VARTM工艺玻璃纤维增强不饱和聚酯复合材料的制备与性能研究

摘要

玻璃纤维增强不饱和聚酯复合材料具有比强度高、比模量大、价格低等特点,近30年来其应用得到持续发展。真空辅助树脂传递模塑(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding,简称 VARTM)是制备先进高性能且低成本的复合材料液体模塑成型(Liquid Composite Molding,简称LCM)技术,是一种环境友好型的制作大尺寸复杂结构并能够一次性成型带有加筋、夹芯、预埋件的大型构件的理想工艺。该工艺技术中真空负压不仅为树脂的充填流动提供了驱动力,而且还排出了纤维织物增强材料及模腔内的气体和水分,减少了制品中的孔隙等缺陷,可生产出综合性能优良的复合材料制件。
　　本课题对 VARTM工艺制备玻璃纤维增强不饱和聚酯复合材料进行了较为系统的实验研究,探讨了工艺参数对树脂充填浸润以及复合材料板制品各项力学性能的综合影响,为缩短成型周期、提高制品质量提供了参考依据。本论文的主要内容和结果如下:
　　首先,自行设计并搭建了开展 VARTM工艺实验研究的装置平台;对使用的辅助材料及设备进行了相关介绍;并详细描述了 VARTM工艺的主要过程,从模具准备、织物铺放、模腔密封到最终脱模修整。其中,模具的密封是VARTM工艺过程中的重点及难点,密封的好坏直接影响树脂充填过程,并进一步影响制品的质量。
　　其次,对本课题中使用的 TH110-350R双酚 A改性不饱和聚酯乙烯基树脂进行了较为全面的凝胶实验研究,分析了其动态粘度特性、等温粘度特性以及温度对其凝胶特性的影响,从而为 VARTM工艺的顺利开展奠定了基础。除此之外,对复合材料的浸润性能的测试方法进行了概述,包括试样的密度、树脂的质量含量、纤维体积分数及孔隙率等。对复合材料的拉伸、弯曲及冲击这三个力学性能的测试方法进行了归纳;介绍了试验参照的标准及原理、试样的制备、试验过程及结果计算。
　　最后,在不同的导流介质尺寸、压实时间、真空压力、纤维层数和纤维织物编织方式的情况下,通过 VARTM工艺分别制备了玻璃纤维增强不饱和聚酯复合材料板,并对其进行了纤维体积分数、孔隙率等浸润性能以及包括拉伸、弯曲、冲击在内的力学性能测试,研究并分析了 VARTM工艺参数对复合材料板性能的影响。通过实验得出了最优的工艺参数条件,即在导流介质尺寸为250mm×270mm、压实时间为15min、真空压力为-98kPa的情况下,制品的综合性能较佳,并且成型时间较为合理;单轴向纤维织物的拉伸、弯曲和冲击等力学性能均最好,双轴向(±45°)织物的力学性能相对最差,而双轴向(0°/90°)织物的综合力学性能较好,根据工程应用中对复合材料制品强度等性能的具体要求来选用纤维织物相应的编织方式和铺层设计,以满足工程要求。

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第一章 绪论

1.1 复合材料的发展历史

1.2 VARTM简介

1.3 纤维增强复合材料的性能综述

1.4 本论文的主要内容

1.5 本章小结

第二章 真空辅助树脂传递模塑(VARTM)实验

2.1 VARTM实验辅助材料

2.2 VARTM实验设备

2.3 VARTM实验过程

2.4 本章小结

第三章 测试方法

3.1 VARTM工艺用乙烯基树脂的凝胶测试

3.2 纤维体积分数及孔隙率的测试

3.3 拉伸性能测试

3.4 弯曲性能测试

3.5 冲击性能测试

3.6 本章小结

第四章 VARTM工艺参数对玻璃纤维增强不饱和聚酯复合材料性能的影响

4.1 导流介质对复合材料板性能的影响

4.2 压实时间对复合材料板性能的影响

4.3 真空压力对复合材料板性能的影响

4.4 纤维层数对复合材料板性能的影响

4.5 纤维织物编织方式对复合材料板性能的影响

4.6 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录

攻读学位期间的研究成果