基于RTM的三明治型復合板材加工與性能測試

賈立霞 陳振宏 劉君妹 田 飛

(河北科技大學，河北石家莊，050018)

樹脂傳遞模塑(Resin Transfer Molding，以下簡稱RTM)是在一定壓力下注膠、在密閉容器(模具)中低壓成型的復合材料生產方法[1]，近年來在輕量化能源發展趨勢下，被廣泛應用于航空航天、交通運輸等領域。RTM工藝對形狀結構復雜及中大型零件的制造成本相對較低，且由于RTM是一個封閉的成型過程，因此其具有較好的表面結構和外觀。RTM的優勢是它可以通過改變纖維體積分數，從而改進結構的工藝參數。又由于通常使用高剛性的鋼作為模具，即使在較高壓力注射的情況下，依然可以得到光滑的表面及高精度的復雜構件[2]。本文采用RTM工藝加工新型三明治型復合板材，并與手糊成型的板材進行性能測試對比分析。

1 增強預制件的織造加工

三維間隔機織物復合材料是一種新型的紡織結構復合材料，增強體為三維間隔機織物，是一種整體織造成型、層與層之間紗線相連，呈中空的紡織結構。這種復合材料具有強度高、隔熱性和抗沖擊性好、可設計性強、整體性能優異等特點[3]。考慮到三維間隔機織物特殊的紗線交織結構，具有靈活多尺度可設計性，可以通過改變纖維種類、紗線線密度、經緯密等來滿足織物的不同力學性能[4]。本文選取間隔機織物為增強體，內部填充泡沫材料制成增強預制件。

1.1 增強體原料選擇及結構設計

考慮到纖維原料的可織造性能，本試驗預制件的纖維原料采用高強低伸的工業滌綸長絲，長絲規格為111.11 tex/192 F。織造設備選用Y200S型電子小樣織機。為了降低設計和生產織造難度，盡量減少對織物力學性能影響，并保證織物表面的平整，本文選擇平紋組織作為織物的面層組織。地經紗和接結經紗的設計比列為14∶2，織物的經緯密均為80根/10 cm，上下兩層織物之間的接結紗高度為1.2 cm，接結紗間距為1 cm，織物的規格分別為36 cm×23 cm，23 cm×23 cm(織物的規格尺寸根據后續填充復合模具的尺寸而定)。間隔機織物增強體成品如圖1所示。

圖1 間隔機織物增強體經向視圖

1.2 增強預制件的加工

用自行設計的模具將待填充的間隔機織物固定在36 cm×16 cm×1.2 cm的模具中，保證上下面層平整，且使間隔空腔充分打開，便于泡沫填充，織物在模具中的狀態如圖2所示。填充材料選用聚氨酯泡沫，根據反復填充經驗，填充密度選為0.09 g/cm3，黑白料配比為1∶1，兩種原料混合后經高速攪拌，注入填充模具中，實現間隔機織物的發泡填充。

2 間隔機織物板材復合成型工藝

復合材料的成型工藝系統相對比較復雜，必須滿足對制品尺寸、形狀要求，低成本成型是近年來復合材料發展的主要趨勢之一。目前應用較廣泛的工藝包括手糊成型、真空袋壓成型、模壓成型、RTM成型和熱壓罐成型等[5-6]。不同的制造工藝導致材料內部結構和力學性能存在差異。

對于間隔機織物復合板材大多采用手糊成型方法，雖然成本較低，但容易造成涂敷不勻影響復合板材質量和整體性能；由于板材厚度較大，中間填充聚氨酯泡沫材料，樹脂浸潤不充分，復合時不能一步成型，需將板材的兩個織物表面逐一復合，加工的板材性能一致性較差。根據板材的形狀和性能要求，本文選擇使用真空輔助RTM工藝對泡沫填充的間隔機織物進行板材復合。在工藝設計中考慮到聚氨酯泡沫的熔點溫度及樹脂的流動性問題，合理選擇注膠、固化的溫度和時間，加工制得表面平整、纖維與樹脂充分結合、整體性能良好的新型三明治復合板材。

2.1 試驗原料

綜合考慮RTM成型工藝的技術要求以及增強材料與樹脂的相容性、浸潤性，選擇環氧樹脂E51作為樹脂基體，配套使用環氧專用固化劑、環氧樹脂專用促進劑，并按照一定比例均勻混合。此外，還有內、外脫模劑以及真空輔助用氣體干燥瓶(酸、堿、干燥劑)等材料。

2.2 復合工藝流程

真空輔助RTM成型工藝流程如下。

(1)模具準備。清理模具后擦拭脫模劑，然后預熱模具。

(2)充模。將切割整齊的間隔機織物預制件鋪入模具，安裝密封條，密封模具。

(3)抽真空。避免模具中空氣的包裹形成氣泡。

(4)注膠。為保證樹脂對增強纖維的浸潤以及復合均勻充分，進行了三次循環注膠,注膠時間為20 min。

(5)固化。固化溫度選擇80 ℃、2 h，100 ℃、3 h，120 ℃、3 h。

(6)開模。固化完成后打開模具，取出成型后的板材。

RTM 工藝成型過程中為了使樹脂能夠充分在纖維增強材料中填充流動和浸潤，要求所采用的樹脂體系工藝操作窗口(低黏度平臺時間)不小于 30 min[7]，本試驗注膠溫度設定60 ℃，此時樹脂流動性最佳，黏度200 mPa·s。

手糊成型又稱接觸成型工藝，是手工作業把填充完聚氨酯泡沫的增強體與樹脂黏結，然后固化成型的工藝[7]，樹脂配比以及固化溫度選擇與上述RTM工藝相同，根據增強預制件用紗量及板材體積，計算得出兩種方法加工的板材纖維體積含量均為2%(滌綸長絲密度1.38 g/cm3)。

3 復合板材力學性能測試與分析

3.1 彎曲性能測試與分析

材料彎曲性能測試的執行標準為 GB/T 1456—2005《夾層結構彎曲性能試驗方法》。試樣規格160 mm×30 mm，試驗儀器UTM5105型電子萬能試驗機，測試速度2.0 mm/min，定位移2 cm，每種板材測試3塊試樣，測得間隔機織物復合板材最大抗彎曲載荷，試驗結果如下所示。其中，手糊成型的方差18.35，RTM成型方差762.96。

成型方法 手糊成型 RTM成型

試樣1/N 49.12 138.60

試樣2/N 56.29 202.58

試樣3/N 59.34 189.65

平均值/N 54.92 176.94

測試過程中觀察板材的彎曲情況，兩種不同成型方法的復合板材彎曲過程近似。初始階段，板材在彎曲載荷作用下整體發生彈性形變，上表面主要承受壓應力，下表面主要承受拉應力[8]，曲線呈現出明顯的線性關系，該階段屬于彈性變形區；當板材上層面板壓縮變形達到極限，面板與芯體發生分層破壞，板材進入屈服區；當上層面板彎曲，撓度到達一定值，板材遭到彎曲破壞，載荷達到最大，即為材料破壞載荷[9]。隨著位移的增加載荷緩慢下降，呈現非線性或塑性彎曲,板材失效。由于板材中的接結紗樹脂柱連接上下兩層面板，并與芯體材料協同作用，共同承受彎曲載荷的作用，曲線呈平緩下降的趨勢，說明板材整體未發生瞬間破壞。當載荷消失后，變形會逐漸恢復[10]。兩種板材的彎曲測試曲線如圖3所示，板材彎曲形態如圖4所示。

雖然兩種成型工藝復合的板材均沒有發生完全斷裂破壞，但RTM復合成型的板材所能承受的彎曲載荷以及彈性模量遠大于手糊成型板材。這是因為彎曲過程中主要承受載荷的是面層的基體材料，而 RTM真空輔助成型工藝中，增強體預制件在真空加壓狀態下進行循環注膠，這種加工方法使樹脂較容易滲透到面層織物內部，使樹脂與填充材料黏結或與接結紗結合形成樹脂柱。此外，材料上下層面板的樹脂分布均勻，使板材的整體性能得到加強，從而提高復合板材的抗彎曲性能。手糊成型的間隔機織物板材氣泡較多，表面平整度較差，其孔隙率也比較大，表面厚度不均勻，同等重量的樹脂，由于手糊成型過程中沒有外力載荷壓迫，樹脂基本黏附在織物表面，使得成型板材表面有過多樹脂剩余，富余的樹脂會導致復合材料整體性能降低。

圖3 兩種復合板材的彎曲載荷-位移曲線

3.2 壓縮性能測試與分析

材料壓縮性能測試的執行標準為 GB/T 1453—2005《夾層結構或芯子平壓性能試驗方法》。試驗儀器采用UTM5105型電子萬能試驗機，試樣規格60 mm×60 mm，測試速度1.0 mm/min,每種板材測試3塊試樣。對兩種成型工藝所得復合板材分別進行壓縮測試，定位移4 mm，最大位移時壓縮力如下所示，壓縮位移-載荷曲線如圖5所示。其中，手糊成型板材方差2 117.15，RTM成型板材方差7 951.28。

成型方法 手糊成型 RTM成型

試樣1/N 600.88 5 897.11

試樣2/N 697.26 5 719.34

試樣3/N 598.47 5 698.32

平均值/N 632.20 5 771.59

圖5 兩種復合板材的壓縮載荷-位移曲線

由圖5曲線可知，不同成型方法的間隔機織物復合板材壓縮性能顯著不同。RTM工藝復合板材在承受壓縮載荷過程中，呈現明顯的階段性變化。受力初始階段，載荷與變形之間呈現出明顯的線性關系，反映了填充材料和接結紗樹脂柱的彈性性能和填充泡沫的強度特性，這一階段外力消失后材料完全能夠恢復到原來的形狀。第二階段為屈服區，曲線變化趨勢緩和，這是由于填充材料失穩，接結紗樹脂柱受力彎曲變形，材料發生緩沖吸能。第三階段為壓實區，填充聚氨酯泡沫被載荷壓垮后，板材進入壓實區，載荷迅速增大。曲線進入彈性區之前有一小段的屈服，這是因為板材表面粗糙，在壓縮過程中板材上表面先受到平壓載荷作用，再發揮填充泡沫和接結紗樹脂芯柱的彈性性能。手糊成型板材在較小力值下迅速變形，彈性模量較小。由圖5可知，隨著位移的增加，載荷雖呈上升趨勢，幅度較小，但位移增加載荷繼續增大，壓縮后失效板材如圖6所示。

分析其原因：主要因為手糊法得到的復合板材填充的聚氨酯泡沫與接結紗之間黏結強度較低，樹脂復合工藝中，沒有外力載荷的作用，不利于樹脂的滲透。承壓的主要是中間填充的泡沫，泡沫被擠壓逐漸裂開，與接結紗分離，影響復合板材的整體性能。RTM復合板材的內部接結紗與樹脂，聚氨酯泡沫三者結合后，形成樹脂柱，承壓的主要是樹脂柱與泡沫協同作用，泡沫為接結紗樹脂柱提供橫向支持，阻止其在壓縮載荷下發生彎曲而失效；垂直樹脂柱為泡沫提供穩定性，防止板材因泡沫坍塌而失效，使得板材整體具有良好的抗壓性能。

4 結論

(1)對于厚度為1.2 cm的泡沫填充增強預制件，可以采用RTM工藝進行復合，制得新型三明治復合板材。

(2)RTM工藝復合板材在成型工藝中，采用真空壓力注膠，加強了樹脂與聚氨酯泡沫結構以及接結紗之間的結合牢度，相比手糊工藝得到的復合板材具有更好的整體穩定性、抵抗彎曲和壓縮載荷的能力，也反映了較好的彈性模量。兩種板材在彎曲和壓縮載荷作用下均不存在面芯層剝離現象和災難性失效形式，板材的受損過程是漸變的，RTM復合板材可在較大載荷下較長時間保持結構整體性。