复合材料制备技术讲义(8)－RTM成型实例

复 合 材 料成 型 与 加 工 技 术曾竟成 教授杜 刚 讲师第8章 RTM制备工艺8.1 RTM制备技术简介 RTM是在模腔中铺放设计好的增强材料预成型体，在压力或真空或两者共同的作用下将低粘度的树脂注入模腔，树脂在流动充模的过程中完成对增强材料预成型体的浸润，并固化成型而得到复合材料构件的工艺方法，是一种先进复合材料低成本制备技术，广受瞩目。 日本强化塑料协会将RTM工艺和拉挤工艺一起，推荐为两大最有发展前途的工艺，欧美很多公司投入巨资用于研究开发RTM工艺，其中仅欧共体投资的“开发RTM工艺技术和应用”项目就耗资290万欧元，美国设置了专科学校，用于培训RTM专业人才。8.2 RTM工艺特点：工艺特点：qRTM分增强材料的预铺层和树脂注射两个步骤；分增强材料的预铺层和树脂注射两个步骤；q闭模成型工艺；增强材料与树脂的浸润由带压树脂在密闭闭模成型工艺；增强材料与树脂的浸润由带压树脂在密闭模腔中快速流动来完成，而非手糊和喷射工艺中的手工浸润，模腔中快速流动来完成，而非手糊和喷射工艺中的手工浸润，又非预浸料工艺和又非预浸料工艺和SMC工艺中的昂贵机械化浸润，是一种低工艺中的昂贵机械化浸润，是一种低成本、高质量的半机械化纤维成本、高质量的半机械化纤维/树脂浸润方法。树脂浸润方法。q低压注射技术（注射压力小于低压注射技术（注射压力小于0.4MPa）；）；q可制备大尺寸、复杂外形、两面光滑的整体结构可制备大尺寸、复杂外形、两面光滑的整体结构RTM手糊手糊SMC表面质量表面质量很好很好一般一般极好极好强度强度极好极好良好良好一般一般可否方向性增强可否方向性增强是是是是否否单模具产量单模具产量/h1.550.246模具成本模具成本/$10000020000500000模具寿命模具寿命/件件20000200010000环境污染情况环境污染情况闭模系统闭模系统开模系统开模系统闭模系统闭模系统苯乙烯挥发量苯乙烯挥发量5106510中等中等材料浪费量材料浪费量52废品率废品率/0.10.5120.5RTM、SMC、手糊成型的经济及技术特点的比较传统RTM 8.3 RTM制备技术之衍化MPG 阀无飞边RTM 多嵌入面模RTM (MIT RTM) 真空辅助RTM (VARTM) VMPC传感器 (真空模) 轻RTM (VM RTM Light) VMPC传感器零注射压力RTM (ZIP RTM) 热膨胀RTM 套合软模增强体铺层合模注射加热挤胶脱除阴模脱除芯模脱除软模芯模制品软模辅助RTM 序号RTM技术衍化主 要 特 点 1RTM 模具底衬需要支撑，一般用钢筋混凝土；模具表面质量要求高，一般用复合材料 2无飞边RTM 模具底衬需要支撑，一般用钢筋混凝土；模具表面质量要求高，一般用复合材料；模具表面装有MPG (Mold Protection Guard) 阀，压力过限时通过信号停止树脂泵工作，避免树脂溢流造成飞边 3多嵌入面模RTM 模具底衬需要支撑，一般用钢筋混凝土；多嵌入式复合材料面模，可更换 4VARTM 模具底衬需要支撑，一般用钢筋混凝土；模具表面质量要求高，一般用复合材料；合模后抽真空，一则压实编织体，二则增加树脂传递动力 5(真空模) 轻RTM(VM RTM Light) 模具底衬不需要支撑，模具薄、轻；半刚性阴模，半柔性阳模；模具内抽较低真空，模具密封法兰边抽较高真空；模具表面装有VMPC (Vacuum Manifold Pressure Control)传感器，压力过限时通过信号停止树脂泵工作，避免树脂溢流造成飞边 6零注射压力RTM(ZIP RTM) 半刚性阳模，底衬需要支撑；半柔性阴模，底衬不需要支撑，模具薄、轻，可常更换；模具密封法兰边处安排树脂注料口，模具中心安排抽真空口；模具表面装有VMPC (Vacuum Manifold Pressure Control)传感器，模腔内压力为正时，停止供料。 7TERTM刚性泡沫芯模，缠绕上纤维预成型体，置入传统RTM模腔内，注射低粘度树脂，树脂不能完全浸渍纤维预成型体；加热固化时泡沫芯模同时膨胀，树脂完全浸渍纤维预成型体，并固化。最终产品是泡沫夹芯制品。 8RARTM刚性模具支撑软质模具组成组合阳模，与阴模配合组成模腔。在阳模上铺覆增强材料，合模注射，加热固化时，软模膨胀挤胶，可提高制品纤维含量，并且可解决复杂型面的脱模、密封等问题 8.4 RTM用原材料（1）树脂基体（低粘度，满足注射要求） UP、乙烯基酯树脂、EP、BMI（2）增强材料（长纤维或织物） 玻璃纤维、碳纤维、碳化硅纤维、Kevlar纤维8.5 RTM用设备 （1）树脂注射机（购买） （2）成型模具（制备，组合对模，注射口，排气孔、密封）8.6 RTM工艺过程模具制备模具制备纤维铺层纤维铺层合模合模抽真空抽真空树脂注射树脂注射固化固化脱模脱模制品处理制品处理8.7 RTM充模流动模拟充模流动模拟 RTM工艺过程包括树脂充模流动、热传递和固化反应。后二者是其它工艺过程包括树脂充模流动、热传递和固化反应。后二者是其它成型工艺所共有，重点是充模过程。成型工艺所共有，重点是充模过程。 树脂的流动与压力、树脂的粘度、表面张力、纤维的表面处理、排列方树脂的流动与压力、树脂的粘度、表面张力、纤维的表面处理、排列方向、注胶口的位置、环境温度等诸多因素有关。向、注胶口的位置、环境温度等诸多因素有关。 树脂在模具内的流动性决定制品质量的优劣，工艺周期的长短。树脂在模具内的流动性决定制品质量的优劣，工艺周期的长短。 RTM充模流动模拟采用充模流动模拟采用Darcy渗透模型，有一维、二维、三维三种类型。渗透模型，有一维、二维、三维三种类型。实例实例 RTM一维流动试验模拟一维流动试验模拟1、任务目的、任务目的 通过通过RTM注射成型的一维流动模拟试验，研究分析流体类型、粘度、注射成型的一维流动模拟试验，研究分析流体类型、粘度、注射压力以及增强材料种类、织物形态、叠层孔隙率等对注射时流体浸注射压力以及增强材料种类、织物形态、叠层孔隙率等对注射时流体浸润增强材料的速度（用渗透率润增强材料的速度（用渗透率K表征）的影响。表征）的影响。 2、主要内容、主要内容当其它影响参数相同或相近时，研究分析：当其它影响参数相同或相近时，研究分析： 1、流体注射压力对增强材料的、流体注射压力对增强材料的K的影响；的影响； 2、流体注射粘度对增强材料的、流体注射粘度对增强材料的K的影响；的影响； 3、注射流体种类对增强材料的、注射流体种类对增强材料的K的影响；的影响； 4、增强材料形态对增强材料的、增强材料形态对增强材料的K的影响；的影响； 5、增强材料孔隙率对增强材料的、增强材料孔隙率对增强材料的K的影响；的影响； 6、增强材料种类对增强材料的、增强材料种类对增强材料的K的影响。的影响。3、一维流动基本理论符号含义：符号含义： ：体积流量；：体积流量；：流体粘度；：流体粘度；P：流体压力；：流体压力；K：渗透率系数。：渗透率系数。PKV1V流体流动起始点流体流动起始点x0，t0流体流动前峰流体流动前峰点点xf，tf 树树脂脂胶胶液液各向异性多孔介质中流体渗流的数学表达式（各向异性多孔介质中流体渗流的数学表达式（Darcy定律）为：定律）为：0V（1）注射压力）注射压力P=P0恒定时，树脂流动前峰在模腔内一点恒定时，树脂流动前峰在模腔内一点与所需时间表达式可表示为：与所需时间表达式可表示为：22ffxKPt（2）注射流量注射流量Q=Q0恒定时，树脂流动前峰在模腔内一恒定时，树脂流动前峰在模腔内一点与所需时间表达式可表示为：点与所需时间表达式可表示为： QAxtff符号含义：符号含义：xf：树脂流动前峰距起始点树脂流动前峰距起始点x0间距离（间距离（m）；）；tf：树脂流动前峰到树脂流动前峰到xf点点时所需要的时间（时所需要的时间（s）；）；：增强材料的孔隙率（增强材料的孔隙率（%）；）；：树脂粘树脂粘度（度（Pas）；）；K：增强材料的渗透率（增强材料的渗透率（m2）；）；P：注射压力（注射压力（Pa）；）；A：模腔的横截面积（模腔的横截面积（m2）；）；Q：注射流量（注射流量（m3/s）。）。 4、试验方案、试验方案阀门阀门压力计压力计纤维织物纤维织物气气 泵泵进胶口进胶口胶液筒胶液筒收胶槽收胶槽观察窗观察窗阀门阀门恒压容器恒压容器压力计压力计5、RTM一维充模试验模具设计与制备一维充模试验模具设计与制备玻璃钢模具加强方钢螺栓孔钢化玻璃增强材料注射流体（绿）注胶口出胶口4.6200220*1040密封条纤维200填充层金属方钢横截面RTM一维充模模具设计结构尺寸图12001000注胶口出胶口200380螺栓钢化玻璃纵截面6 6、试验装置、试验装置 7、试验结果（1）注射压力对增强材料的）注射压力对增强材料的K的影响的影响 流体种类 191UP 增强材料 04玻璃布（面密度298g/m2） 铺层数 20 增强材料孔隙率 0.577 0.577 0.577 0.590 环境温度T（） 24 24 24 23 流体粘度（pas） 0.70 0.70 0.700.95注射压力P0(atm) 0.5 1.0 1.5 2.0 渗透率K（m2） 2.49E-10 2.47E-10 2.49E-10 2.43E-10 结论：结论：在其它影响因素相近的情况下，增大注射压力对增强在其它影响因素相近的情况下，增大注射压力对增强材料的渗透率材料的渗透率K基本上无影响。基本上无影响。 050010001500200025003000350040004500500000.10.20.30.40.50.6流体流动前峰距起始点的位置x（m）流体流动前峰距起始点的时间t（s）P0=0.5atmP0=1.0atmP0=1.5atmP0=2.0atm注射压力对流体充模时间的影响 流体种类 191UP 增强材料 04玻璃布（面密度298g/m2） 铺层数 16182022增强材料孔隙率 0.662 0.619 0.577 0.535 环境温度T（） 24 流体粘度（pas） 0.70 注射压力P0(atm) 1.0 渗透率K（m2） 4.74E-10 3.64E-10 2.47E-10 1.18E-10 （2）相同注射流体时，增强材料的孔隙率）相同注射流体时，增强材料的孔隙率对增强材料的对增强材料的K影响影响结论：结论：在其它影响因素相近的情况下，随着增强材料的孔隙在其它影响因素相近的情况下，随着增强材料的孔隙率增大，率增大，K值是增大的，表明增强材料的孔隙率对增强材料的值是增大的，表明增强材料的孔隙率对增强材料的渗透率有很大的影响。渗透率有很大的影响。 y = 3E-09x - 1E-09R2 = 0.99830.00E+001.00E-102.00E-103.00E-104.00E-105.00E-106.00E-100.50.60.7增强材料孔隙率增强材料的渗透率K(m2)增强材料的渗透率与增强材料的孔隙率的关系0500100015002000250030003500400000.10.20.30.40.50.6流体流动前峰距起始点的位置x（m）流体流动前峰距起始点的时间t（s）=0.662=0.619=0.577=0.535增强材料孔隙率对流体充模时间的影响（3） 同一流体，注射粘度对增强材料的同一流体，注射粘度对增强材料的K影响影响 流体种类 191UP 增强材料 04玻璃布（面密度298g/m2） 铺层数 20 增强材料孔隙率 0.577 0.586 0.590 环境温度T（） 24 32 41 流体粘度（pas） 0.70 0.530.30注射压力P0(atm) 1.0渗透率K（m2） 2.47E-102.74E-102.86E-10结论：结论：流体的粘度对增强材料的渗透率有一定影响。流体的粘度对增强材料的渗透率有一定影响。 0500100015002000250000.10.20.30.40.50.6流体流动前峰距起始点的位置x（m）流体流动前峰距起始点的时间t（s）0.7pas0.53pas0.30pas注射流体粘度对流体充模时间的影响 （4） 注射流体种类对增强材料的注射流体种类对增强材料的K影响影响 流体种类 191UP E51+丙酮 真空泵废机油 增强材料 04玻璃布（面密度298g/m2） 铺层数 20 增强材料孔隙率 0.586 环境温度T（） 321919流体粘度（pas） 0.530.550.475注射压力P0(atm) 1.0渗透率K（m2） 2.95E-102.86E-102.97E-10结论：结论：流体的种类或流体的混合方式对增强材料的流体的种类或流体的混合方式对增强材料的K值影响值影响不大，可以忽略。不大，可以忽略。 0500100015002000250000.10.20.30.40.50.6流体流动前峰距起始点的位置x（m）流动前峰距起始点的时间t（s）191#UPE51+丙酮混合物真空泵废机油注射流体种类对流体充模时间的影响 （5 5）增强材料形态对增强材料的增强材料形态对增强材料的K影响影响流体种类流体种类 191UP 增强材料增强材料 0.2玻璃布玻璃布（面密度（面密度142g/m2） 04玻璃布玻璃布（面密度（面密度298g/m2 ）4:1编织布编织布（面密度（面密度659g/m2） 4:1编织布编织布（面密度（面密度659g/m2） 铺层数铺层数 42209（纬（纬4经经1） 9（纬（纬1经经4） 增强材料孔隙率增强材料孔隙率 0.577 0.577 0.579 0.579 环境温度环境温度T（） 24 24 24 23 流体粘度流体粘度（pas） 0.70 0.70 0.7250.725注射压力注射压力P0(atm) 1.0 渗透率渗透率K（m2） 1.61E-102.47E-102.88E-106.61E-10结论：结论：增强材料的形态不同对于增强材料的渗透率有非常大增强材料的形态不同对于增强材料的渗透率有非常大的影响。的影响。 0500100015002000250030003500400000.10.20.30.40.50.6流体流动前峰距起始点的位置x（m）流体流动前峰距起始点的时间t（s）02玻璃布04玻璃布4：1布，纬4经14：1布，纬1经4增强材料的形态对流体充模时间的影响 （6 6）增强材料的种类对增强材料的）增强材料的种类对增强材料的K的影响的影响 流体种类 191UP 增强材料种类04玻璃布（面密度298g/m2） 3K平纹碳布（面密度190g/m2） 铺层数 20 24增强材料孔隙率 0.5900.581环境温度T（） 44流体粘度（pas） 0.72 注射压力P0(atm) 1.0 渗透率K（m2） 3.21E-102.21E-10结论：表明增强材料的种类对于增强材料的渗透率K是有影响。 050010001500200025003000350000.10.20.30.40.50.6树脂流动前峰距起始点的位置x（m）树脂流动前峰距起始点的时间t（s）04#玻璃布3K平纹碳布增强材料的种类与树脂充模时间的关系 RTM一维充模流动RTM一维充模流动试验过程