真空辅助树脂转移模塑(VARTM)技术-综述 [兼容模式].pdf

真空辅助树脂转移模塑（VARTM）技术基础综述与展望张博明北京航空航天大学目录 概述 SCRIMP工艺 CAPRI工艺 VPA工艺 ET-VARTM工艺 结论与展望主要信息来自University of Delaware-Center for Composite Materials(UD-CCM)的报告：Overview of Vacuum-Assisted Resin Transfer Molding Processing，DOT/FAA/TC-12/35，2013年优势与问题 模具，工装，大尺寸产品，低成本 工艺可重复性，尺寸公差，力学性能，低于预浸料热压罐制品 主导风能，船舶领域，面向航空主承力结构最新进展 技术进步与航空应用演示VARTM的三种专利变化形式 the Seeman Composites Resin Infusion Molding Process(SCRIMP),patent held by TPI Composites;the VAP,patent held by EADS;Controlled Atmospheric Pressure Resin Infusion(CAPRI),patentheld by The Boeing Company.Seeman Composites Resin Infusion Molding Process(SCRIMP)SCRIMP 工艺在预制体表面贴附高渗透率导流介质层，注入过程中树脂快速通过预制体表面，同时在厚度方向渗透 控制树脂流向，提高注入速度，满足大尺寸制件的注入时间要求Seeman Composites Resin Infusion Molding Process(SCRIMP)特点预制体上表面树脂波前领先于模具表面，大厚度预制体更为显著树脂注入时间与注入长度呈指数关系，因此大尺寸制件需采用分段注射，每一段的注射管线按顺序和一定时间间隔打开和关闭，保障预制体在最短时间内完全浸润由于真空负压作用，以及导流介质、预制体渗透率的各向异性，树脂流动呈复杂3D流动行为技术需求深入把握树脂流动行为，指导模具工装设计，包括注入口、真空口布置以及相应的传感器布设建模计算流动参数，可以优化工艺设计变量，如分段间隔时间和注入总时间，注射口的间距等，并且给出这些参数与导流介质和预制体渗透率、制件尺寸、树脂粘度的函数关系解析模型 树脂波前稳定，速度不变 Darcys law 归一化处理后求解方程组，给出流动波前形状，以及饱和浸润区域随时间的扩展规律试验平台 测试平台的主要功能是感知和控制关键的工艺参数 特别针对树脂流动波前监测和流动速度监测，同时精确控制真空负压水平，研究注入浸润行为，验证工艺模型The UD-CCM VARTM Test Bed树脂流动过程测试结果 SmartWeave试验结果与模型预报的比较工艺设计的要点 充模时间与充模距离成指数关系采用多点注入 防止出现未浸润区域和干斑缺陷底部波前到达时间预报，各注入口布设及开关时间控制 厚度控制，纤维体积含量，纤维取向，孔隙率，力学性能 三维流动，复杂形状.CONTROLLED ATMOSPHERIC PRESSURE RESIN INFUSION（CAPRI工艺）注入前，反复压实预制体 注入中，在树脂容器中施加部分真空负压，降低入出口之间的压差 减小厚度梯度，增加纤维体积含量，但是会显著增加充模时间预制体的压实行为 试验装置与测试结果压缩载荷控制，厚度测量面内、面外渗透率测量CAPRI工艺压实过程带来的特点 提高整体的纤维体积含量 减少预制体回弹，减少注入过程中预制体全压实部分与部分压实部分的厚度差异 CAPRI工艺注入过程中降低树脂的压力，使已浸润预制体保持部分压实，可以进一步减少制件的厚度梯度树脂注入行为 对比试验 SCRIMP工艺 全真空反复压实试验：预制体反复压实+SCRIMP工艺 半真空试验：无压实预制体+树脂容器施加部分真空 CAPRI工艺树脂注入行为 试验装置：四个内置真空负压传感器，四个外置非接触位移传感器压力值在四个位置的分布树脂注入口附近的压力变化注入完成后的厚度分布树脂注入行为 充模时间对比the surface filling time measured by a CCD camerathe tool-side flow time measured by four tool-mounted flow sensorsVACUUM-ASSISTED PROCESS（VAP工艺）在真空袋下面使用增加的膜材料，可以透过气体但难以透过液体，可以在200C下持续进行树脂排气 只需要在隔离膜上面任意位置设置一个真空排气口，就可以在预制体表面形成均匀真空负压 减少厚度梯度，减少制件孔隙率树脂注入行为比较 试验观测到VAP工艺的模具表面的到达时间总是比SCRIMP工艺长一些 VAP工艺预制体均匀压实，SCRIMP工艺中的压力梯度使预制体回弹，渗透率分布差异，浸润时间差异树脂注入行为比较 记录注入树脂和排出树脂的重量随时间变化 持续的树脂注入会使得VAP工艺树脂含量偏多，制件厚度增大 对于树脂注入量的准确控制，可以提高制件的纤维体积含量树脂注入行为比较 流道设计，特别是出口设计，决定注入时间，还决定是否出现干斑 VAP工艺由于其真空负压遍布在预制体表面，使其出口设计具有显著的鲁棒性优势，可以基本避免干斑出现材料性能比较 厚度分布 SCRIMP工艺，在充模完成关闭注入口之后，持续抽真空几小时可以消除厚度梯度，增加压实度和纤维体积含量 VAP工艺的厚度均匀性好，但是需要控制树脂注入量以提高纤维体积含量材料性能比较 孔隙率与纤维体积含量 VAPlow：把树脂容器高度降至比模具低1.3米材料性能比较 短梁剪切强度（由于孔隙率？）综合特性对比MEMBRANE MATERIAL CHARACTERIZATION 微结构，渗透率，可操作性升温ET-VARTM工艺 目标：使用改性的预浸料树脂，应用低成本真空注入工艺，获取可与预浸料热压罐制品相比较的性能 树脂与织物材料 Cytec Cycom 977-20 is derived from a prepreg-specific,toughened epoxysystem(Cycom 977-2).To tailor the resin to infusion processes,thermoplastic toughening agents were removed to lower viscosities.Thesystem is mainly used in RTM processing in combination with Cytec PriFormfabric,which includes the toughening agent as intermingled,solublethermoplastic yarns.Thus,a dissolution stage is necessary beforethe cure cycle.Cytec PriForm is a proprietary hybrid fabric in four-harnessweave with Toho/Tenax HTA 6k 5131 carbon fibers and intermingledthermoplastic,soluble yarn running parallel to the carbon tows in the warpdirection.Hexcel RTM6 is an epoxy system commonly used in RTM processing as well.Itfeatures a viscosity profile and curing properties similar to Cycom 977-20.Hexcel RTM6 does not include toughness-enhancing additives.Hexcel SGP196Pis a commonly used,intermediate modulus carbon fiber fabric(IM7GP 6K)inplain weave configuration with an aerial weight of 196g/m2.升温ET-VARTM工艺试验研究系统Viscosity Profile of Cycom 977-20 During Two-Step Temperature Cycle升温ET-VARTM工艺升温历程优化充模时间，流动速率，宏观/细观孔隙率改进后的效果升温ET-VARTM工艺力学性能比较 纤维体积含量 纤维不同（5.4Gpa4.0Gpa），拉伸强度 树脂控制性能，剪切、压缩与孔压强度小结 VARTM工艺的基本分类SCRIMP,VAP,CAPRI，ET-VARTM 材料主控因素预制体（渗透率，压实特性，混编增韧），树脂（流变特性，凝胶特性）关键辅助材料导流介质，隔离透气膜 关键工艺参数真空压力历程，温度历程 重要结论性参数纤维体积含量，厚度公差，孔隙率，力学性能，与预浸料热压罐比较未来研究展望 宏细观基础研究The effect of lowered viscosity on balance ofmicro-and macroflow is left for future work to eliminate the potentialof shifting void formation into the microscale or fiber tows.数值模拟方法3D复杂形状，宏细观流动，真实渗透率，厚度分布，纤维体积含量，孔隙率 试验研究平台温度与真空压力控制，树脂流动控制，传感器网络，控制算法，设备集成 创新工艺设计纤维体积含量60%，孔隙率，厚度公差，离位增韧，复杂结构 材料研究树脂，预制体.