纤维复合材料预制件渗透率的结构相关性建模

摘要

20世纪中期出现的聚合物基复合材料，具有轻质高强、耐疲劳、多功能、易成型等多方面的性能优势，在航空航天、交通运输、建筑化工、机械制造、体育军械等行业或领域得到广泛而深入的应用。近年来，在“大型飞机”国家重大专项和材料技术“结构功能复合化”发展趋势的大背景下，树脂传递模塑工艺（ResinTransfer Molding，简称RTM）作为复合材料先进制备技术之一，因其整体化、低成本、净尺寸的制造优势而受到人们的普遍重视，极具应用前景。但在其制品中经常会出现干斑、孔隙等浸润缺陷，影响产品的质量和性能。
　　 RTM制品中浸润缺陷的形成和纤维预制件的渗透性能密切相关。作为表征纤维预制件渗透性能的物理量，渗透率是其重要性能参数之一，是计算分析流体在预制件中的浸润行为，进而预测浸润缺陷形成与分布所不可或缺的关键参数。它是由纤维预制件结构决定的函数。因此，探索预制件渗透率与其结构参数之间的相关性，建立描述两者之间关系的数学模型，具有重要的理论意义和巨大的应用价值：既能揭示纤维预制件结构-渗透性能之间的定量关系；又可以据此计算分析树脂在预制件中的浸润行为，预测充模时间和制品缺陷的形成与分布，进而提高生产效率、改善复合材料制品的质量和性能；还可以用来指导纤维预制件的设计、制备和使用，充分发挥复合材料的可设计性优势。
　　 本文首先研究综合性能表现优异、在实际中广泛使用的无弯曲织物(NonCrimp Fabrics，简称NCF)预制件的渗透率。通过分析NCF的结构特点，构建了反映其结构特点的单胞模型，应用流体在纤维束内部和纤维束之间的耦合流动模型描述了树脂在预制件中的流动行为，结合Darcy定律，建立了NCF渗透率的数值计算模型并进行了验证。在此基础上，应用该模型研究了NCF渗透率与其结构参数的相关性，并结合局部灵敏度分析方法讨论了各结构参数对渗透率的影响程度，结果发现：1）NCF渗透率随纤维束渗透率的增加而增加，但纤维束渗透率对NCF渗透率影响程度较小；2）NCF渗透率随着纤维束宽度的增加而减小，随着纤维束高度的增加而增大，随着纤维束椭圆形边缘长半轴长度的增加而增大，三者对NCF渗透率影响都比较明显；3）NCF渗透率随着纤维束之间距离的增大而增大，它对渗透率大小的影响非常明显；4）NCF渗透率随缝线半径的增大而减小，而且在纤维束之间距离较大时减小的程度相对较大，但总的来说缝线尺寸的变化对NCF渗透率的影响程度较小；5）NCF渗透率随法向压缩程度的增大而减小，且减小的幅度很大，即NCF法向压缩程度对其渗透率的影响非常显著。
　　 在上述结论的基础上，对NCF的结构进行了简化，应用理论分析方法推导出两个不同的渗透率计算模型。其中一个模型基于对Stokes方程（描述树脂在纤维束之间空隙中的流动行为）的解析求解，记为模型Ⅰ；另外一个模型基于微管流动Poiseuille数的计算公式，记为模型Ⅱ。通过模型Ⅰ、Ⅱ以及数值计算模型之间的比较分析，发现由于在推导模型Ⅰ的过程中忽略了纤维束形状对NCF渗透率的影响，其结果不太合理，而模型Ⅱ揭示了NCF渗透率与其纤维束尺寸、形状、纤维束之间距离、纤维束本身渗透率等因素之间的关系，且和数值计算模型所得结果具有良好的一致性，可用于NCF预制件的渗透率计算、RTM充模过程分析和浸润缺陷预测。
　　 在获得NCF渗透率的理论计算模型后，本文结合平纹织物、斜纹织物以及缎纹织物等复合材料预制件的结构特点，通过一定的近似处理，将该模型推广到这些预制件的渗透率计算上。