超聲處理對(duì)RTM工藝成型浸潤(rùn)性的影響

1、第36卷第11期2004年11月哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)JOURNA L OF H ARBI N I NSTIT UTE OF TECH NO LOGYV ol 136N o 111N ov.,2004超聲處理對(duì)RTM 工藝成型浸潤(rùn)性的影響秦偉1,吳曉宏2,王福平2,張志謙2(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150001;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)院,黑龍江哈爾濱150001,E 2mail :wxhqw 摘要:RT M 工藝成型過程中樹脂對(duì)纖維增強(qiáng)體的浸潤(rùn)是非常重要的,浸潤(rùn)不好將導(dǎo)致RT M 成型復(fù)合材料中產(chǎn)生缺陷,這將降低復(fù)合材料的力學(xué)性能.在RT M 成型過程中采用了超聲處理技術(shù)

2、,探討了超聲處理對(duì)樹脂的黏度、表面張力、RT M 工藝成型浸潤(rùn)性及復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:超聲處理使樹脂的黏度和表面張力降低,RT M 浸潤(rùn)性改善顯著,從而提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能.關(guān)鍵詞:超聲技術(shù);RT M;碳纖維織物;浸潤(rùn)性中圖分類號(hào):T B332文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0367-6234(200411-1443-03E ffect of ultrasonic treatment on the impregnation of RTM compositesQI N Wei 1,W U X iao 2hong 2,W ANG Fu 2ping 2,ZH ANG Zhi 2qia

3、n 2(1.School of Material Science and Engineering ,Harbin Institute of T echnology ,Harbin 150001,China ;2.School of Science ,Harbin Institute of T echnology ,Harbin 150001,China ,E 2mail :wxhqw Abstract :T he weak im pregnation will result in the formation of traps in the com posites because the im

4、pregnation of the resin to fiber rein forcement is one of the major factors during the filling process of RT M.I t will degrade mechani 2cal per formance of the com posites.In this paper ,ultras onic techn ology is adapted during the RT M process ,and the effect of ultras omic treatment on the visco

5、sity and sur face tension of resin ,RT M im pregnation and bend property of com posite is studied.T he results sh ow that ultras onic treatment degrades the viscosity and sur face tension of resin and im proves RT M im pregnation ,which enhances the bend property of RT M com posites.K ey w ords :ult

6、ras onic technology ;RT M ;carbon fiber ;im pregnation收稿日期:2003-10-20.基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助重點(diǎn)項(xiàng)目(59833110.作者簡(jiǎn)介:秦偉(1972-,男,博士后;王福平(1954-,男,教授,博士生導(dǎo)師;張志謙(1934-,男,教授,博士生導(dǎo)師.RT M 工藝以其環(huán)境污染小,生產(chǎn)效率高、設(shè)備簡(jiǎn)單及模具投資少,大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)制品可一次成型等特點(diǎn),在國(guó)內(nèi)外得到越來越廣泛的應(yīng)用.RT M 工藝是將樹脂體系在一定的壓力下,注入預(yù)先鋪放好纖維增強(qiáng)體的密閉模腔內(nèi),樹脂在模腔內(nèi)浸潤(rùn)纖維增強(qiáng)材料后固化成型.RT M 工藝成型過程中樹脂對(duì)

7、纖維增強(qiáng)體的浸潤(rùn)是重要的一環(huán),由于在成型過程中空氣不容易排盡,因而易使RT M 成型的復(fù)合材料中產(chǎn)生缺陷,特別是在纖維復(fù)合材料中(縫編增強(qiáng)體,編織增強(qiáng)體尤為明顯,這將降低復(fù)合材料的性能1.因而提高成型過程中樹脂對(duì)纖維增強(qiáng)體的浸潤(rùn)性非常重要.為了提高RT M 成型過程中樹脂對(duì)纖維增強(qiáng)體的浸潤(rùn)性,人們作了大量研究工作2,3.對(duì)纖維表面進(jìn)行處理,可以改善RT M 成型過程中樹脂對(duì)纖維增強(qiáng)體的浸潤(rùn)效果.Nikos G 4研究了音頻振動(dòng)對(duì)RT M 成型工藝的影響,實(shí)驗(yàn)表明音頻振動(dòng)有利于模腔中的樹脂對(duì)纖維的浸潤(rùn),樹脂對(duì)纖維的浸潤(rùn)速度變快,氣泡減少,纖維與樹脂的浸潤(rùn)性增加.然而這種振動(dòng)不是整體振動(dòng),因而還會(huì)

8、使孔隙產(chǎn)生.超聲由于其空化效應(yīng)可以使樹脂黏度和表面張力降低,并且使纖維與樹脂的浸潤(rùn)性改善,因而我們提出利用超聲技術(shù)改善RT M 工藝成型過程中樹脂對(duì)纖維的浸潤(rùn)性.1試驗(yàn)111原料以PET 縫編T -300碳纖維織物為增強(qiáng)體,711#環(huán)氧、2-乙基4-甲基咪唑?yàn)闃渲w系.112復(fù)合材料的制備與性能測(cè)試采用RT M 工藝制備復(fù)合材料.將超聲裝置放在金屬模具下方,超聲處理時(shí)間為1min ,處理功率為0400W.模具的上模是透明的,采用CC D 對(duì)充模過程進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,來研究超聲處理對(duì)浸潤(rùn)性的影響.將復(fù)合材料分別加工成2210mm ×615mm ×210mm 規(guī)格的試樣,在W D

9、-1型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上按照G B -3357-82標(biāo)準(zhǔn)對(duì)超聲處理前后試樣進(jìn)行層間剪切強(qiáng)度測(cè)試.將復(fù)合材料加工成4010mm ×1010mm ×210mm 規(guī)格的試樣,跨距與寬度比為161,加載速度為2mm/min ,在W D -1型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)超聲處理前后試樣進(jìn)行彎曲強(qiáng)度測(cè)試(每點(diǎn)取20個(gè)試樣.2結(jié)果與討論211超聲處理對(duì)樹脂體系黏度的影響將環(huán)氧711#、2-乙基-4-甲基咪唑混合均勻后,置于超聲作用下,超聲處理時(shí)間為1min 、處理功率為0400W ,然后進(jìn)行黏度測(cè)量,測(cè)試結(jié)果如圖1所示.從圖1中可以看出:在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),隨著超聲功率的增加,樹脂體系的黏度逐漸降低,在

10、功率大于300W 后,樹脂體系黏度降低緩慢.在功率為300W 時(shí),樹脂體系的黏度為0137Pa s ,比未處理時(shí)下降33 %.圖1樹脂體系黏度與超聲功率的關(guān)系產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是超聲波在樹脂體系內(nèi)發(fā)生一種聲學(xué)作用即超聲的空化效應(yīng)和聲流作用.超聲作用于樹脂體系,促使樹脂內(nèi)部空化泡漲落的交替運(yùn)動(dòng),誘發(fā)空化效應(yīng),產(chǎn)生巨大的能量,克服樹脂體系分子運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力,降低樹脂體系黏度;另一方面,超聲的聲流作用提供給樹脂體系內(nèi)分子一個(gè)很大的加速度,使其迅速運(yùn)動(dòng),也使樹脂體系的黏度降低.212超聲處理對(duì)樹脂體系表面張力的影響對(duì)超聲處理時(shí)間為1min 、不同功率處理后的樹脂體系,利用Wihelmy 吊板法測(cè)定

11、樹脂體系的表面張力,結(jié)果如圖2所示 .圖2樹脂體系表面張力與超聲功率之間的關(guān)系從圖2中可以看出:在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),隨著超聲功率的增加,樹脂體系的表面張力逐漸降低,在功率大于300W 后,表面張力降低緩慢.在功率為300W 時(shí),樹脂體系的表面張力為01038N/m ,比未處理時(shí)降低了22%.從熱力學(xué)方程可以知道:對(duì)于給定體系有T 5S 5A T ,P ,n i =-T 55T A ,V ,n i ,(1而T5S 5AT ,V ,n i為溫度不變時(shí)擴(kuò)大單位表面積所吸收的熱,因此該值為正,所以55TA ,V ,n i<0.因而隨溫度的升高表面張力將下降.由于超聲作用于樹脂體系引發(fā)空化效應(yīng)時(shí),可使樹

12、脂體系溫度升高,因此超聲處理可使樹脂體系的表面張力下降.213超聲處理對(duì)RTM 成型浸潤(rùn)性的影響本實(shí)驗(yàn)的模具上模是透明的,采用CC D 對(duì)充模過程進(jìn)行實(shí)時(shí)采集來研究超聲處理對(duì)浸潤(rùn)性的影響.圖3為充模時(shí)間30s 時(shí),超聲處理前后RT M 充模過程中樹脂的實(shí)際流動(dòng)圖形,其陰影部分為樹脂.由圖3可以看出,經(jīng)300W 超聲處理之前樹脂充模面積增加較快;比未處理的,浸潤(rùn)面積提高112倍;當(dāng)經(jīng)300W 超聲處理以后,充模面積增加較緩慢,這說明超聲處理提高了RT M 成型過程中樹脂對(duì)纖維增強(qiáng)體的浸潤(rùn)性.根據(jù)Darcy 定律,流體沿多孔性介質(zhì)的流動(dòng)規(guī)律為5Q =k A pL .(2式中:Q 為樹脂單位體積流動(dòng)

13、速率;A 為橫截面積;p 為相對(duì)于長(zhǎng)度L 的壓差;L 為樹脂流動(dòng)前沿與注入口的距離;k 為滲透率.4441哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第36卷從公式(2可以看出,在橫截面積與壓力不變的情況下,樹脂體系黏度降低和滲透率提高可使浸潤(rùn)速率增大.樹脂體系的黏度和表面張力降低,可以使?jié)B透率增大.因而只要降低樹脂體系的表面張力和黏度就可以提高RT M 工藝成型過程樹脂對(duì)纖維增強(qiáng)體的浸潤(rùn)性.從以上分析可知,超聲處理可以使樹脂體系的表面張力和黏度降低,因而超聲處理可以提高RT M 工藝成型過程中樹脂對(duì)纖維增強(qiáng)體的浸潤(rùn)性.由于300W 以前樹脂體系的表面張力和黏度下降較快,因而浸潤(rùn)性改善顯著;而當(dāng)功率進(jìn)一步增加,表面張力

14、和黏度降低緩慢,因而浸潤(rùn)性改善也變得緩慢 .(a 未處理;(b 100w ;(c 300w ;(d 350w圖3超聲處理時(shí)間對(duì)樹脂充模的影響214超聲處理對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響圖4為超聲處理時(shí)間為1min ,超聲處理功率對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響,其中(a 為超聲處理功率對(duì)復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度(I LSS 的影響,(b 為超聲處理功率對(duì)復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響 .(a 層間剪切強(qiáng)度(b 彎曲強(qiáng)度圖4超聲處理功率對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響從圖4中可以看出,當(dāng)處理功率小于300W 時(shí),隨處理功率的增大,復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度不斷增大;在300W 時(shí),層間剪切強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度達(dá)到極大值,分別比未

15、處理時(shí)提高了11%和8%;當(dāng)處理功率繼續(xù)增大,復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度反而降低.這是由于樹脂對(duì)纖維的浸潤(rùn)性的改善有利于提高復(fù)合材料的界面性能,因而在300W 之前隨著浸潤(rùn)性的改善使復(fù)合材料的界面性能提高;而在300W 之后由于浸潤(rùn)性改善不明顯并且功率過大容易使樹脂體系中產(chǎn)生不易排除大氣泡,因而會(huì)使復(fù)合材料產(chǎn)生較大缺陷,進(jìn)而使復(fù)合材料性能降低.復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度主要取決于基體樹脂、增強(qiáng)材料和復(fù)合材料界面的強(qiáng)度,當(dāng)前兩者不變的情況下,復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度主要決定于界面強(qiáng)度.因而超聲處理對(duì)復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響與對(duì)界面性能的影響趨勢(shì)相一致.3結(jié)論1超聲處理可使樹脂的表面張力減小、黏度降低,并且

16、可以提高RT M 成型過程中,樹脂對(duì)纖維增強(qiáng)體的浸潤(rùn)性.2超聲處理時(shí)間為1min 、處理功率為300W 條件下,可使RT M 成型過程中樹脂對(duì)纖維增強(qiáng)體浸潤(rùn)面積提高了112倍,彎曲強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度分別比未處理提高8%和11%.參考文獻(xiàn):1陸惠玲,戴干策.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料浸漬過程中氣泡的形成于排出J .纖維復(fù)合材料,2000,9(3:7-10.2G HI ORE S R.E ffect of V oid C ontent on the MechanicalProperties of Carbon/E poxy Laminates S AMPE Q.,1993,24(2:54-59.3秦偉,張志謙.冷等離子體處理對(duì)碳纖維縫編織物/環(huán)氧復(fù)合材料界面性能的影響J .航空材料學(xué)報(bào),2001,21(4:38-41.4NIK OS G.Vibration Assisted Resin T rans fer M oulding(I ART M A .In :Y ao ZH ANG.13th International C on fer 2ence on C om posite Materials C .Beijing :Scientific and T echnical D ocuments P