树脂薄膜浸渍在织物预浸料中具有双长度尺度的渗透性外文翻译资料

 2021-12-29 10:12

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树脂薄膜浸渍在织物预浸料中具有双长度尺度的渗透性

摘要

预浸料是复合材料加工的前体材料。大多数预浸料完全浸渍，但是一些预浸料仅部分浸渍树脂。该研究表征了预浸料中的树脂浸渍过程，该预浸料由层压到机织织物一侧的树脂膜组成。将这种预浸料的层堆叠在工具表面上以形成具有低正压的厚度。然后将该组件装袋并置于真空压力下以在树脂浸渍这些空的空间之前在真空下除去空气和挥发物。然后使组件在真空压力下在烘箱中固化以形成复合材料。需要理解这种织物中的树脂流动，其在初始正压下具有双长度尺度的渗透性以及真空压力。本文重点研究了下旋流动机理，并提出了一种原位方法，用于表征真空袋加工前低正压下织物预浸料的特性。所提出的原位方法监测树脂的模式随着时间的推移使纤维和织物内的丝束之间的空隙饱和，这允许表征这种预浸料的双长度尺度渗透性。该实验技术在已知的温度和压力下将树脂薄膜压缩到织物中，在此期间，通过具有CCD照相机的透明台从相对侧记录流动图案。分析地模拟流动以匹配观察到的两个阶段：纤维间丝束流动和丝束内流动以表征双长度标度预浸料渗透性。

关键词::预浸料，树脂流动性，牵引，树脂膜溶渗工艺

2 简介

高压釜工艺一直是制造高质量，低孔隙率复合材料部件的行业标准。传统的预浸料（预浸渍纤维层或织物）设计用于在高压釜中加工。它们通常完全饱和或树脂过饱和，并且由于与高压釜工艺相关的非常高的压力，最小程度地截留的空气或水分被压实。高压釜通过施加大的固结压力起作用，该固结压力对预浸料层压板起作用。已经证明，在固结过程中，高压釜施加的压力分布在树脂和纤维之间;因此树脂压力总是小于施加的高压釜压力。

高压釜工艺的替代方案是仅真空袋（VBO）处理，其中纤维层被密封在真空袋和工具表面之间，对层压板施加真空压力以提取气体，并且大气压驱动树脂流过预制件。当应用温度斜坡时。直到最近才开始使用VBO处理来处理预浸料。仅有真空袋处理完全浸渍的预浸料已经显示出产生高孔隙率复合层压板，这是由于层中和层之间捕获的空气和水分不能排出，并且较低（大气压）压力不能充分压实空隙。Grunenfelder和Nutt表明预浸料中的水分如何仅在用真空袋处理时会导致空隙，但是当在高压釜中处理时，较高的压力导致水分凝结，从而抑制空隙的生长。由于与高压釜工艺相关的高成本，一套新的预浸料被设计用于仅真空袋处理。这些预浸料称为部分浸渍的预浸料（或半预浸料），含有仅覆盖纤维束之间的一些空区域的树脂。产生这种部分浸渍的预浸料坯的目的是允许整个预浸料坯堆叠中的互连空隙空间网络在部件的固结和固化之前容易地从复合层压材料中排出空气，捕获的水分和挥发物（称为脱气）。该过程包括两个步骤-如图1所示。在将预浸料坯放在工具表面上并用真空袋密封之后，第一步是从袋子下面的层压板中抽空空气。通过无树脂（不饱和）织物的多孔网络评估空气。当树脂高度粘稠时，该步骤在室温下进行，并且以比抽空空气所需的时间慢得多的速率浸渍织物。在排空空气之后，第二步是加热预浸料组件以降低树脂粘度，使袋上方的大气压力将树脂压缩到织物中。

图1,（a）预浸料层堆叠在工具上，整个预制件组件被包裹在真空袋内。空气在室温下从预制件组件内部抽空，并通过排气口排出。（b）在真空压力下，温度升高，降低树脂粘度，并使其渗入由真空袋上方的大气压力驱动的织物内的孔隙。

已经证明部分浸渍的预浸料是适合于仅用真空压力生产复合材料部件的前体材料系统。塔维雷斯等人，显示了部分浸渍的预浸料在完全浸渍的预浸料中如何在从蜂窝状电池中脱气时更有效。通过确保树脂网络中的间隙，可以从织物平面提取空气并通过蜂窝单元离开。

处理部分浸渍的预浸料的额外复杂性在于，在施加真空期间树脂必须从其初始状态重新分布以完全浸渍织物中的所有空的空间。Thomas等人证明了表征部分浸渍的预浸料中树脂浸渍的一种方法。其中，在C扫描仪中进行真空袋灌注，并且层压体的密度图的变化与层压体中的树脂饱和度相关。从结果来看，他们描述了纤维束的渗透性;C扫描仪的缺点是低分辨率图像。为了获得在部分浸渍的预浸料的加工过程中发生的流体输送过程的更详细的观点，微观结构视图是必要的。Centea和Hubert使用micro-ct成像技术构建预浸料层压板内纤维，树脂和空隙空间分布的三维图。了解预浸料中树脂的初始分布，可以深入了解空气被抽真空的难易程度，并可以计算出空气排出的时间尺度。在他们的方法中，微观CT图像是在离散的浸渍状态下拍摄的，以确定浸渍状态如何随时间演变。该技术与模型相结合可以提供作为时间，温度，压力和固化的函数的丝束浸渍过程的预测。

树脂浸渍织物的一个重要方面是双长度尺度渗透率的概念。所有机织织物都表现出对流体流动的双长度尺度行为（预浸料坯也不例外）。在编织或缝合的织物中，纤维束被称为纤维束。纤维束包含数千根紧密堆积在一起的纤维。纤维直径通常在10的数量级为微米，纤维束的直径是毫米级的从可见图2。各个纤维束之间的空间距小于几微米，而纤维束之间的间距约为毫米。有许多出版物涉及与织物的液体复合材料成型相关的双长度尺度渗透性。当树脂浸渍织物时，它首先流过纤维束之间的空隙，织物最具渗透性。当流动进行并且树脂已经使纤维束之间的所有空隙饱和时，它流入纤维之间的空隙中，其中织物的渗透性较差-缓慢地浸渍纤维束。文献中有先例将模具中的空通道建模为具有渗透率K=h2/12其中K是通道渗透率，h是通道的特征横截面高度。

图2。（a）描绘树脂和织物铺层的预浸料横截面的示意图。（b）和（c）都是预浸料坯干燥面的图像;显示宽约25毫米，高20毫米的区域。（b）中ST94-RC200T：200织物空中重量克/米2，每束3000米的纤维，以及约2丝束宽度毫米。（c）ST94-RC303T：织物空中重量303g/m2，每根丝束12,000根纤维，以及约6mm的丝束宽度。

本文着重于理解和表征在部分浸渍的预浸料的VBO处理的灌注过程中发生的树脂流动的性质。重点是模拟流动行为，强调诸如树脂膜输注和高压釜处理之类的过程。没有尝试对这些方法进行建模，而是表征这种双长度规模预浸料织物的渗透性。设计实验以揭示树脂流动的机制，同时保持压力和温度随时间不变。本研究考虑了由层压到干织物上的树脂薄膜组成的部分浸渍的预浸料坯;几何形状的简单性和明确定义的树脂初始分布很好地适用于可以很容易解释的研究。提出了一种用于监测双长度织物中树脂流动的原位方法，并且所收集的数据与新配制的流动模型相结合，以表征从树脂薄膜注入织物期间的双长度尺度渗透性。该模型通过为纤维之间的空间分配渗透率值来解释织物的双长度尺度渗透性。通过在每次测试中保持压力和温度恒定，可以容易地分离这些工艺参数中的每一个对树脂灌注的时间尺度的影响。通过开发包含瞬态流动和温度边界条件的模型，本文的结果可用于理解实际过程随时间的树脂流动，该过程在过程参数方面是高度瞬态。

2.1前体材料

在这项研究中，表征了两种类似的预浸料;Guritreg;SingleSprintcopy;ST94-RC200T和ST94-RC303T，用于非高压灭菌处理。固瑞特ST94部分浸渍预浸料系统由织物和织物一侧的预制催化环氧树脂层组成。树脂薄膜层仅最小程度地穿透织物层，因此树脂薄膜和织物层可以被认为是预浸料坯的单独区域。ST94出售时具有各种树脂薄膜厚度和织物几何形状。本研究中的两种预浸料均为斜纹编织碳织物，具有42重量％的树脂薄膜。在ST94-RC200T具有200织物空中重量克/米2，每个丝束3000克纤维和大约2丝束宽度毫米，而ST94-RC303T具有303的织物空中重量克/米2，每个丝束12000个纤维和大约6丝束宽度毫米。ST94-RC200T具有更圆的横截面，而ST94-RC303T具有更平坦的横截面。每种织物的图像显示在图2中。

2.2树脂粘度表征

从Gurit获得的一卷预制的预催化树脂用于表征随着温度和时间（由于固化）而变化的树脂粘度。使用的流变仪是TAInstrumentsDHR2，设置有内置温度室。剪切速率设定为0.1rad/s，使用25mm直径的平行板，间隔1.5mm。图3a显示当温度以0.5℃/s的速率升温时树脂的粘度变化。该图表示当在室温下对预浸料施加真空时，树脂流动非常慢，因为粘度大约104Pa。s，但是当温度增加到85时由于粘度降低至1Pa·s，因此树脂快速流过°C（规定的加工温度）。图3b显示了树脂的粘度，同时温度保持恒定在55℃，60℃和85℃。随着时间的推移，树脂粘度由于固化状态的增加而增加。在等温试验期间考虑树脂固化是重要的，因为固化速率随温度急剧增加，因此在较高温度下粘度随时间急剧增加。

图3，ST94预制，预催化树脂薄膜的粘度。（a）温度以0.5℃/s的速度从26℃升至85℃，在该范围内显示出四个数量级的变化。（b）等温粘度试验表明，树脂在给定速率下随时间固化，每种温度导致粘度随时间增加。

为了使用给定温度下的粘度趋势来表征预浸料坯中树脂的流动，将高阶多项式拟合为图3b中的等温粘度曲线，作为每个温度的时间的函数。

2.3预浸料输注表征

为该研究开发的原位可视化实验是将树脂膜注入织物中，同时树脂流动图案通过透明的丙烯酸树脂台在预浸料的干燥侧捕获。如图4所示，加热的固结块放置在样品的顶部，同时样品的干燥侧与工作台接触（用作工具表面）。注意，在VBO处理中，使用真空产生压力但是为了理解织物预浸料中的原位流动，我们想要创建在等温条件和各种低压水平下引起树脂流动的模型情况。桌子下方是一组荧光灯和CCD相机，用于捕获树脂流的原位图像。

图4。用于在不同压力和温度下可视化树脂膜灌注过程的实验装置。

为了在等温条件下进行实验，将预浸料坯，固结块和工作台都预热至所需温度。块表面和样品为102times;102毫米（4“times;4”），块重2133克;因此，该块在样品上施加2kPa的压力。在块上方添加额外的重量以在15kPa，41kPa和54kPa的更高施加压力下重复实验。请注意，所有这些压力都低于VBO施加的真空压力101kPa，但我们的目标是了解施加压力和树脂流量之间的关系。而且，压力比54高kPa可能导致一些压力由预浸料中的纤维承受，使得难以计算树脂经受的压力。带有NavitarZoom7000镜头的BasleracA1600-20gmCCD相机与LabView配合使用，可以随时间捕获织物图像。碳织物的折射率远高于树脂，因此很容易区分树脂饱和的织物区域。

通过这个实验，重要的是要注意两个限制树脂流动的因素。首先是不对样品施加真空，因此在输注期间的某些临界点处，织物内的空气压力将开始抵抗树脂浸渍。其次，边界条件是施加到样品上的压力，其最初是由织物顶部的树脂膜经历的。然而，当树脂浸渍织物时，一些施加的压力由织物的纤维承受，降低了驱动树脂进入织物的压力。在这些实验中忽略毛细管流动，因为测试是在相对低的加工温度下进行的，其中树脂太粘而不能由于毛细管压力而流动。

3 结果

3.1实验结果

观察到来自捕获图像的树脂流动在图5中示意性地示出的三个步骤中发生，并且由图6中的照相机记录，图7。。树脂首先出现在织物的针孔处的干织物侧，纤维束相交。在该位置，树脂可以容易地从树脂膜侧向工具侧向下

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资料编号：[2995]

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