论文复合材料液体模塑成型工艺的流场监测和缺陷控制技术，本文是关于复合材料相关论文范本跟流场监测和缺陷控制技术和复合材料相关论文范文资料.
复合材料液体模塑成型工艺（Liquid Composite Molding,LCM）的低成本制造优势使其得到越来越多的关注和应用,但其加工过程中易产生空隙、干斑等缺陷.树脂传递模塑（Re s i nTraner Moulding,RTM）、真空辅助树脂传递模塑（Vacuum-AssistedResin Traner Molding,VARTM）等复合材料液体模塑成型工艺（L i q u i dComposite Molding,LCM）由于具有设计灵活性、可成型大型复合构件、低成本制造等优势受到越来越多的研究和应用.就轨道交通领域而言,对于节能降耗的需求使得高性能复合材料成为其轻量化的最佳选择,复合材料轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳等优异性能提供了巨大的使用动力.但就目前的研制案例来看,大部分轨道交通车辆用复合材料部件的制造使用预浸料为原材料,之后采用固化炉或热压罐成型固化,该方式造成的制造成本较高.促进复合材料在轨道交通装备中的应用,成本是一大关键因素,日后复合材料部件的批量化生产和使用必须考虑这一问题,复合材料液体模塑成型工艺成为解决这一痛点问题的可选方案之一.
但是,由于纤维预成型体渗透性不均带来的流道效应,使得树脂在浸润过程中易产生空隙、干斑等缺陷,而这些缺陷成为复合材料潜在的裂纹和分层失效的引发点,致使最终复合材料部件性能受到影响.特别对于形状复杂、厚度大、尺寸大的部件而言,液体成型工艺更加容易导致缺陷的产生.影响渗透性的主要因素包括树脂粘度、合模压力、纤维体积含量、纤维取向、纤维结构、温度、湿度、构件厚度和铺层顺序等.例如,注射压力决定树脂注射速度和充模时间,压力过小,充模时间长,容易引起树脂粘度变大；压力过大,容易造成树脂冲刷纤维,使得纤维自由移动.
因此,为了避免试错实验而带来的加工成本的上升,除了考虑影响树脂对预成型体渗透性的因素以外,复合材料液体模塑成型工艺的关键在于实现树脂流场的可监测和可控制,在此基础上采取针对性的缺陷控制和规避技术.本文系统总结了L C M成型工艺的流程监测和缺陷控制规避技术,并对未来发展趋势进行了展望.
一、复合材料液体模塑成型工艺的监测技术
1. 光纤传感监测技术
传统的光纤传感器监测技术在每层插入传感器监测树脂流动情况,但这会引起其周围的树脂的流道效应.有研究[1]改进了传统的光纤传感器方法,将传感器装载于聚酰亚胺薄膜上（如图1）,并置于预成型体的底层监测树脂流动.上层添加渗透介质之后,吸引树脂往上层流动,有利于厚度方向的浸润.通过面内和面外树脂浸润渗透实验,测量传感器电性能的变化.
2. 压力传感器监测方法
有研究[2]联合传感系统和数值模型,实现对树脂流动的监测,该方法能够在复合材料液体模塑成型工艺过程中方便地使用.由于树脂流动是流场中压力梯度的结果,通过使用传感器提供的压力数据,重建任意浸润时间流动前锋的现状和样式.图2中的3个压力传感器等距地布放,进行了树脂流动前锋的实验（虚线）和预测（实线）对比,实验和数值模型预测的结果吻合度高.由于进一步增加压力传感器数量并没有很大改进预测的精度,该方法大大节省了传感器的数量.另外,压力传感器能够较容易地安装在模具中,且可应用于复合材料液体模塑成型工艺各种加工条件,对最终成型部件没有影响.
但需要注意的是,如果纤维预成型体出现渗透率变化较大时,预测的流动前锋会出现较大的偏差（如图3）.为了解决这个问题,以后的研究需考虑整个压力历史,并将渗透性的变化考虑到数值模型中,以提高预测精度.
3. 超声监测方法
与光纤、压力传感器等监测技术相比,超声监测技术[3,4]不需要完全嵌入传感器,所以实验准备时间花费少,另外可实现连续测量,测量精度高.有研究[4]使用超声传输法监测纤维织物横向方向的树脂流动前锋和渗透性.工作原理如图4[4],下端面发出的声学脉冲通过纤维层厚度方向垂直运动,之后被上端面的超声传感器接收.厚度方向干纤维与已浸润纤维形成两个不同传播声速介质,所以声波从声源传播到两介质接收器的时间依赖于纤维织物未浸润和已浸润的厚度值.
4. 纳米技术监测方法
最近,有研究[5]使用石墨烯涂层玻璃纤维织物监测液体模塑成型工艺中树脂的流动情况,原理为：纤维预成型体的压实程度随着冲模过程而变化,从而引起石墨烯涂层织物电阻的变化.该方法利用液体成型过程中织物阻抗的变化产生的电信号来监测树脂流动前锋,可增强对树脂流动过程中复杂的纤维压实行为的理解.从图5[5]可以看出,随着流动前锋的变化,石墨烯涂层织物电阻也随之变化.与传统的点传感技术相比,该方法不需要在不同位置布置大量传感器,具有花费低、操作简单是优势,同时也有较高的灵敏度.
5. 同步X 射线计算机断层术监测方法
有研究[6]使用同步X射线计算机断层术（s y n c h r o t r o n X - r a ycomputed tomography,SXCT）进行原位真空辅助的树脂浸润实验,该技术具有高分辨率,可追踪和监测微观尺度级别的树脂流动前锋位置和形状,建立复合材料空隙的形成和传输过程.从图6和图7可以看出,SXCT技术可以清晰地分辨微观尺度的树脂对纤维的浸润情况.与光纤、介电、超声等技术相比,S X C T有较高的空间分辨率,能够监测微观尺度的树脂浸润情况和缺陷形成.
6. 其他监测技术
其他监测技术包括光学成像、介电传感器、磁共振成像等.
三、复合材料液体模塑成型工艺的缺陷控制和规避技术
1. 合适的树脂粘度
对于复合材料液体模塑成型工艺技术,树脂一般需要满足低粘度、低挥发份和合理的固化工艺等要求.树脂粘度一般为100 ～300 c p s,粘度太高会造成浸润和流动困难,粘度太低造成纤维束间和束内流动的不匹配,不合适的树脂粘度均易形成预成型体浸润过程中的空隙和干斑.例如,如图8所示,双酚A型环氧树脂的粘度高达9 000 ～12 000c p s,而双酚F型环氧树脂的粘度则仅为1 200～1 800 cps.如果二者与相同的固化剂配合使用,最终的粘度也会大不一样.
2. 合适的纤维体积含量
如果纤维体积含量过高,会造成合模时模具对纤维预成型体的挤压,导致渗透性不均匀问题更加突出.如果纤维体积含量过低,树脂的冲刷作用会使纤维移位,同时模具与纤维之间的空隙易形成树脂的优先流动通道,边缘效应明显,形成树脂富余区（如图9[7]）.因此,必须严格计算预成型体所需的纤维体积含量,同时满足渗透性和避免边缘效应的要求.
3. 缩短树脂流动距离
树脂浸润纤维的流程越长,出现加工缺陷的可能性越大,可通过合理地设置树脂注射口、排气口等方法缩短树脂流动距离,缩短树脂注射时间.首先采用数值模拟方法预测干斑的位置,为树脂注射口、排气口的设置提供依据.当然,树脂注射口、排气口并不是设置越多越好,一个原因在于过多的设置会复杂化成型工艺以及带来成本的上升,另一个原因在于过多的注射口、排气口并不能有效地缩短树脂注射时间.如图10[8]所示,树脂注射口增加到一定数量后,进一步增加注射口并不能有效地缩短树脂注射时间.
4. 合理布放渗透介质
对于低渗透率的纤维织物,可引入渗透介质铺放在预成型体的合适位置,以辅助树脂在其面内和厚度方向的浸润,典型的渗透介质包括尼龙筛、编织聚丙烯和各类纤维毡.渗透介质不仅有望增加预成型体的浸润性能,同时还可能增强复合材料固化后层间性能.但是,对于预成型体较厚等复杂情况,仅仅在纤维预成型体上铺放渗透介质并不能消除缺陷,而是应该进行选择性的区域优化铺放,以获取最优的树脂浸润性能,降低缺陷含量.
相关研究[9]对比了渗透介质不同铺放位置对空隙和干斑含量的影响.在树脂注射口和排气口固定的情况下,将树脂浸润区域划分为6块,不断进行渗透介质铺放位置的优化,直到解决所有的空隙和干斑缺陷问题.从图11可以看出,在区域4、5、6铺放渗透介质是最优的结果.对纤维预成型体整体铺放渗透介质能够缩短树脂浸润时间,但是有可能造成空隙和干斑等缺陷增加,所以渗透介质的铺放优化非常重要.
5. 局部降低树脂粘度
相关研究[10]通过数值模拟方法预测干斑位置,在该特定位置局部加热以降低树脂粘度,从而增强了干斑区域处树脂对预成型体的渗透和浸润性能,消除了与高渗透性区域的流动差异.该方法必须提前预测干斑位置,在不规则的树脂流动前锋发生之前就需采取局部加热措施.如果待流道效应形成之后再加热,就不能有效地消除干斑缺陷（图12[10]）.该方法的本质是在低渗透率区域降低树脂粘度以抵消由于低渗透率带来的不利影响.
6. 使用挥发性溶剂模拟树脂流场浸润过程中预成型体由于时间相依的渗透性和压缩应力而使厚度不断变化,导致树脂流动过程较难模拟和在线控制.为了实现树脂对纤维良好的浸润以及消除干斑和空隙缺陷,很多研究关注实时制造过程中的全程监测.但是,这需要在模具内部布置大量的传感器,使得实时监控变得过于复杂,同时导致制造成本的增加.因此,简单、实用、花费低以及操作性强成为模拟树脂流场的关键.
针对这一问题,有研究[11]采用乙醇预先浸润纤维预成型体,实时监控流动过程,定位干斑位置.该方法取代模具内铺设的复杂传感器,同时乙醇可通过加热和抽真空等方法轻易去除.虽然乙醇和树脂的粘度不一样,但是二者的流动前锋样式基本一样（图13[11]）.该方法根据乙醇预先浸润的结果,可针对性地采用空隙和干斑缺陷的消除措施,有效地避免了液体成型工艺的实验试错性质,实现了缺陷的主动控制.
但是,需要注意的是,应避免所选用的挥发性溶剂破坏纤维表面上浆剂,避免溶剂的使用造成复合材料力学性能的下降.
7. 其他缺陷控制技术
其他的缺陷控制技术本文就不再一一赘述,仅罗列如下：①多孔注射或线性注射；②面内和厚度方向注射相结合；③恒压-恒流注射相结合；④憋胶与放胶工艺；⑤提高注射压力；⑥缺陷处增加树脂注射通道；⑦对于厚壁预成型体,引入引流槽工艺；⑧多种缺陷控制技术的联合使用.
四、结语
总之,液体模塑成型工艺由于其低成本特性在复合材料领域受到越来越大的重视,但是其加工工艺的可重复性和可靠性是一个巨大的挑战.监测技术方面,有些只能用于模具透明,有些难以承受复合材料液体成型时的温度和压力,有些由于传感器的侵入使其与复合材料不相容,有些成本高昂,有些操作复杂.缺陷控制技术方面,由于厚度、形状等因素造成纤维预成型体渗透性变化大,数值模拟流场的精度还有待提高,缺陷的主动控制技术还需加强.另外,目前无论是监测技术还是缺陷控制技术,很多研究都是基于实验室尺度,将这些方法扩展到工业级别尺度并维持良好的精度,将是一个具有挑战性的问题.笔者认为,未来的研究和应用可聚焦以下方面：
①不断提高流场模型和数值模拟的精确度,提高预测的准确性.
②实现流场全程监测方法的实用、方便和低成本.
③进一步完善缺陷控制和规避控制技术.
④高度重视纳米技术的使用.许多研究聚焦纳米材料（碳纳米管、石墨烯等）改性复合材料基体、层间和界面,以提高其力学性能.后续研究应聚焦纳米技术在复合材料液体成型、性能提升、结构健康监测等方面的综合应用,做到工艺、性能与功能性的最佳结合,最终向智能化方向迈进.
⑤实现实验室基础研究到工业应用的协调统一,避免工业尺度下出现新的成型问题以及制造成本的大幅攀升.
⑥实现监测和缺陷主动控制的有机统一.
综上,通过复合材料液体模塑成型工艺监测和缺陷控制技术的不断发展和完善,改善液体成型工艺的试错特性,实现工艺的可控制、可重复,提高成品率,最终真正实现复合材料低成本制造的目标,这也是复合材料在轨道交通领域规模化应用的努力方向之一.
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参考文献：
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