RTM成型石英纖維-酚醛樹脂細(xì)觀浸潤過程研究.pdf

1、樹脂傳遞模塑(Resintransfermolding，RTM)工藝是一種制造高性能纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的先進(jìn)技術(shù)，具有成本低、成型速度快、產(chǎn)品質(zhì)量好、對(duì)環(huán)境污染小以及能夠制造大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)點(diǎn)，因此在航空、航天和交通運(yùn)輸領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在RTM工藝中，液態(tài)樹脂對(duì)纖維預(yù)制體的充分浸潤是獲得良好性能復(fù)合材料制品的關(guān)鍵。然而，由于纖維預(yù)制體內(nèi)部存在兩種不同尺度的結(jié)構(gòu)單元以及樹脂體系由多種組分構(gòu)成，RTM工藝的浸潤過程十分復(fù)雜。樹

2、脂的宏觀流動(dòng)和微觀流動(dòng)相互耦合并且樹脂組分在增強(qiáng)纖維表面發(fā)生競爭性吸附從而對(duì)RTM成型復(fù)合材料的性能產(chǎn)生重要影響。 溶液浸潤方法是利用高粘度樹脂通過RTM工藝制造高性能樹脂基復(fù)合材料的有效手段。本文研究了溶劑和增強(qiáng)纖維表面硅烷化對(duì)RTM石英纖維/酚醛樹脂復(fù)合材料浸潤過程的影響。結(jié)果表明，在RTM工藝中，酚醛樹脂在石英纖維表面的吸附是動(dòng)態(tài)的非平衡過程，酚醛樹脂和溶劑在纖維表面形成競爭性吸附，從而影響RTM成型復(fù)合材料界面組成和性能

3、。采用不同硅烷偶聯(lián)劑對(duì)石英纖維進(jìn)行表面硅烷化處理不但影響RTM制品層間剪切強(qiáng)度(ILSS)的高低，而且也影響ILSS的均勻性。確定了采用RTM溶液浸潤方法制造石英/酚醛復(fù)合材料的適宜溶劑和表面改性劑。 研究了纖維含量、溶劑、纖維表面硅烷化以及樹脂體系粘度對(duì)酚醛樹脂流動(dòng)過程的影響。SEM研究表明樹脂注射速率是影響RTM成型復(fù)合材料內(nèi)部孔隙形成的重要因素。采用光纖傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測RTM成型石英/酚醛復(fù)合材料的浸潤過程。結(jié)果表明，光纖傳

4、感器具有很高的精度，能夠監(jiān)測樹脂在纖維預(yù)制體內(nèi)部的浸潤過程。研究了纖維表面處理對(duì)二維纖維預(yù)制體滲透率的影響。分析了復(fù)合材料內(nèi)部孔隙形成機(jī)理，采用一個(gè)無量綱的參數(shù)Ca(毛細(xì)數(shù))評(píng)價(jià)注射速率對(duì)RTM制品孔隙含量的影響。 利用漫反射紅外光譜(DRIFT)、紫外光譜(UV)研究了石英纖維在酚醛樹脂溶液中的競爭性吸附機(jī)理。酚醛樹脂在石英纖維表面的吸附行為是酚醛、溶劑和石英纖維表面之間的氫鍵作用相互競爭的結(jié)果。酚醛樹脂在石英纖維表面的吸附行

5、為符合Langmuir吸附等溫線，計(jì)算了酚醛樹脂從不同溶劑中吸附到石英纖維表面的吉布斯自由能變化。測量了石英纖維吸附前后酚醛樹脂溶液的粘度和表面張力變化。熱失重分析(TGA)結(jié)果表明，溶劑在石英纖維表面的競爭性吸附導(dǎo)致酚醛樹脂在RTM復(fù)合材料內(nèi)部分布不均，解釋了溶劑和纖維表面硅烷化對(duì)于復(fù)合材料孔隙率和ILSS的影響。采用X射線光電子能譜(XPS)、電子順磁共振(EPR)技術(shù)研究了氨基硅烷化石英纖維-酚醛樹脂體系的界面反應(yīng)。結(jié)果表明，石英

6、纖維表面氨基官能團(tuán)通過氫鍵作用形成了質(zhì)子化NH3+，溶劑性質(zhì)對(duì)界面反應(yīng)中氨基官能團(tuán)質(zhì)子化程度有重要影響。 對(duì)酚醛樹脂和溶劑在石英纖維表面的競爭性吸附行為進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)模擬，模擬結(jié)果證實(shí)酚醛樹脂在石英纖維表面的氫鍵吸附機(jī)理。 根據(jù)樹脂在RTM工藝中的流體力學(xué)特點(diǎn)，建立了描述RTM工藝細(xì)觀浸潤過程的數(shù)學(xué)模型，采用數(shù)值積分算法對(duì)該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解。分析了各種工藝參數(shù)對(duì)于RTM工藝細(xì)觀浸潤過程的影響。采用CCD攝像機(jī)監(jiān)測RTM