LCM工艺中注射压力对纤维预成型体渗透率的影响

      复合材料液体模塑成型技术（LCM）是近年来发展起来的一种高性能低成本先进复合材料制造技术。这类技术在低温低压条件下可实现液态树脂一步浸渗，一次成型带有夹芯、加筋、预埋件的大型结构功能件。目前它已成功地应用于航海、舰船、航空和民用工业等领域[1]。精确描述树脂在增强材料中的渗透特性，对优化模具设计、充模过程数值模拟、缩短制造周期、保证产品质量等至关重要。纤维渗透率的影响因素很多，例如注射压力、流动速度、测试流体、流体温度、纤维微观结构、纤维束内毛细压力、纤维孔隙率、模具结构等，即取决于工艺的特殊条件。本文采用径向流动法测试了不同纤维体积分数下纤维毡的渗透率，着重研究了注射压力的影响.

1  实  验
       1.1实验材料

       增强材料为双向玻璃纤维缝编毡，面密度800 g/m2；玻璃纤维复合毡，面密度450 g/m2，均为常州宏发土木复合材料工程有限公司提供；注射流体为不饱和聚醋树脂，金陵帝斯曼P6-988KR。

       1.2径向流动测试法

       径向流动法的基本原理是从增强材料中心注入流体，在树脂以恒定流速或压力下浸润纤维预成型体的过程中，通过透明上模观察和记录流动前沿的位置和形状，从流动前沿的瞬时形状得出主渗透率的比值和主方向，同时采用压力传感器测量注射口压力，根据达西定律，经过换算即可按下式求出渗透率[3]：
        
2   结果与讨论
      2.1体积分数对渗透率的影响

      作为增强材料的基本特性，材料的结构形式决定了渗透率的主值。如图2所示，缝编毡的渗透率比复合毡更大。因为复合毡中的纤维是随机铺放，浸渍过程中树脂需要不断穿越纤维束障碍；而缝编毡是双向编织材料，纤维束排放整齐，束间间隙成为树脂流动通道，浸渍更规则和迅速，相应的缺陷和气泡也更少。充模过程的流动分两种，宏观流动形成于纤维束间，控制充模并消除大面积干区；微观流动在纤维束内发生，控制微孔隙的削除及纤维一树脂界面的质量。在低纤维体积分数时宏观流动居主导地位，随着纤维体积分数的增加，纤维束压得越来越紧密，宏观流动越来越困难；在高纤维体积分数时微观流动居主导地位。因此，渗透率随纤维体积分数的增加明显下降，对于纤维束排列更为整齐的缝编毡，作用更加明显。
            
       2.2充模压力对渗透率的影响

       从图2还看出，当纤维体积分数较低时，在不同压力值下渗透率的差异更加明显，随着纤维体积分数的增加，这种差异越来越小，从图3更容易看出这种变化。
       

干增强纤维预成型体放人模腔时纤维束间宏观间隙并不均匀，随着纤维体积分数的增加，宏观间隙区域会形成不完美的纤维排列，并被不与纱束平行的纤维串打断。这样，宏观流动被迫横向通过纤维，渗透阻力比沿纤维束的径向流动阻力大得多，因此在高纤维体积分数下提高注射压力时渗透率的增加比低体积分数时小很多。随注射压力上升，树脂流动前峰的移动会使纤维束分布发生更大的扭曲，增加了渗流阻力，减弱渗透率提高的程度。

       2.3充模压力与注射口压力的关系

       实验中通过注射口处压力表测得不同铺层在气瓶充模压力变化时注口压力的变化情况，如图4.
        

        对于各种铺层情况，注口压力值比相应的气瓶压力都低，这明显是沿程压力损失的结果。但对同种材料，纤维体积含量越高，注口压力随充模压力增加而上升的幅度也越大。这是因为纤维束压得更为紧密，对树脂流动阻碍更大，造成了树脂在注口处堆积更多，压力也更大。当纤维体积含量较低时，如三层毡，由于流动出现层流形式，流动阻碍小，注口压力比充模压力低很多。从图中还看出，相同体积含量时（如五层复合毡和三层缝编毡），复合毡层的注口压力更大；而五层复合毡（纤维含量30%）和五层缝编毡（纤维含量53%）铺层的注口压力一致，这也说明随机铺放的纤维束对树脂渗流的阻碍更大。

       通过测试铺层中心处压力时发现，当压力到达最大值后，突然下降，接着慢慢回升，然后稳定在一个中间值。这也许是因为产生了平行于纤维的微观流动，然后由于纱束的径向渗透慢慢稳定。这种现象在提高注射压力时更为显著，也抵消了提高压力的效果。

3 结语

      本文通过径向流动法测试了不同纤维体积分数下纤维毡的面内渗透率。结果显示，随纤维体积含量的增加渗透率显著下降，对于纤维排列较规则的毡层更为明显。高纤维体积含量时，由于纤维束变形，减弱了渗透率随充模压力的升高而提高的程度。随纤维体积含量的增加，模具注射口处树脂堆积程度加大，压力也逐渐增加。