真空辅助树脂灌注工艺的创新性改进

真空辅助树脂灌注工艺是一种新型的复合材料低成本,高性能成型技术。由于其低成本、制品性能好、环境友好等独特的优势,真空辅助树脂灌注工艺已成功用于舰船、军事设施、国防工程、航空和风电等民用工业领域。但是这种工艺也有很多不可控制的因素,仍有许多需改进的地方。本文从树脂计量混合技术及制品表面质量控制等方面讨论了当今真空辅助树脂灌注工艺的一些创新性的改进。

聚丙烯酸酯热塑性树脂及其真空辅助灌注成型复合材料性能研究

分析了阿科玛聚丙烯酸酯热塑性树脂Elium190M的反应特性,研究了热塑性树脂的基本性能和真空灌注纤维增强热塑性复合材料的力学性能,并与风电叶片行业批量在用的热固性树脂及其真空灌注复合材料性能进行了对比。研究结果表明,聚丙烯酸酯树脂粘度较低,适用期较长,且固化温度较低,固化时间较短,适用于真空辅助灌注成型工艺。纤维增强热塑性复合材料与风电叶片批量在用的热固性复合材料的力学性能相当,同时热塑性树脂Elium190M与其热塑性复合材料之间具有良好的界面性能,表明该热塑性树脂也可以先局部采用预制件成型,然后采用整体一体灌注成型的方式进行大型复合材料制件的制造。

一款反应型热塑性树脂真空辅助灌注特性的研究

采用错层铺设玻纤织物的方法,研究了Arkema公司一款反应型热塑性树脂在不同玻纤织物层数下的真空辅助灌注特性。研究结果表明:反应型热塑性树脂对不同层数的玻纤织物均有良好的灌注效果;反应型热塑性树脂可操作时间适中,可达150 min;树脂粘度低、灌注速度快,对玻纤织物有着良好的浸润性能;树脂常温固化,反应呈现慢引发、快增长和速终止的特点;放热峰温度达109.9℃。

基于VARI工艺的碳纤维复合材料快速修理飞机铝合金裂纹的研究

考虑到飞机战伤抢修需求,在现有的复合材料胶接修理基础上提出了一种基于真空辅助树脂灌注(VARI)工艺的金属裂纹快速修理方法,通过静力拉伸和疲劳实验将VARI修理工艺与传统湿法胶接修理工艺、机械补强修理工艺进行对比,获得了不同修理工艺下实验件的静强度恢复率、疲劳寿命、修理时间及比静拉伸强度恢复率,借助有限元分析法深入研究了VARI修理件的损伤过程,并以比静拉伸强度恢复率为指标,利用Design Expert软件进一步优化了修理补片参数。结果表明:在三种修理工艺中,VARI修理工艺效果最佳,采用VARI修理的实验件静强度能恢复至完好实验件的90.3%,疲劳寿命相比未修理实验件增长了31.4倍;与传统湿法胶接修理相比,采用VARI修理可将修理时间缩短60.2%;与机械补强修理相比,采用VARI修理可将实验件增重降低53.5%,比静拉伸强度恢复率提高146.6%;对于长度为20 mm的裂纹,补片长度60 mm、宽度64.8 mm、铺层数目四层(即补片厚度1 mm)为最优补片参数。

风电叶片拉挤梁帽真空灌注成型工艺数值优化

采用数值仿真方法建立拉挤梁帽真空灌注成型工艺的优化流程,分析了工艺参数对成型效率和质量的影响。首先,实验测定纤维增强织物的渗透率、实际纤维体积分数和树脂的流变性。其次,采用收敛性分析方法对梁帽的数值模型进行优化,兼顾了仿真精度和效率。最后,研究了拉挤板排列间距和模腔内的残余空气压强对成型过程的影响。结果表明:仿真结果与全尺寸实验的偏差小于7%,拉挤板排列间距为0.3 mm时充模效率最高,残余空气压强小于4000 Pa时产品孔隙率小于2%,证明了数值优化方法的可行性和准确性。

树脂灌注成型的流道设计和真空度对性能的影响

通过实验对真空辅助树脂灌注成型的树脂流道和真空通路进行研究,对于点对点、线对点、点对线、线对线、环形对点这几种流道设计方式进行验证,发现线对点注入以及环形对点注入可以获得最佳的纤维浸润性,相比较而言,线对点注入方式更加经济,在0.085MPa、0.095MPa两种不同的真空度条件下,后者成型的制品力学性能总体较好。

VARI工艺制备碳纤维/环氧树脂复合材料的耐腐蚀性能及断口形貌分析

研究了用真空辅助树脂灌注(VARI)成型工艺制备碳纤维复合材料的耐腐蚀性能,并对采用VARI工艺制备的碳纤维复合材料制件进行了断口形貌分析。结果表明:碳纤维树脂基复合材料的拉伸强度是395.93 MPa,弯曲强度是568.44 MPa,模拟海水中浸泡70天后拉伸性能和弯曲性能的保持率仍能保持在80%以上;腐蚀前环氧树脂与碳纤维编织布总体浸润充分,拉拔孔洞少,腐蚀后树脂对纤维包裹性变差,孔洞变多,但仍保持材料的大部分优良性能。

真空辅助树脂灌注法制备风电叶片树脂的渗透及缺陷

依据真空辅助树脂灌注(Vacuum assisted resin infusion,VARI)技术,对VARI方法制备玻璃纤维/环氧树脂复合材料风电叶片过程中树脂的渗透缺陷形成机制和消除方法进行了研究。结果表明,在环境温度为25℃和初始混合时间为100min、混合树脂黏度为250mPa·s时,树脂的放热温度和渗透性能最佳。导流介质的使用可以降低渗透难度,缩短充模时间。使用6层三轴玻璃纤维缝编织物,并插入一层连续毡做为导流介质,会使导流效果最佳,渗透效果趋于一致,有效的降低边缘效应对树脂渗透的影响。在L7000(叶根到进料口的距离为17cm)和L19000(叶根到进料口的距离为19cm)位置处增加树脂进料口,调整模具温度为28℃,可以减少渗透缺陷的形成。

VARI制备高长径比复合材料的树脂流动研究

对VARI制备高长径比复合材料过程中的树脂流动行为进行模拟与实验研究,利用PAM-RTM软件模拟树脂流动过程,讨论了各工艺参数对树脂流动的影响,并通过实验测试对模拟结果进行了验证与比较。研究表明,纤维增强体孔隙率越大、注射压力越大和树脂粘度越低,树脂的填充速度越快。在模具直径>φ4 mm、注射压力>0.3 MPa、树脂粘度≤0.9Pa˙s和纤维体积分数≤60%的情况下,可以实现较长试件的快速注射,所需注胶时间最高不超过2 h。

环氧树脂混合比例对复合材料性能的影响

在风电叶片的工业化生产过程中,因混合工艺和计量设备的原因,存在环氧树脂和固化剂混合比例误差或者错误的风险,对产品造成未知的影响。本文通过在已知环氧树脂体系的条件下,确定树脂混合比例及比例偏差,然后考察了复合材料的力学性能变化。实验结果表明:环氧树脂增强玻璃纤维复合材料,胺类固化剂混合质量比例偏差小于±4时,复合材料的静态力学性能不会发生太大的变化。

CBT树脂反应特性及其纤维复合材料力学性能的研究

分析了环状对苯二甲酸丁二醇酯(CBT)-CBT100和CBT160两种树脂的反应特性,研究了三种锡类催化剂对CBT100树脂低粘度适用期和高温反应时间的影响,并对比了采用树脂粉末熔融浸渍成型和高温真空辅助灌注成型(VARTM)方法制备的玻璃纤维增强聚环状对苯二甲酸丁二醇酯(PCBT)复合材料的力学性能。研究结果表明,CBT160树脂高温反应速度较快,适合树脂粉末熔融浸渍相类似的成型工艺。CBT100树脂通过外加一定量的单丁基三异辛酸锡或二丁基二月桂酸锡催化剂,可以使其具有合适的适用期和反应聚合时间,适宜用于VARTM过程。含单丁基三异辛酸锡的CBT100树脂通过高温VARTM方法制备的玻纤增强PCBT复合材料的综合力学性能较好,略高于采用CBT160树脂用树脂粉末熔融浸渍成型方法制备的复合材料的力学性能。

不同灌注工艺对玻璃钢层压板性能的影响

应用真空辅助树脂传递模塑工艺(VARTM)和真空灌注成型工艺(VIMP)制备玻纤增强塑料(GFRP)层压板,研究制样工艺对玻璃钢层压板性能的影响。利用灼烧法考察了VARTM工艺和VIMP工艺对玻璃钢层压板的玻纤含量的影响,发现VARTM工艺制得的层压板的玻纤含量均匀可控,且具有良好的重复性。并对两种制样方式得到的层压板进行了力学性能测试,包括静态力学性能和动态疲劳性能,发现VARTM工艺制得的层压板静态性能较优,而两种成型工艺对动态疲劳性能无明显影响。在实验室评估玻纤性能时,选择用VARTM工艺制作层压板能更好地得到材料的真实性能。

风电叶片的季节性灌注生产管理和工艺技术措施

真空辅助树脂灌注工艺是风电叶片成型的关键技术之一,由于具有低成本、制品性能好、环境友好等独特的优势,该工艺已广泛应用于各种类型风电叶片的生产。在实际生产中,季节性的温湿度变化对真空辅助树脂灌注工艺的基体树脂、增强材料、真空度、导流体系铺设等关键因素影响比较明显,进而会影响到风电叶片的灌注质量及生产周期。通过合理组织生产,增加外界辅助设施,不仅可以做到降低制造叶片的能耗成本,而且还可以适时高质量地快速产出叶片。

氢氧化钠处理对GF VER复合材料界面及力学性能的影响

为改善玻璃纤维(Glass fiber,GF)与乙烯基酯树脂(Epoxy vinyl ester resin,VER)间界面性能,使用氢氧化钠溶液对GF进行表面改性处理。借助扫描电镜、红外光谱仪、万能材料试验机、摆锤冲击试验机等,分析改性前后GF的表面形态与化学结构的变化。测试改性前后GF VER复合材料的单丝和纤维束界面剪切强度、弯曲强度、抗冲击强度。研究氢氧化钠处理对GF VER复合材料的界面性能和力学性能的影响。结果表明:经过氢氧化钠溶液处理后,GF浸润性得到改善,表面变得粗糙,表面活性基团增多。单丝和纤维束的界面剪切强度相比改性前分别提升了25.31%、27.48%。GF VER复合材料的弯曲强度与抗冲击强度相比改性前分别提升了20.96%、25.40%。

国内外复合材料工艺设备发展述评之七——液体模塑成型

本文分析了液体模塑成型工艺所用设备的发展历程,指出其优缺点,并对今后发展提出建议。

泡沫夹芯结构复合材料VARI工艺模拟研究

提出了一种简单方便的等效建模法,解决了大尺寸夹芯结构或复杂形状夹芯结构真空辅助树脂灌注(VARI)成型工艺模拟仿真计算量大,效率不高的难题。采用等效建模法和细化建模法对矩形泡沫夹芯结构复合材料平板的VARI工艺进行了模拟仿真分析,并结合工艺成型实验进行了验证。结果表明,由两种方法计算得到的理论充模时间与实测树脂充模时间基本一致,采用等效建模法所得树脂流动前锋位置曲线与工艺成型实验测试值更加吻合。

VARI液体成型复合材料机盖的数值模拟及工艺验证

针对复合材料机盖结构件进行了真空灌注(VARI)成型模拟,研究了不同注胶方案对注射时间的影响,以及导流网铺放和流道设计对树脂流动前锋和注胶过程的影响,优选出合理的注胶方式、导流网布局和流道设计,并进行工艺试验验证。结果表明,仿真模拟的树脂流动前锋与实际树脂的流动前锋趋势一致,而且均能将制件灌注完全,经检测满足成型制品性能要求,验证了工艺设计的合理性和模拟分析的有效性。

快速固化环氧树脂及其碳纤维/环氧复合材料性能

采用双酚A型环氧树脂(DGEBA)、改性咪唑(MIM)及改性脂肪胺(MAA)研制快速固化树脂体系。分别利用DSC和流变仪测试了树脂体系的固化特性与流变行为,优选了树脂配方。采用真空辅助树脂灌注工艺(VARIM)制备了快速成型的碳纤维/环氧复合材料层板,考察了层板的成型质量和力学性能,并与常规固化的层板性能进行了对比。结果表明:采用优选的树脂配方,120℃下树脂在5min内固化度达95%,碳纤维/环氧复合材料层板成型固化时间可控制在13min以内,固化度达95%以上,并且没有明显缺陷;与常规固化相比(固化时间大于2h),快速固化碳纤维/环氧复合材料层板的弯曲性能和耐热性能降低幅度较小。

兆瓦级风力发电机叶片用环氧树脂

针对兆瓦级风机叶片用纤维/环氧复合材料的特殊要求,开展了适用于真空辅助灌注(VARTM)工艺的环氧基体树脂的国产化研究。采用国产环氧树脂与实验室自制的稀释剂制备环氧树脂与胺类固化剂配合使用,通过示差扫描量热分析,IR光谱,力学性能,耐热性、粘度及吸水性测试等研究了环氧树脂与固化剂配比对其工艺和固化物性能的影响,获得了初始粘度低、粘度对温度不敏感、操作时间长的环氧基体树脂,其树脂浇注体的拉伸性能、弯曲性能均优于国外环氧树脂固化体系,可满足兆瓦级风机叶片用高性能复合材料的使用需求。

原位聚合法制备连续玻璃纤维增强PCBT复合材料及其性能

采用环状对苯二甲酸丁二醇酯(CBT)原位聚合制备了连续玻璃纤维(GF)增强聚环状对苯二甲酸丁二醇酯(PCBT)复合材料。考察了聚合反应中催化剂用量对PCBT结晶度以及GF/PCBT复合材料力学性能的影响。当催化剂用量为0.5%(质量分数)时,PCBT的结晶度为53%,GF/PCBT的力学性能达到最佳,拉伸强度为522MPa,拉伸模量为27GPa,弯曲强度为481MPa,弯曲模量为24.8GPa,层间剪切强度(ILSS)为43MPa。SEM观察表明,发现催化剂用量为0.5%时,树脂与纤维的结合性较好。进一步研究了淬火和退火后处理对复合材料力学性能的影响。发现复合材料退火处理后具有较好的力学性能,其中拉伸强度为545MPa,弯曲强度为495MPa。