的要求。3）采用多维织物与预成型技术。4）采用柔性树脂传递模塑技术。5）实施树脂压注和固化过程监控，进行计算机模拟。（四四）研究方案研究方案（不超过不超过 1000 字字）1 1、技术路线及关键技术技术路线及关键技术 采用实验与理论相结合的，同时参照国外领域的一些先进研究成果和理论，最后用计算机进行分析和模拟。RTM 工艺过程是将液态树脂体系在一定压力下,注人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-11-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。RTM 是从湿法铺层和注塑工艺演衍而来的新型复合材料成型方法,它在设计好的模具型腔中预先放置经合理设计、剪裁或经机械化预成型的增强材料,夹紧和密封好模具后,从设置于适当位置的注入孔在一定温度和压力下将配好的树脂胶液注入模具中,使之浸透增强材料,而后加热使复合材料固化,最后脱模得到成型制品。工艺流程如图 1 所示。由 RTM 工艺的原理与过程可知,RTM 工艺有以下主要特点:(1)RTM 工艺分增强材料预成型坯加工和树脂注射固化两个步骤,这两个步骤可分开进行,具有高度灵活性和组合性,能实现“材料设计”;(2)RTM 是闭模成型工艺,增强体与树脂的浸润由带压树脂在密闭模腔中快速流动来完成,而非手糊和喷射工艺中的手工浸润,又非预浸料工艺和 SMC 工艺中的昂贵机械化浸润,是一种低成本、高质量的半机械化纤维/树脂浸润方法;3)RTM 工艺采用了与制品形状相近的增强料预成型技术,纤维/树脂的浸润一经完成即可固化,因此可用低粘度快速固化的树脂,并可对模具加热而进一步提高生产效率和产品质量;(4)增强材料预成型体可以是短切毡,连续纤维毡、纤维布、无皱折织物、三维针织物以及三维编织物,并可根据性能要求进行择向增强、局部增强。混杂增强以及采用预埋和夹芯结构,可充分发挥复合材料性能的可设计性;(5)RTM 工艺的闭模树脂注入方法可极大减少树脂有害成份对人体和环境的毒害,满足先进工业国家对苯乙烯等有害气体挥发浓度越来越严格的限制;(6)RTM 一般采用低压注射技术(注射压力.D9=.H=公司研究成功下述新 工艺：采用新单组分聚酯、独特的树脂掺合物内脱模剂（与上述聚酯相容）、较高温度加热模具潜伏型固化剂（利用模具的热能进行活化）。聚酯与固化剂进行预掺合。泵不需要冲洗，与统计工艺控制）系统相配合，本工艺可实现自动化。）RTM用先进的辅助设备、仪器：在轿车RTM零件研制过程中，研制成并应用新的（计算机辅助工程）软件，有助于精确预测、控制型腔内树脂的流动情况；采用了物料冲模计算机分析仪（）公司出品），显示型腔内树脂冲模的情况；采用了监测、控制系统（UVCN.公司出品），测定各工艺参数，如压力、温度、注入树脂组分等。其它的RTM辅助设备：HMI.W 牌小型计量、混料、分配系统，精度为0.1；新的夹紧系统；具有倾斜台面，用于中、小机的液压机 牌非接触检测仪等 （五五）预期研究结果及可考核的验收指标预期研究结果及可考核的验收指标（不超过不超过800字字）在国内外重要学术期刊和国际会议上发表不少于 4 篇高质量论文，其中，SCI 检索不少于 2 篇，EI 检索不少于 2 篇。（六六）年度年度目标和年度目标和年度研究计划研究计划（不超过不超过 1000 字字）本项目拟在两年内完成（2014 年 5 月-2016 年 6 月）2014 年 5 月-2015 年 8 月：研究 RTM 技术中缺陷形成机理，并分析缺陷等消除的方法。发表 SCI 论文至少两篇。2015 年 9 月-2016 年 2 月：确定制备过程，确定 RTM 工艺中主要关键参数。发表 EI论文至少一篇。2016 年 2 月-2016 年 6 月：用计算机进行分析和数值模拟，不断优化工艺设计，使其更加简单合理，尽可能降低生产成本。发表 EI 论文至少一篇。-14-（七七）研究基础研究基础（不超过不超过 1000 字字）1、项目项目申请者申请者所在单位所在单位工作基础工作基础 列出项目申请者所在单位与本项目相关的研究工作基础和已取得的成果（仅限于项目成员）。2 2、工工作条件作条件 大连理工大学现代制造研究所机器相关设备和大连理工大学复合材料研究所及其相关设备。-15-（八八）项目成员简介项目成员简介（不超过不超过 1000 字字）梁志勇 男,1965 年 5 月生,副教授。现在北京航空航天大学材料科学与工程系工作,北京市科技新星入选者,兼任北京市聚合物基复合材料技术实验室副主任。主要研究方向有复合材料低成本制造技术,RT M 及 RFI 工艺技术、纺织复合材料、复合材料工艺计算机仿真与优化技术及复合材料制品的设计与开发。发表论文如下：1 吴人杰.下世纪我国复合材料的发展.复合材料学报,2000,20(1):45-56.2 陈雅丽.低成本复合材料的新进展.航空工程与维修,2001(1):14-19.3 陈祥宝.先进树脂基复合材料的发展.航空材料学报,2002,20(1):24-28.-16-五、申请者五、申请者正在正在承担承担的的北京市自然科学基金资助项目情况北京市自然科学基金资助项目情况 资助编号 项目名称 起止年份 负责或参加 进展或完成情况 六、申请者六、申请者近五年内近五年内已结题已结题的的北京市自然科学基金资助项目情况北京市自然科学基金资助项目情况 项目 1 项目名称 资助编号 验收结论 起止年份 年 至 年 后续研究进展 与本申请项目关系 项目 2 项目名称 资助编号 验收结论 起止年份 年 至 年 后续研究进展 与本申请项目关系 -17-七、申请者正在承担的其他研究项目七、申请者正在承担的其他研究项目 列出申请者承担的其他在研项目，包括 863 计划、973 计划、国家自然科学基金、国家社会科学基金、其他部委或市级计划等。项目 1 项目名称 项目来源 项目经费 起止年份 年 至 年 与本申请项目关系 项目 2 项目名称 项目来源 项目经费 起止年份 年 至 年 与本申请项目关系 项目 3 项目名称 项目来源 项目经费 起止年份 年 至 年 与本申请项目关系 项目 4 项目名称 项目来源 项目经费 起止年份 年 至 年 与本申请项目关系 项目 5 项目名称 项目来源 项目经费 起止年份 年 至 年 与本申请项目关系 -18-八、申请者保证八、申请者保证 我保证上述填报内容的真实性。如果获得资助，我与本项目组成员将严格遵守北京市自然科学基金委员会的有关规定，切实保证研究工作时间，按计划认真开展研究工作，按时报送有关材料。项目申请者（签字）：年 月 日 九、九、单位审查意见单位审查意见 （一）（一）依托单位审查意见：依托单位审查意见：我单位已按填报说明对申请者进行了资格审查，对申请书内容进行了审核，并保证在项目获得资助后将做到以下几点：（1）保证在研究计划实施所需的人力、物力和工作时间等方面给予支持。（2）严格遵守北京市自然科学基金委员会有关资助项目管理、财务管理等各项规定。（3）督促项目负责人和本单位项目管理部门，按北京市自然科学基金委员会的规定，及时报送有关报表和材料。需要说明的其他问题：单位负责人（签字或签章）：单位（公章）：年 月 日 （二）合作单位审查意见：（二）合作单位审查意见：我单位同意参加合作研究，保证对参加合作研究的人员的时间及工作条件进行支持，督促其按计划完成所承担的任务（若有其他问题请说明）。合作单位（公章）年 月 日