復合材料葉片RTM成型缺陷研究

楊春燕 翟 歡 熊 杰 李丹丹 孫彩亮

（保定天威風電葉片有限公司，河北 保定 071051）

1 缺陷形成機理

在RTM 充模過程中,我們將玻璃纖維織物看成是多孔介質.孔隙有兩種,在纖維單絲之間形成的空隙以及在纖維單絲表面的宏觀或微觀裂紋形成的空隙,為微觀空隙,其所形成的流體流動通道為微孔通道；在相鄰纖維束之間所形成的空隙,為宏觀空隙。[1]

這樣在流體流動方向上,纖維束內微孔通道中的流體就一定會比纖維束間大孔通道內流體先和橫向纖維束接觸,一旦纖維束內微孔通道中的流體和橫向纖維束接觸,在橫向纖維束內毛細作用力作用下會立即引發在橫向纖維束內沿橫向纖維束方向的垂直流動。沿流體注入方向的纖維束內的流體是可以同時和橫向纖維束接觸的,如此會導致在橫向纖維束微孔通道內的相對流動。若這樣相對流動的流體匯合時,沿注入方向的纖維束間大孔通道內的流體尚未到達橫向纖維束,則沿流動方向的纖維束間大孔通道內的空氣就無可排除,形成了氣泡。此時形成的氣泡是一個較大的氣泡。 隨著流體的繼續注入,必然會破壞大氣泡內外的壓力平衡，破裂數個小氣泡,繼續穩定地存在于纖維束間的空隙里。

由于流體在不同流動通道中滲透導致了流體飽和度發生變化,也就是在交叉流動區域長度方向上的飽和度存在差值,當纖維束內微孔通道中流體飽和度和交叉流動區域中靠近微孔通道一側的飽和度平衡時,如果纖維束間大孔通道里的流動前緣仍未能到達橫向纖維束,則會形成了大氣泡。 反之,如果纖維束間大孔通道里的流體飽和度大于纖維束內微孔通道中的流體飽和度,而此時纖維束內微孔通道中仍未能注滿流體,則會形成在纖維束內纖維單絲間的微氣泡。

2 實驗觀測

最早開展浸潤研究的是Williams[2]等人，他們在流動觀察實驗中發現當流體的流動前沿流過后，一些氣泡仍然存在于纖維床中，稱重法測得氣泡體積含量不超過4%，但沒有深入探討其與流體及增強材料性能的關系。將結果與用水和酒精所做實驗結果進行比較，發現表面張力對空氣的包裹有一定的影響，他們提出了表面張力對流速以及樹脂在纖維中的流動形態的影響。Peterson和Robertsonl[3]模擬了RTM成型工藝，將樹脂注入一支玻璃管中，纖維沿著玻璃管軸向排布，實驗發現纖維含量較低時產生一些較大的橢圓形氣泡，這些氣泡流動性好，一般都隨著樹脂向前遷移:而纖維含量較高時(>50%)產生的圓形氣泡分布比較均勻，這些氣泡的流動性較差。注射壓力增加，氣泡體積隨之降低，但流動性好，而且氣泡大都在纖維/樹脂界面處產生。Molnar等人[4]分別拍攝了高、低流速下樹脂流經單向纖維織物時的顯微照片。在流速較低時，纖維絲間流體流動速度比纖維束間的快，這是因為有毛細作用力的影響；而在流速較高時，毛細作用力的影響較小，纖維絲間流體流動速度明顯比纖維束間的慢。

Hull[5]描述了FRP中容易形成氣泡的區域以及氣泡的類型：（1）纖維束之間和纖維束內形成的氣泡，可能為圓形，或者伸長為平行于纖維束的橢圓形空穴。這些氣泡的大小與纖維束間和纖維束內的孔隙有關。（2）層間和富樹脂區域的氣泡。Judd和Wright[6]通過研究總結出制品中每含有1%的氣泡，復合材料的層間剪切強度就要下降7%，可見氣泡缺陷的存在對復合材料的機械性能極為不利;不僅會降低復合材料制品的彎曲強度、耐久性和抗疲勞性，而且對氣候的敏感性和吸濕性增加，強度等性能的分散性增加。在實際應用中，氣泡的存在將加速制品對濕氣的吸收。制品表面或附近區域氣泡的存在會影響表面處理效果。

Hayward和Harris[7]研究了RTM工藝中影響氣泡含量的因素，結果表明在真空輔助下樹脂浸潤預成型體，得到制品的空隙率降低，剪切和彎曲強度增加。對制品進行圖象分析發現空隙率有明顯的降低，在真空輔助下空隙率為0.15%，而沒有真空輔助的空隙率為1.0%。

3 模型化研究

一些研究者在實驗觀測的基礎上，建立了相應的理論模型用來預測不同浸漬條件下氣泡的生成量。盡管這些模型在推導過程中經過某些簡化假設，且針對不同的簡化任何條件，但這些模型仍能揭示出一些微觀的物理現象。Parnas和Phelan針對垂直于單向纖維束的流動過程，建立了氣泡卷裹的模型，模型考慮了纖維床層中同時出現的兩種相互競爭的流動：纖維束之間的流動和纖維束內部的滲透，用Darcy定律確定纖維束間和纖維束內部樹脂的流動前沿，模型中毛細力被忽略。Patel和Lee[8]由實驗結果出發，基于多相Darcy定律，推導出液態復合材料模塑（LCM）過程中氣泡形成的模型，給出了束間和束內氣泡含量的計算公式。

4 減少復合材料缺陷的研究

4.1 減少氣泡含量Lundstrom等[9]

觀察到，隨著真空度的增加，最大氣泡含量及可探測到的氣泡區域將減小。表面活性劑的利用和對纖維進行表面處理，通過減小纖維/基體的接觸角，也可以改善纖維的浸漬效果，從而減少氣泡的含量。但同時要求設備的密封要好，以防止外部空氣進入模腔。Stabler等[10]研究了其它減小氣泡含量的方法。他們發現氣泡含量降低的條件為模腔表面變化平緩柔和、樹脂中的初始氣泡含量要低。

4.2 增強纖維浸潤性

RTM工藝成型過程中樹脂對纖維增強體的浸潤是非常重要的，浸潤不好將導致RTM成型復合材料中產生缺陷，這將降低復合材料的力學性能。為了提高RTM成型過程中樹脂對纖維增強體的浸潤性，人們作了大量研究工作。對纖維表面進行處理，可以改善RTM成型過程中樹脂對纖維增強體的浸潤效果。

4.3 數值模擬與在線監控技術

RTM的數值仿真模擬雖然在很大程度上可以優化工藝參數，減少缺陷的產生。然而在實際生產中，由于織物材料中的雜質、鋪層順序、邊緣的裁剪及在模具中的鋪敷不當等引起局部滲透率、纖維體積含量的變化以及模腔壁與預成型體間的優先通道，要真實地模擬這類變化則較為困難；此外，實驗規模的實驗通常是在較為理想的條件下、特定形狀的模具中進行，與實際生產存在一定的差距，而與實驗有較好吻合的理論預測模型對實際生產的預測亦可能存在一定的差距。因此，在RTM的數值仿真模擬基礎上進行實時在線檢測以采取相應的措施是最為實際、有效的方法。

5 結語

本文主要介紹了復合材料RTM工藝中所存在的缺陷問題以及國內外專家學者所進行的大量的理論和實驗研究。目前的RTM復合材料缺陷研究主要集中在注塑時的氣泡產生和纖維的浸潤性方面。實驗研究表面，RTM工藝過程中氣泡排放不充分，會造成材料內部存在大量的密集孔隙；如果注膠過程中，纖維浸潤樹脂不充分會造成局部缺膠和干斑。本文針對復合材料葉片出現的缺陷進行了研究，希望能對其缺陷的排除起到積極作用。

[1]李柏松等，RTM缺陷形成機理的研究，云南大學學報 2002 24

[2]Williams,J.G.,Morris,C.E.M.,Ennis,B.C.，Liquid flow through aligned fiberbeds,Polymer Engineering and Science,June 1974,Vol.14,No.6,pp.413-419;