树脂流动对气泡运动特性的影响

       先进树脂基复合材料是由纤维和树脂按一定方式复合而成的一类新型材料。然而复合材料的制造过程非常复杂，在其制备过程中由于各种因素以及工艺实施不完善等造成最终复合材料制品存在孔隙。孔隙的存在严重地影响材料的质量和力学性能，为外界空气和水分扩散进制品提供了路径，使聚合物降解并引起氧化作用，削弱纤维和基体的界面结合力El,2]，进而影响复合材料的层间剪切强度、弯曲强度和模量、拉伸强度和模量、压缩强度和模量、抗疲劳以及高温性能。许多学者Is]认为，对于环氧基复合材料，孔隙含量每增加1 ，材料的剪切性能将下降6 ～8 。因此，为了提高复合材料的制备质量，必须合理地控制制备环境条件及固化温度、压力等工艺参数，使气泡在树脂凝胶之前尽量排出，以便降低孔隙含量。

 在复合材料成型过程中，气泡主要随着树脂的流动而运动[4 ]，因此，对树脂流动和气泡运动关系的研究是十分必要的。本文中利用自行建立的气泡运动可视化装置，研究了树脂流动对气泡运动速度的影响关系，并在实验基础上建立了气泡运动模型，该研究结果将为复合材料成型过程中气泡运动模型的建立提供依据。

1实验部分

1．1 实验材料及设备

       环氧618：环氧值0．51，无锡树脂厂生产；1，4-二氧六环：分析纯，北京益利精细化学品有限公司生产；数码相机：尼康C001PIX995，尼康株式会社；微量进样器(量程为5～100 L)：上海医用激光仪器厂。

1．2 实验装置及方法

       为了研究树脂流动对气泡运动行为的影响，首先建立了气泡运动的可视化装置，如图1所示。该实验系统由流体装载、流体接收、气泡发生(微量进样器)以及图像采集等部分组成。主要利用重力差原理，控制装载部分和流出部分的液面高度差来使树脂流动，并通过调节控制阀来改变树脂的流速。

图1 实验系统示意图

 实验中所用液体为环氧618树脂，其粘度通过加入1，4一二氧六环稀释剂来调节。首先将除净气泡的树脂倒人流动系统中并充满整个实验段，然后用微量进样器将一定体积的气泡注入观察段底部中央处，同时用数码摄相机跟踪拍摄气泡的上升过程并记录相应的时间，最后用计算机软件Adobe Pre—miere对图像进行处理，读取气泡在每一记录时刻所上升到的具体位置，从而计算出气泡的运动速度。

       为了确定该系统的复现性，实验对某一设定流速分不同时间段进行了6次复现性实验，得到的实验结果见图2。从图2中可以看出，在相同的实验条件下，采用该系统进行实验时，得到的实验结果复现性好，曲线偏移小。经过计算得知，重复实验数据的离散系数约为3 ，其离散性主要由系统误差、环境和人为操作等因素引起。

图2 系统复现性实验

2 实验结果与讨论

       为了考察气泡在不同外界条件下的运动状态，首先对5组不同体积的气泡在不同粘度、不同流动状态树脂中的运动速率进行了研究。气泡体积分别为20 mm³。、40 mm³。、60 mm³。、80 mm³和100 mm³。
 图3分别给出了气泡在静止树脂和流动树脂中的运动位移和时间关系曲线。从图3中可以看出，无论树脂呈静止状态还是流动状态，气泡均作匀速运动，即气泡在产生后的一瞬间就达到了受力平衡，速度恒定不变。另外，当树脂粘度和树脂流速等改变时，气泡均呈现上述的运动行为。

       在复合材料的成型过程中，气泡一般是随着树脂的流动而运动的。因此实验主要考察了树脂流动方向和流动速率对气泡运动速度的影响。图4为树脂流动速率对气泡运动速度的影响。当树脂流动方向与气泡运动方向相同时，随着树脂流速的增加，气泡的运动速度呈明显的上升趋势，且远远大于树脂流速，见图4(a)；而树脂流动方向与气泡运动方向相反时，随着树脂流速的增加，气泡的运动速度呈明显的下降趋势，见图4(b)。可见，树脂流动方向显著影响气泡的运动速度，且同向时树脂流动对气泡的上升有明显的带动作用，而反向时树脂流动对气泡的上升有明显的阻碍作用[7]。图5给出了某一恒定流速下，气泡在同向流动树脂和反向流动树脂的运动速度对比。由图5明显可以看出，对同一气泡，其同向流动的运动速度明显大于反向流动的运动速度。

图3 气泡运动位移一时间关系曲线



图4 树脂流速对气泡运动速度的影响



图5 树脂流动方向对气泡运动速度的影响

另外，树脂流动方向与气泡运动方向相反时，树脂流速以及粘度一定的条件下，随着气泡体积的变化，气泡运动速度可能降为零甚至反向运动，其临界值见图6。由图6可知，气泡运动方向改变的临界体积几乎随着树脂流速的增加而增大。树脂流速越大，其作用在气泡表面的压力越大，从而对气泡运动产生的阻力越大。因此，只有增加气泡体积，使浮力增加，才能克服这种阻力的作用而保持静IE。

图6 气泡速度为零的临界点
 

图7 理论计算结果与实验结果对比


图8 静止和流动树脂中气泡相对运动速度对比

3 气泡运动模型的建立

       3．1 基本理论分析

       假设树脂为不可压缩的牛顿流体，流体密度为定值，则气泡在运动过程中主要受到惯性力、重力、浮力和粘滞阻力的作用，依据力学平衡原理[8]，满足式(1)，即

       式中：v_g为气泡运动速度；v_r为树脂流动速度；C_D为阻力系数；p_g、d_g分别为气泡密度和气泡直径；P_r为树脂密度。

        式(1)中从左到右的各项依次为惯性力、重力、浮力和粘滞阻力。由前面的实验分析可知，树脂中的气泡在产生瞬间立即保持匀速运动，故惯性力可忽略。同时由于P_r》P_g ，所以气泡重力也可忽略，则可得到下式：

 

即

         由于实验中，气泡和树脂的相对运动速度较小，雷诺数R <1，故，而
 

  则式(3)变为
 

       其中：为树脂粘度；为气泡和树脂的相对运动速度。

       3．2 实验数据分析

      由实验可知，树脂流动速度和流动方向不同时，气泡运动速度相差很大。通过方程(5)可得到气泡与树脂相对运动状态不同时，气泡运动速度的理论值，并将得到的理论方程计算结果与实验结果进行了对比，如图7所示。由图7中可以看出，理论曲线与实验曲线吻合比较好，这表明用所推导的气泡运动模型描述流动树脂中气泡的运动行为是适合的。对比结果所存在偏差主要有以下两点原因：(1)理论推导假设气泡的体积不变，为球形，而实际情况气泡并非为理想的球形；(2)人为误差，造成实验数据出现偏差。

另外由公式(5)可知，当树脂流动速度为零时，该方程表示气泡在静止树脂中的运动速度，即当树脂粘度和气泡体积一定的情况下，流动树脂中气泡的运动速度为树脂运动速度和静止树脂中该气泡运动速度之和。因此实验比较了某一气泡在静止树脂和流动树脂中相对于树脂的运动速度，如图8所示。由图8中可以看出，两条曲线基本吻合，即二者运动速度之差为纯树脂的运动速度，进一步验证了公式(5)的正确性。

4 结 论

       在纯树脂中，树脂流动方向和流动速度对气泡的运动速度有显著的影响。当树脂流动方向与气泡运动方向相同时，随着树脂流速的增加，气泡的运动速度明显增大，且远远大于树脂流速；而树脂流动方向与气泡运动方向相反时，随着树脂流速的增加，气泡的运动速度明显下降，可以低于树脂流速或降低为零，甚至可以与树脂同向运动。另外所建立的气泡运动模型较好地描述了气泡在流动树脂中的运动状态，且实验结果与理论计算结果吻合较好。