經(jīng)編雙軸向玻纖織物滲透率的實(shí)驗(yàn)研究

經(jīng)編雙軸向玻纖織物滲透率的實(shí)驗(yàn)研究

0聯(lián)軸系材料主滲透率的檢測(cè)樹脂在纖維之間的流動(dòng)是rtm工藝的重要之一。如果樹脂浸泡充分，則直接影響產(chǎn)品的性能。很多研究人員應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬樹脂在纖維中的流動(dòng),以便了解樹脂充模過程。其中滲透率是描述增強(qiáng)材料對(duì)樹脂流動(dòng)阻力的參數(shù),決定了模擬的準(zhǔn)確性。目前,國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)不同增強(qiáng)材料的滲透率進(jìn)行了研究,提出了單向法和徑向法兩種方法來測(cè)量織物的滲透率。由于單向法容易產(chǎn)生邊緣效應(yīng),應(yīng)用受到了限制。徑向法可以在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中同時(shí)得到兩個(gè)主滲透率的大小和方向,與實(shí)際的RTM過程極其類似,因而得到了廣泛應(yīng)用。Adams等最先提出了在RTM過程中測(cè)量滲透率的徑向法;隨后,Adam等又來求解在恒定注入壓力下沿著主軸方向的各向異性滲透率。J.R.Weitzenbock詳細(xì)論述了用恒壓徑向法求各向同(異)性材料主滲透率的方法。經(jīng)編雙軸向玻璃纖維織物是襯經(jīng)紗和襯緯紗平直排列并垂直疊加,再用捆綁紗線將他們的交織點(diǎn)捆綁在一起。因?yàn)榭椢镏懈饕r墊的紗線組都是平行排列,取向度很高,能夠共同承受外來載荷,所以織物的拉伸強(qiáng)力高。捆綁紗線為高強(qiáng)度滌綸長(zhǎng)絲,具有較高的斷裂強(qiáng)度和斷裂延伸率,在小負(fù)荷作用下不易變形,而且耐磨性能好,所以經(jīng)編雙軸向玻璃纖維與傳統(tǒng)機(jī)織物相比,具有不易屈曲、斷裂強(qiáng)力和撕破強(qiáng)力高等優(yōu)點(diǎn)。因此測(cè)試經(jīng)編雙軸向玻璃纖維織物的滲透率,掌握其滲透特性,具有重要意義。本文采用徑向法測(cè)量經(jīng)編雙軸向玻璃纖維織物的滲透率,研究了織物結(jié)構(gòu)、纖維體積分?jǐn)?shù)和注入壓力對(duì)其滲透率的影響。1u3000主滲透率RTM充模過程,可看成是黏性液體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng),通常用達(dá)西定律來描述:ν=?kμ?ΔPν=-kμ?ΔΡ(1)式中,ν為液體流速,k為滲透率,μ為液體黏度,ΔP為壓力差。在此基礎(chǔ)上,J.R.Weitzenbock等人推導(dǎo)了沿主軸方向的各向異性主滲透率的計(jì)算公式。K1=[x2f(2lnxfx0?1)+x20]?1t?με4ΔPΚ1=[xf2(2lnxfx0-1)+x02]?1t?με4ΔΡ(2)K2=[y2f(2lnyfy0?1)+y20]?1t?με4ΔPΚ2=[yf2(2lnyfy0-1)+y02]?1t?με4ΔΡ(3)式中,K1、K2分別為沿x、y主軸方向的主滲透率,t是從開始注入到液體到達(dá)某特定點(diǎn)的時(shí)間,μ為液體黏度,ε為織物孔隙率,xf和yf為流動(dòng)前沿半徑坐標(biāo),x0和y0是注入口半徑坐標(biāo)。ΔP是流動(dòng)前沿壓力和注入口壓力的壓力差。2實(shí)驗(yàn)2.1紗線排列密度經(jīng)編雙軸向玻璃纖維織物(圖1),其面密度為991g/m2,厚1.2mm。沿經(jīng)紗和緯紗方向的紗線排列密度均為3.9根/cm。所用機(jī)油黏度為60mPa·s。2.2鋼質(zhì)材料注意事項(xiàng)所用儀器結(jié)構(gòu)如圖2所示。模具由上模和底模組成,底模工作面為鋼質(zhì)材料,工作表面中間有一圓形注入口,用來注入液體。上模是透明的,尺寸為400mm×400mm×25mm,上模和底模之間有鋼質(zhì)墊片,可控制模腔高度。2.3纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)織物滲透率的影響將經(jīng)編雙軸向玻璃纖維織物按一定尺寸裁好,鋪放在模腔內(nèi),通過調(diào)節(jié)墊片的厚度來控制織物的纖維體積分?jǐn)?shù),然后從模具中心以恒定壓力注入機(jī)油,用壓力傳感器來采集注入壓力的數(shù)據(jù),同時(shí)用攝像機(jī)記錄下機(jī)油對(duì)織物的滲透情況,計(jì)算不同纖維體積分?jǐn)?shù)下的滲透率。當(dāng)體積分?jǐn)?shù)不變時(shí),通過調(diào)節(jié)注入壓力的大小,計(jì)算不同注入壓力下的滲透率。3結(jié)果和討論3.1織物結(jié)構(gòu)分析液體流動(dòng)前沿的錄像圖(圖3)表明了液體在織物內(nèi)的流動(dòng)呈橢圓形,橢圓的長(zhǎng)軸沿y軸方向,短軸沿x軸方向。如果單從經(jīng)緯紗線的排列密度來看,流動(dòng)前沿應(yīng)該呈圓形的各向同性狀態(tài),實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的橢圓形狀表明了捆綁紗線對(duì)液體滲透有重要影響?？椢镎娼Y(jié)構(gòu)[圖1(a)]顯示經(jīng)編雙軸向玻璃纖維織物的捆綁紗線沿經(jīng)紗方向排列緊密,呈平行的直線結(jié)構(gòu),緊密的捆綁紗線明顯地阻礙了液體沿緯紗方向上的流動(dòng)而引導(dǎo)了液體沿經(jīng)紗方向的流動(dòng)?？椢锏姆疵娼Y(jié)構(gòu)[圖1(b)]顯示了織物沿緯紗方向上也有捆綁紗線束縛,但捆綁紗線呈均勻的“八”字形,每個(gè)“八”字形的捆綁紗對(duì)液體的阻礙作用被分解成沿經(jīng)紗和緯紗兩個(gè)方向上的力,均勻地阻礙了液體在經(jīng)緯方向上的流動(dòng),并沒有影響液體流動(dòng)前沿的各向異性程度?？梢?織物正面沿經(jīng)紗方向上捆綁紗線使其滲透率呈各向異性。3.2織物結(jié)構(gòu)的變化圖4為不同纖維體積分?jǐn)?shù)時(shí)織物滲透率的變化。從圖4可以看出,隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加,織物滲透率呈逐漸減小的趨勢(shì),沿經(jīng)紗方向的滲透率變化較大,沿緯紗方向上的滲透率變化較小。這是因?yàn)槔w維體積分?jǐn)?shù)的增大使得織物內(nèi)宏觀和微觀孔隙都減小,結(jié)構(gòu)更加緊密,加大了液體滲透的難度。圖5為不同纖維體積分?jǐn)?shù)時(shí)流動(dòng)前沿橢圓短軸和長(zhǎng)軸比例的變化,它顯示隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加,流動(dòng)前沿短軸與長(zhǎng)軸的比例逐漸減小,說明隨著孔隙率的減小,織物滲透率的各向異性程度有所增加。當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)較低時(shí),纖維之間的宏觀孔隙及纖維束內(nèi)部的微觀孔隙都較大,對(duì)液體流動(dòng)的阻力較小,所以液體沿經(jīng)緯方向上的流動(dòng)比較通暢,表現(xiàn)為各向異性程度低;而當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)增大時(shí),纖維內(nèi)部的宏觀微觀孔隙都減小,尤其是沿緯紗方向上的減小更明顯,所以液體在織物內(nèi)的流動(dòng)尤其是沿緯紗方向的流動(dòng)更為困難,表現(xiàn)為各向異性程度增加。這個(gè)結(jié)果與陳萍等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。3.3壓力p的計(jì)算和測(cè)量結(jié)果圖6為體積分?jǐn)?shù)為34%時(shí)注入壓力和滲透率的關(guān)系?？梢钥闯鲭S著注入壓力的增加,滲透率先增大后趨于穩(wěn)定。當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)較低時(shí),織物中同時(shí)進(jìn)行著液體的宏觀和微觀流動(dòng),但宏觀流動(dòng)占主導(dǎo)。另一方面,液體流動(dòng)前沿驅(qū)動(dòng)壓力ΔP=Pm+Pg+Pv+Pc。式中,ΔP為總的壓力差,Pm注入壓力,Pg為萬有引力引起的壓力,Pv為真空輔助壓力,Pc為毛細(xì)壓力。實(shí)驗(yàn)所用材料的放置和流動(dòng)前沿方向垂直于重力方向,則Pg略去不計(jì);實(shí)驗(yàn)中未采用真空輔助注射則Pv=0;此時(shí)壓力差就簡(jiǎn)化為ΔP=Pm+Pc。當(dāng)注入壓力較小時(shí),微觀毛細(xì)壓力與注入壓力具有可比性,這時(shí)如果忽略毛細(xì)壓力,根據(jù)式(1)計(jì)算出的滲透率值偏低。而隨著注入壓力的增大,毛細(xì)壓力與注入壓力相比影響逐漸較小,隨著壓力的進(jìn)一步增大,毛細(xì)壓力可以忽略不計(jì),滲透率的值趨于穩(wěn)定?？梢?在纖維體積分?jǐn)?shù)較低或注入壓力較小時(shí),毛細(xì)壓力會(huì)影響纖維滲透率,但當(dāng)注入壓力增大后,滲透率不再受注入壓力的