预浸料在RTM 工艺中的应用分析论文

预浸料在RTM 工艺中的应用分析论文

　　树脂传递模塑( RTM) 工艺是针对先进复合材料的低成本化最早研发的液态成型技术。传统的RTM 工艺不需要预浸料，而是将干态纤维或织物预成型体置于闭合模具中，再注入树脂基体，固化成型后即可获得具有优良综合性能的近净尺寸复合材料零件。与传统的热压罐成型技术相比，RTM 工艺可降低制造成本约40%。

　　将预浸料引入RTM 工艺，是指将预浸料铺层和干态纤维的预成型体组合在一起，再将树脂注入干态纤维预成型体中，然后使其与预浸料铺层一同固化，形成整体结构的复合材料成型方法。这种共固化RTM( Co-cured RTM) 工艺的出现主要是基于两方面的考虑: 一方面，传统的RTM 工艺，一次只能向模具型腔中注入一种树脂，难以满足某些轻质高强复合材料诸如隔热、防热或防磨等特殊功能需求。共注射RTM 工艺作为解决这一问题的重要手段已得到了诸多研究，而共固化RTM 工艺也将是制备此类多功能层复合材料方法的一个有益补充。另一方面，在使用RTM 工艺制造形状复杂的整体化构件时，若将加强筋、肋或者梁等复杂部分采用干态纤维铺贴，而形状较为简单的蒙皮结构使用预浸料铺贴，则可以将RTM 工艺制造复杂复合材料结构的灵活性与预浸料复合材料优异的面内力学性能有效结合起来。

　　由于使用了RTM 树脂和预浸料树脂两种不同的树脂体系，二者的相容性、匹配性，以及共固化所形成的界面对最终结构的性能都会有很大影响。王炯等研究了共固化液体成型层板的层间性能，以及预浸料/液体成型层界面处的纤维取向对GIC的影

　　响。马绪强等析了共固化RTM 层板的密实程度，研究了层板的力学性能。郑亚萍等研究了环氧树脂/酸酐和环氧树脂/双氰胺共固化体系的反应，并测试了共固化体系所形成界面中的自由体积尺寸和浓度。

　　为了改善RTM 树脂和预浸料树脂共固化所形成的界面的性能，本文选择了与两种树脂都有良好相容性的中介层，研究其引入对共固化层板内部质量、力学性能与耐热性能的影响。此外，在复合材料结构的实际制造过程中，一般都有对预浸料层的预处理过程，因此本文还结合生产实际研究了预浸料层的预处理对共固化RTM 结构性能的影响。

　　1 试验部分

　　1. 1 原材料

　　5284RTM 树脂，北京航空材料研究院开发的液态成型工艺用高温固化环氧树脂; CF3031 织物，威海拓展纤维有限公司生产的CCF300 碳纤维缎纹织物，面密度约为220g /m2 ; CF3031 /5228A 预浸料，纤维质量分数约为63%，其中基体树脂5228A 是北京航空材料研究院开发的一种高温固化高韧性环氧树脂体系; J116-B 高温结构胶粘剂，灰色胶膜，厚度约为0. 15 ～ 0. 20mm，黑龙江石油化学研究院生产。

　　1. 2 复合材料层板的制备将碳纤维预浸料CF3031 /5228A 和干态碳纤维织物CF3031 按照[( 0 /90) ]10的铺层顺序铺放到模具中，其中预浸料和干态碳纤维织物均为5 层。密封合模，设计预浸料层和RTM 层的纤维质量分数相等，层板的厚度通过在模具盖板之间放置垫片来控制。将模具和树脂罐放入烘箱中加热，当模具温度升至( 80 ± 10) ℃时，将5284RTM 树脂在真空和压力的辅助下注射到密封的模具中。完成注胶过程后将模具温度升至( 180 ± 5) ℃，并保温3h。固化完成后，待模具温度降至60℃ 以下时，拆模取出层板。

　　1. 3 测试

　　超声C 扫描使用北京航空材料研究院开发的SM2000 型超声水浸C 扫描探伤装置。探头为5MHz的聚焦探头，直径为6mm。将制备的各层板不经处理，整块直接进行超声C 扫描，以判断其内部质量。显微观察使用LEICA DMRME 光学显微镜。在各层板上分别裁取20 × 10mm 的试样，打磨、抛光后，运用光学显微镜和UV-Me 550 金相图像分析系统观测和分析层板内部预浸料层、RTM 层与界面处树脂、纤维的分布以及可能的缺陷状况。

　　力学性能测试使用Instron 5982 万能材料试验机。根据超声C 扫描结果选取各层板无缺陷的部位，按照标准JC /T 773-2010 及GB /T 3356-1999 裁取试样，分别测试层间剪切强度和经向弯曲性能。动态热机械分析( DMA) 使用美国TA 仪器公司的DMA Q800 型动态热机械分析仪，双悬臂法，升温速率为5℃ /min，施加的静态力为0. 5N，角频率ω =1. 0Hz，温度范围是室温至250℃。

　　2 结果与讨论

　　2. 1 共固化RTM 层板的内部质量

　　在复合材料层板的共固化RTM 成型过程中，RTM 层容易产生孔隙、气泡和干斑等缺陷，且若RTM 树脂和预浸料树脂的相容性或工艺匹配性不佳，也容易在二者共固化形成的界面处导致分层等缺陷，此外预浸料层中的树脂已经不会大面积流动浸渍，夹杂其中的气体排除困难，预浸料层也容易生成孔隙等缺陷。因此，对制备的层板进行检测，对于评估本文所采用工艺的可行性、评价两种基体树脂的匹配性、研究中介层的引入和预浸料层的预处理对层板质量的影响以及排除可能产生的缺陷对力学性能的影响都是必要的。超声C 扫描是将超声检测与微机控制和微机进行数据采集、存贮、处理与图像显示集合在一起的技术，具有检测灵敏度高、对人体无害、指向性好、显示直观以及检测速度快等优点，已成为复合材料普遍采用的无损检测技术，常与传统的显微图像分析法结合起来作为复合材料缺陷检测手段。

　　对制备的层板采用水浸式脉冲反射法进行超声C 扫描，检测结果及色标。可见，各层板的底面回波幅度高，均大于60%，说明材质衰减程度小，所制备的层板都具有良好的内部质量。

　　进一步地，在各层板上随机选择一处，切割制成光学显微镜金相试样，进行显微分析。结果可见，采用Co-cured RTM 工艺制备的层板，不论是引入中介层的( 2#) ，还是预浸料层经过预处理的( 3# ～ 5#) ，其RTM 层内和预浸料层内都具有较好的密实程度，且不见孔隙、分层等缺陷存在，这与超声C 扫描的结果相符。但明显可见的是，中介层的引入会造成RTM 层和预浸料层之间共固化界面处富树脂区的形成。

　　综合超声C 扫描和显微观察的结果，可以说，在本文所采用的工艺条件下，能够制备出内部质量良好的复合材料层板。首先，在5284RTM 树脂的注射温度下，5228A 树脂的黏度( > 100Pa·s) 远大于5284RTM 树脂的黏度( < 0. 5Pa·s) ，黏度上的巨大差异可以保证注射时两种树脂的扩散、渗透及融合仅发生在RTM 层和预浸料层相接触的界面位置，这说明5284RTM 和5228A 两种树脂的Co-cured RTM工艺性匹配良好。其次，树脂注射时适宜的辅助注射压力和保压压力利于RTM 层内树脂流动且对纤维浸润充分，还能促进界面处两种树脂的相互渗透，并且提供了预浸料固化所需的压力，保证了预浸料层的密实程度，进而确保整个层板的内部质量良好。再者，热固性的改性环氧胶膜J116-B 与环氧树脂有着良好的相容性，选择这种材料作为中介层时，可以形成良好的共固化界面，不会给层板的内部质量带来负面影响。此外，预浸料层的预处理并不会影响5228A 树脂和5284RTM 树脂的相容性及工艺匹配性，因而也不会对层板的内部质量造成影响。

　　2. 2 共固化RTM 层板的力学性能

　　RTM 层和预浸料层之间共固化所形成的界面是共固化RTM 复合材料层板所特有的结构，也是理论上容易产生分层、遭受破坏的薄弱部位。本文在层板中引入中介层即是试图改善此种界面性能的一种尝试。采用短梁剪切强度和弯曲性能来粗略估计和比较此类界面的强度，并评价中介层的引入和预浸料层的预处理对共固化RTM 工艺成型层板力学性能的影响。

　　共固化RTM 工艺成型复合材料层板的短梁剪切强度。比较1#和2#的结果可知，引入热固性中介层后，层板的短梁剪切强度略有提高，但并不显著。比较1#、3#、4#和5#的结果可知，随着对预浸料层预处理温度的提高和时间的延长，层板的短梁剪切强度有所提高，但同样幅度不大。以5284RTM 树脂和5228A 树脂为基体的碳纤维织物增强复合材料的短梁剪切强度一般分别在65MPa和100MPa 左右，而本文所测得的共固化RTM 工艺成型层板的短梁剪切强度均在60 ～ 70MPa 之间，与碳纤维织物增强5284RTM 树脂基复合材料接近。因此可以说，共固化RTM 工艺成型复合材料层板的短梁剪切强度由RTM 层和预浸料层中短梁剪切强度相对较低的那种材料体系决定。

　　与短梁剪切强度变化类似的是，中介层的引入或者预浸料层的预处理对层板经向弯曲性能的影响有限，共固化RTM 工艺成型复合材料层板的弯曲性能同样由性能相对较弱的RTM 层材料体系决定。

　　2. 3 共固化RTM 层板的耐热性能

　　采用DMA 评价中介层的引入以及预浸料层的预处理对共固化RTM 工艺成型复合材料层板耐热性能的影响。

　　在本文所采用的固化制度下， 5284RTM 树脂和5228A 树脂固化后有着相近的玻璃化转变温度( Tg) ，因而在DMA 曲线上表现为二者损耗角正切( tanδ) 峰值的叠合。

　　引入热固性中介层后，体系的储能模量在120℃左右就开始急剧下降，在150℃处出现了一个内耗峰值，这对应着固化后J116-B 的玻璃化转变。体系的耐热性能降低。预浸料层的预处理对体系的耐热性能没有明显影响，由tanδ 峰值表征的Tg仍然均在200℃左右。

　　3 结论

　　本文将预浸料引入传统的RTM 工艺中，采用共固化RTM 工艺制备了碳纤维增强的复合材料层板，研究了中介层的引入和预浸料层的预处理对共固化层板内部质量、力学性能及耐热性能的影响。主要结论如下:

　　( 1) 5284RTM 树脂和5228A 预浸料树脂在共固化RTM 工艺中有着良好的相容性和匹配性，在适当的工艺条件下可以制备出内部质量良好的复合材料层板;

　　( 2) 热固性中介层J116-B 的引入不会影响共固化RTM 工艺成型层板的内部质量和力学性能，但会降低层板的耐热性能;

　　( 3) 本文所采用的预浸料层预处理条件对共固化RTM 工艺成型层板的内部质量、力学性能和耐热性能都没有明显影响。

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