RTM成型石英纤维/酚醛树脂细观浸润过程研究

摘要

树脂传递模塑(Resintransfermolding，RTM)工艺是一种制造高性能纤维增强聚合物基复合材料的先进技术，具有成本低、成型速度快、产品质量好、对环境污染小以及能够制造大型复杂结构构件的优点，因此在航空、航天和交通运输领域得到了广泛应用。在RTM工艺中，液态树脂对纤维预制体的充分浸润是获得良好性能复合材料制品的关键。然而，由于纤维预制体内部存在两种不同尺度的结构单元以及树脂体系由多种组分构成，RTM工艺的浸润过程十分复杂。树脂的宏观流动和微观流动相互耦合并且树脂组分在增强纤维表面发生竞争性吸附从而对RTM成型复合材料的性能产生重要影响。 溶液浸润方法是利用高粘度树脂通过RTM工艺制造高性能树脂基复合材料的有效手段。本文研究了溶剂和增强纤维表面硅烷化对RTM石英纤维/酚醛树脂复合材料浸润过程的影响。结果表明，在RTM工艺中，酚醛树脂在石英纤维表面的吸附是动态的非平衡过程，酚醛树脂和溶剂在纤维表面形成竞争性吸附，从而影响RTM成型复合材料界面组成和性能。采用不同硅烷偶联剂对石英纤维进行表面硅烷化处理不但影响RTM制品层间剪切强度(ILSS)的高低，而且也影响ILSS的均匀性。确定了采用RTM溶液浸润方法制造石英/酚醛复合材料的适宜溶剂和表面改性剂。 研究了纤维含量、溶剂、纤维表面硅烷化以及树脂体系粘度对酚醛树脂流动过程的影响。SEM研究表明树脂注射速率是影响RTM成型复合材料内部孔隙形成的重要因素。采用光纤传感器实时监测RTM成型石英/酚醛复合材料的浸润过程。结果表明，光纤传感器具有很高的精度，能够监测树脂在纤维预制体内部的浸润过程。研究了纤维表面处理对二维纤维预制体渗透率的影响。分析了复合材料内部孔隙形成机理，采用一个无量纲的参数Ca(毛细数)评价注射速率对RTM制品孔隙含量的影响。 利用漫反射红外光谱(DRIFT)、紫外光谱(UV)研究了石英纤维在酚醛树脂溶液中的竞争性吸附机理。酚醛树脂在石英纤维表面的吸附行为是酚醛、溶剂和石英纤维表面之间的氢键作用相互竞争的结果。酚醛树脂在石英纤维表面的吸附行为符合Langmuir吸附等温线，计算了酚醛树脂从不同溶剂中吸附到石英纤维表面的吉布斯自由能变化。测量了石英纤维吸附前后酚醛树脂溶液的粘度和表面张力变化。热失重分析(TGA)结果表明，溶剂在石英纤维表面的竞争性吸附导致酚醛树脂在RTM复合材料内部分布不均，解释了溶剂和纤维表面硅烷化对于复合材料孔隙率和ILSS的影响。采用X射线光电子能谱(XPS)、电子顺磁共振(EPR)技术研究了氨基硅烷化石英纤维-酚醛树脂体系的界面反应。结果表明，石英纤维表面氨基官能团通过氢键作用形成了质子化NH3+，溶剂性质对界面反应中氨基官能团质子化程度有重要影响。 对酚醛树脂和溶剂在石英纤维表面的竞争性吸附行为进行了分子动力学模拟，模拟结果证实酚醛树脂在石英纤维表面的氢键吸附机理。 根据树脂在RTM工艺中的流体力学特点，建立了描述RTM工艺细观浸润过程的数学模型，采用数值积分算法对该数学模型进行求解。分析了各种工艺参数对于RTM工艺细观浸润过程的影响。采用CCD摄像机监测RTM工艺树脂浸润过程，验证了RTM工艺细观浸润过程数值模拟的有效性。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2 RTM工艺国内外研究进展

1.2.1 RTM工艺特点及应用

1.2.2 RTM工艺材料研究现状

1.2.3 RTM工艺数值模拟研究进展

1.2.4 RTM工艺优化研究进展

1.2.5 RTM工艺树脂浸润过程监测研究进展

1.3树脂基复合材料界面研究现状

1.3.1界面结合理论

1.3.2润湿和吸附现象

1.3.3树脂基复合材料界面研究进展

1.4本论文的主要研究内容

第2章实验材料及实验方法

2.1主要实验原料及仪器

2.1.1主要原材料

2.1.2主要测试仪器

2.2石英纤维表面硅烷化处理

2.3 RTM工艺树脂流动过程实验

2.4 RTM工艺复合材料的制备

2.5性能测试及表征

2.6 RTM工艺树脂浸润过程监测

2.6.1光纤传感器的工作原理

2.6.2 RTM工艺树脂浸润过程监测

2.7竞争性吸附过程的分子动力学模拟

第3章RTM石英/酚醛复合材料浸润过程研究

3.1溶剂对石英纤维动态吸附行为的影响

3.1.1石英纤维在酚醛树脂溶液中的吸附曲线

3.1.2溶剂对于单向石英纤维渗透率的影响

3.2表面硅烷化对石英纤维吸附过程的影响

3.2.1石英纤维的表面硅烷化处理

3.2.2表面硅烷化对石英纤维动态吸附性能的影响

3.2.3表面硅烷化对接触角和表面能的影响

3.3 RTM工艺树脂流动过程研究

3.3.1纤维含量对于树脂流动过程的影响

3.3.2溶剂对于树脂流动过程的影响

3.3.3表面硅烷化对于树脂流动过程的影响

3.4 RTM工艺树脂浸润过程监测

3.4.1树脂粘度对RTM工艺浸润过程的影响

3.4.2纤维含量对RTM工艺浸润过程的影响

3.5表面处理对RTM纤维预制体渗透率的影响

3.6 RTM石英/酚醛复合材料性能研究

3.6.1溶剂对复合材料孔隙含量和ILSS的影响

3.6.2表面硅烷化对复合材料孔隙含量和ILSS的影响

3.7 RTM石英/酚醛复合材料制品孔隙形成机理

3.7.1 SEM观察

3.7.2 RTM石英/酚醛复合材料孔隙含量定量分析

3.7.3金相显微镜观察

3.8本章小结

第4章石英/酚醛体系界面竞争性吸附研究

4.1酚醛树脂的组成

4.2酚醛一溶剂在石英纤维表面的竞争性吸附

4.2.1漫反射红外光谱分析

4.2.2酚醛树脂溶液的紫外光谱分析

4.2.3酚醛树脂溶液表面张力和粘度变化

4.2.4石英纤维吸附等温线

4.2.5热失重分析

4.3石英/酚醛树脂体系的界面反应

4.3.1 XPS研究

4.3.2电子顺磁共振分析

4.4酚醛/溶剂体系竞争性吸附过程分子动力学模拟

4.4.1酚醛树脂在石英纤维表面吸附机制

4.4.2溶剂对酚醛分子吸附的影响

4.4.3表面硅烷化对酚醛在石英纤维表面吸附的影响

4.5本章小结

第5章RTM工艺细观浸润过程数值模拟

5.1数学模型

5.2模型求解

5.3算例分析

5.4实验验证

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明及哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历