1  概述

       從產(chǎn)品的經(jīng)濟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://shijieche.cn/tech/" target="_blank">工藝。推動RTM迅速發(fā)展的一個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。同時對苯乙烯和其他化學(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。樹脂的流動和固化對最終產(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)混很長一段時間，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對于確定纖維類型和鋪層方向是很有必要的。在RTM工藝中所用的增強材料都是未浸潤的。此類工藝的關(guān)鍵就是對這些網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的完全浸潤。在這些材料中同時發(fā)生兩種流列，一種是充模過程。即樹脂充滿整個模腔的過程f宏觀流動）；另外一種就是浸潤流動，即樹脂向纖維束內(nèi)滲透的過程f微觀流動1。宏觀流動發(fā)生在纖維束周圍，而微觀流動發(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。增強材料與樹脂接觸的時間短。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，復(fù)合材料構(gòu)件的強度不高。浸潤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。浸潤流動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材料的表面張力，則浸潤得以進行。

       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時間內(nèi)形成。由于RTM工藝中浸潤時間短，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。纖維增強聚合物復(fù)合材料最終的機械性能在很大程度上取決于樹脂對纖維的浸潤程度以及粘著效果。因此，理解和控制RTM充模流動f充模和纖維浸潤）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與結(jié)合情況，并進行了兩類實驗：①成型實驗，分析工藝條件對樹脂一纖維界面上的浸潤以及結(jié)合的影響；②流動觀察實驗，研究流動速率和溫度對充模和浸潤過程相互作用的影響。

2實驗

2.1原材料

       實驗中選用E玻璃纖維連續(xù)氈和編織的單向玻璃纖維氈一為增強材料。并經(jīng)過一定的表面處理。實驗中所應(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流動觀察實驗

       實驗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倍下觀察流動前沿。實驗分別在兩種不同流動速率下和兩種不同樹脂溫度下進行。為了研究樹脂注射過程中浸潤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油來做流動觀察實驗。       圖1給出了流動速率對流動前沿形態(tài)的影響。在較高流速下。纖維束間的流動f宏觀流動要超前于纖維束內(nèi)的流動f微觀流動。因為每束纖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比纖維氈的滲透率小。在較高流速下，流動前沿形態(tài)受流動方向上壓力梯度的影響較大，而受毛細作用力的影響較小。當(dāng)流動前沿遇到纖維束時，樹脂膠液將繞其流動。流動前沿繞過之后，樹脂才在毛細作用力下緩慢地浸潤纖維束。在較低流速下。由于毛細作用力的影響，纖維束內(nèi)的流動前沿領(lǐng)先于纖維束間的流動前沿。

        流動觀察實驗中無法控制模具的溫度。為了研究溫度的影響，實驗在兩個不同的溫度下進行f 60℃和5℃下的膠液，模具處于環(huán)境溫度下）?？刂茦渲牧魉僭谳^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)的流動前沿都要超前于纖維束間的流動前沿。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和宏觀流動的速率差比較低溫度下要大。這是因為在較高溫度下樹脂的粘度小，所以樹脂流動要比低溫下順暢得多。微觀流動速度的提高改善了樹脂對纖維的浸潤。也就是說，較高溫度有利于浸潤。

2.3成型實驗

      連續(xù)玻璃纖維氈增強PU基和PU- UPE基復(fù)合材料的成型實驗結(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，拉伸強度最小；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，拉伸強度最大；在同樣的注射壓力下，纖維溫度高，拉伸強度就大。因為溫度并不影響固化后樹脂的拉伸強度。因此樹脂本身對于所觀察到的現(xiàn)象并沒有什么影響。這就說明了拉伸強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了從拉伸強度數(shù)據(jù)中得出的推斷。對于連續(xù)和單向玻璃纖維氈增強PU基復(fù)合材料，在0.2IMPa- 60℃條件下界面粘接和浸潤效果較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PU- UPE混合樹脂試樣的拉伸強度，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，拉伸強度最??；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，拉伸強度有所增加：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，拉伸強度達到最大。        圖4給出了對應(yīng)于四種不同工藝條件下得到的4組制品的SEM照片，結(jié)果與拉伸強度數(shù)據(jù)相對應(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，浸潤效果要好（a對cb對d），而在相同的注射壓力下較高模具／纖維氈溫度時浸潤和粘接效果要好（ a對b，c對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，而較高的成型溫度可以得到較好的浸潤和粘接效果。樹脂對纖維的浸潤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)件的拉伸強度。本文研究結(jié)果也表明了對于玻璃纖維增強聚酯系統(tǒng)。應(yīng)使用合適類型的纖維表面處理劑對纖維進行處理以改善樹脂／纖維界面的粘接。