1  概述

       從產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性和用途的廣泛性來看，樹脂傳遞模塑（ RT M)是生產(chǎn)高性能復(fù)合材料很有發(fā)展?jié)摿Φ某尚?a href="http://www.anfangnet.cn/tech/" target="_blank">工藝。推動(dòng)RTM迅速發(fā)展的一個(gè)主要因素是近年來汽車工業(yè)的發(fā)展。汽車工業(yè)看準(zhǔn)了RTM工藝過程的低能耗和低合模壓力。RTM成型工藝在航空及相關(guān)行業(yè)中得到應(yīng)用，取代了以往的手糊預(yù)浸料和高壓釜成型。以節(jié)約成本、改善產(chǎn)品的一致性、縮短生產(chǎn)周期。同時(shí)對(duì)苯乙烯和其他化學(xué)試劑釋放量的限制使手糊和噴射成型工藝逐漸向閉模成型工藝轉(zhuǎn)變。作為新興工藝。RTM工藝中還存在著許多尚未解決的問題。有關(guān)成型工藝參數(shù)和材料選擇方面的技術(shù)資料比較少，一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或根據(jù)相似的工藝，如傳統(tǒng)的反應(yīng)注射模塑成型工藝作出選擇。

       在復(fù)合材料成型工藝中。樹脂的流動(dòng)和固化對(duì)最終產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)有很重要的影響，從而影響到復(fù)合材料構(gòu)件的性能。眾多的傳統(tǒng)工藝中，如注射模塑。手糊預(yù)成型和片狀模塑料（ SM C）的模壓成型工藝。樹脂和纖維都預(yù)混很長(zhǎng)一段時(shí)間，這就使得樹脂和纖維能夠得到密切接觸，形成良好的結(jié)合界面。因此。了解成型工藝中樹脂的流動(dòng)對(duì)于確定纖維類型和鋪層方向是很有必要的。在RTM工藝中所用的增強(qiáng)材料都是未浸潤(rùn)的。此類工藝的關(guān)鍵就是對(duì)這些網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的完全浸潤(rùn)。在這些材料中同時(shí)發(fā)生兩種流列，一種是充模過程。即樹脂充滿整個(gè)模腔的過程f宏觀流動(dòng)）；另外一種就是浸潤(rùn)流動(dòng)，即樹脂向纖維束內(nèi)滲透的過程f微觀流動(dòng)1。宏觀流動(dòng)發(fā)生在纖維束周圍，而微觀流動(dòng)發(fā)生在纖維絲周圍。樹脂注入模腔的過程中，樹脂必須迅速地充滿模腔并在化學(xué)反應(yīng)發(fā)生之前浸透所有的單根纖維絲。增強(qiáng)材料與樹脂接觸的時(shí)間短。容易形成不良的樹脂一纖維結(jié)合界面。如果纖維未得到完全浸潤(rùn)，復(fù)合材料構(gòu)件的強(qiáng)度不高。浸潤(rùn)不完全容易引起界面處產(chǎn)生氣泡。這些氣泡導(dǎo)致應(yīng)力集中，使復(fù)合材料性能下降。浸潤(rùn)流動(dòng)主要是與樹脂和纖維表面張力的差異有關(guān)。如果樹脂的表面張力低于增強(qiáng)材料的表面張力，則浸潤(rùn)得以進(jìn)行。

       在RTM工藝中，除了樹脂固化，樹脂和纖維的物理／化學(xué)結(jié)合也是很重要的。工藝過程中，樹脂和纖維在樹脂基體固化之前迅速而準(zhǔn)確的結(jié)合。樹脂固化f例如凝膠或玻璃化）只需幾分鐘，所以樹脂一纖維界面要在較短的浸潤(rùn)時(shí)間內(nèi)形成。由于RTM工藝中浸潤(rùn)時(shí)間短，界面結(jié)合主要取決于化學(xué)反應(yīng)而不是物理反應(yīng)。纖維浸潤(rùn)劑以薄的固體薄膜的形式附著在纖維表面上，可以改善界面處的化學(xué)和物理行為。因此必須與樹脂相容以利于樹脂的滲透以及化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料最終的機(jī)械性能在很大程度上取決于樹脂對(duì)纖維的浸潤(rùn)程度以及粘著效果。因此，理解和控制RTM充模流動(dòng)f充模和纖維浸潤(rùn)）以及固化過程中發(fā)生的反應(yīng)（樹脂基體的固化和樹脂／浸潤(rùn)劑的反應(yīng)）是很重要的。

       本文的工作是研究RTM工藝中樹脂一纖維的浸潤(rùn)與結(jié)合情況，并進(jìn)行了兩類實(shí)驗(yàn)：①成型實(shí)驗(yàn)，分析工藝條件對(duì)樹脂一纖維界面上的浸潤(rùn)以及結(jié)合的影響；②流動(dòng)觀察實(shí)驗(yàn)，研究流動(dòng)速率和溫度對(duì)充模和浸潤(rùn)過程相互作用的影響。

2實(shí)驗(yàn)

2.1原材料

       實(shí)驗(yàn)中選用E玻璃纖維連續(xù)氈和編織的單向玻璃纖維氈一為增強(qiáng)材料。并經(jīng)過一定的表面處理。實(shí)驗(yàn)中所應(yīng)用的兩種基體樹脂是聚氨酯(PU)和聚氨酯與不飽和聚酯樹脂f PU-U PE)的混合物。

2.2流動(dòng)觀察實(shí)驗(yàn)

       實(shí)驗(yàn)中所使用的透明模具是由PMMA制成的，模腔的尺寸為400×244×3mm，使用簡(jiǎn)易注射裝置將樹脂注入模具中。顯微鏡在放大20倍下觀察流動(dòng)前沿。實(shí)驗(yàn)分別在兩種不同流動(dòng)速率下和兩種不同樹脂溫度下進(jìn)行。為了研究樹脂注射過程中浸潤(rùn)和充模之間的相互作用，消除粘接的影響是很有必要的（這就是保證沒有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生）。本文使用一種非反應(yīng)性的樹脂- DOP油來做流動(dòng)觀察實(shí)驗(yàn)。       圖1給出了流動(dòng)速率對(duì)流動(dòng)前沿形態(tài)的影響。在較高流速下。纖維束間的流動(dòng)f宏觀流動(dòng)要超前于纖維束內(nèi)的流動(dòng)f微觀流動(dòng)。因?yàn)槊渴w維含有大量的纖維絲。纖維束內(nèi)的空間比纖維束間的空間要小得多，因此纖維絲的滲透率遠(yuǎn)比纖維氈的滲透率小。在較高流速下，流動(dòng)前沿形態(tài)受流動(dòng)方向上壓力梯度的影響較大，而受毛細(xì)作用力的影響較小。當(dāng)流動(dòng)前沿遇到纖維束時(shí)，樹脂膠液將繞其流動(dòng)。流動(dòng)前沿繞過之后，樹脂才在毛細(xì)作用力下緩慢地浸潤(rùn)纖維束。在較低流速下。由于毛細(xì)作用力的影響，纖維束內(nèi)的流動(dòng)前沿領(lǐng)先于纖維束間的流動(dòng)前沿。

        流動(dòng)觀察實(shí)驗(yàn)中無法控制模具的溫度。為了研究溫度的影響，實(shí)驗(yàn)在兩個(gè)不同的溫度下進(jìn)行f 60℃和5℃下的膠液，模具處于環(huán)境溫度下）。控制樹脂的流速在較低的范圍內(nèi)，結(jié)果見圖2。從圖中可以看出，在兩種情況下纖維束內(nèi)的流動(dòng)前沿都要超前于纖維束間的流動(dòng)前沿。這是流速比較低的原因。然而，兩種情形下超前和滯后的程度卻大不相同。在較高溫度下微觀流動(dòng)和宏觀流動(dòng)的速率差比較低溫度下要大。這是因?yàn)樵谳^高溫度下樹脂的粘度小，所以樹脂流動(dòng)要比低溫下順暢得多。微觀流動(dòng)速度的提高改善了樹脂對(duì)纖維的浸潤(rùn)。也就是說，較高溫度有利于浸潤(rùn)。

2.3成型實(shí)驗(yàn)

      連續(xù)玻璃纖維氈增強(qiáng)PU基和PU- UPE基復(fù)合材料的成型實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1、2所示。

      表1的結(jié)果表明當(dāng)構(gòu)件在較高注射壓力(0. 42M Pa)和較低模具／纖維氈溫度f室溫）下成型時(shí)，拉伸強(qiáng)度最小；而在較低注射壓力(0. 2IMPa)和較高模具／纖維氈溫度( 60℃)下成型時(shí)，拉伸強(qiáng)度最大；在同樣的注射壓力下，纖維溫度高，拉伸強(qiáng)度就大。因?yàn)闇囟炔⒉挥绊懝袒髽渲睦鞆?qiáng)度。因此樹脂本身對(duì)于所觀察到的現(xiàn)象并沒有什么影響。這就說明了拉伸強(qiáng)度的差異可能起因于樹脂一纖維界面的粘接情況。       制品橫斷面的掃描電鏡照片證實(shí)了從拉伸強(qiáng)度數(shù)據(jù)中得出的推斷。對(duì)于連續(xù)和單向玻璃纖維氈增強(qiáng)PU基復(fù)合材料，在0.2IMPa- 60℃條件下界面粘接和浸潤(rùn)效果較0. 42MPa室溫條件下要好，但樹脂與纖維的結(jié)合界面仍不是很理想，如圖3。       表2給出了連續(xù)玻璃纖維氈增強(qiáng)PU- UPE混合樹脂試樣的拉伸強(qiáng)度，得到的結(jié)果與從表1中得到的關(guān)于PU基復(fù)合材料的結(jié)果類似。構(gòu)件在較高注射壓力（ 0. 42M Pa)和較低模具／纖維氈溫度f室溫）下成型時(shí)，拉伸強(qiáng)度最小；而在較低注射壓力(0．21M Pa)和較低模具／纖維氈溫度（室溫）下成型時(shí)，拉伸強(qiáng)度有所增加：在較高注射壓力f0. 42MPa)和較高的模具／纖維氈溫度( 60 0C)下，制品的拉伸強(qiáng)度更大：在較低注射壓力f 0. 2lMPa)和較高的模具／纖維氈溫度(60℃)下，拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大。        圖4給出了對(duì)應(yīng)于四種不同工藝條件下得到的4組制品的SEM照片，結(jié)果與拉伸強(qiáng)度數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)。圖4d表明了0.2IM Pa- 60℃下制得的復(fù)合材料構(gòu)件浸潤(rùn)程度最大，大量的樹脂粘附在纖維絲上，而且鋪覆得很均勻。與此相反如圖4a所示，0．42MPa_室溫下制得的制品浸效果很差，圖中纖維只被一片一片的樹脂所覆蓋，表面的樹脂膜也很薄。圖4b和4c中浸潤(rùn)和粘接效果處于中間狀態(tài)。從圖4也可以看出，在同樣的模具／纖維氈溫度下較低的注射壓力，浸潤(rùn)效果要好（a對(duì)cb對(duì)d），而在相同的注射壓力下較高模具／纖維氈溫度時(shí)浸潤(rùn)和粘接效果要好（ a對(duì)b，c對(duì)d）。通過比較圖3和圖4d看出，應(yīng)用膠料相容樹脂可以改善界面的粘接性。

3  結(jié)論

       本文說明了在RTM成型工藝中恰當(dāng)?shù)剡x擇成型工藝參數(shù)的重要性。較低的注射壓力有利于單纖維絲的浸潤(rùn)，而較高的成型溫度可以得到較好的浸潤(rùn)和粘接效果。樹脂對(duì)纖維的浸潤(rùn)程度以及樹脂與纖維界面粘接的好壞直接影響到復(fù)合材料構(gòu)件的拉伸強(qiáng)度。本文研究結(jié)果也表明了對(duì)于玻璃纖維增強(qiáng)聚酯系統(tǒng)。應(yīng)使用合適類型的纖維表面處理劑對(duì)纖維進(jìn)行處理以改善樹脂／纖維界面的粘接。