高性能复合材料树脂传递膜技术RTM研究.pdf

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1、第1 期2 0 0 5 年3 月纤维复合材料F m E RC o(埏渭I E sN o 15 0M a r，2 0 0 5高性能复合材料树脂传递膜技术(R T M)研究邓杰(西安航天复合材料研究所，7 1 0 0 2 5)摘要树脂传递模塑法(R T M)是一种低成本、效益好的复合材料成型工艺。研究了R T M 用树脂体系、预成型技术、成型模具、成型工艺以及R T M 在航空航天领域的应用。关键词树脂传递模塑法，复合材料，成型工艺，应用T e c h n o l o g yo fH i g hP e r f o r m a n c eC o m p o s i t eR e s i nT r a

2、 n s f e rM o u l d i n gD e n gJ i e(A e r o s p a c eC o m p o s i t e sR e s e a r c hI n s t i t u t eX i a n，7 1 0 0 2 5)A B S T R A C TR e s i nT r a n s f e rM o u l d i n g(R T M)i sa ne s t a b l i s h e dp r o c e s sf o rm a m t f a c t u r i n gp o l y m e rm a t r i xc o m p o s i t e s

3、w i t hl o wc o s ta n dh i i g hb e n e f i t T h i sp a p e rr e v i e w e dr e s i nm a l l i Xs y s t e m，t e c h n o n g yo f p r e p r o c e s s，p r o c e s s i n gm o u l d，p r o c e s s i n ga n da p p l i d a t i o no fR T Mt oa v i a t i o na n da e r o s p a c ei n d u s t r y K E Y W O R

4、 D SR T M，c o m p o s i t e，p r o c e s s i n g，a p p l i c a t i o n1 前言目前，高性能复合材料的低成本制造技术成为复合材料研究领域中令人瞩目的新发展动向，它打破了长久以来高性能复合材料必然具有高制造成本的惯例，为高性能复合材料开辟了广阔的应用领域，R T M 工艺正是在这二思想指导下出现的复合材料制造工艺。它采用低粘度树脂注入闭合模具中，树脂流动，浸润已合理铺放好或预成型的增强材料，并固化成型。与其它传统复合材料生产技术相比，R T M 有许多优点：能够制造高质量、高精度、低孔隙率、高纤维含量的复杂复合材料构件，无需胶衣树

5、脂也可获得光滑的双表面，产品从设计到投产时间短，生产效率高。R T M 模具和产品可采用C A D 进行设计，模具制造容易，材料选择广。R T M 成型的构件与管件易于实现局部增强以及局部加厚，带芯材的复合材料能一次成型。R T M 成型过程中挥发份少，有利于劳动保护和环境保护。2 国内外研究概况、水平和发展趋势2 1R T M 用树脂体系聆刈R T M 对基体树脂工艺性的要求为：室温或工作温度下具有低的粘度(一般应小于1 0 P a s)及一定的贮存期(如t 4 8 h)；树脂对增强材料具有良好的浸润性、匹配性、粘附性；树脂在固化温度下具有良好的反应性，且后处理温度不应过高(如T 2 0 0

6、 0 C)；树脂从凝胶化、固化到脱模的时间较短；固化时发热量少。适用于R T M 工艺的基体树脂主要包括环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、酚醛树脂和氰酸酯树脂等。2 1 1 环氧树脂由于环氧树脂具有良好的工艺性，对成型温度和成型压力要求较低，因而是目前应用最多的高性能复合材料基体树脂。但为了应用于R T M 工艺，尚需对树脂体系进行改性，较常用的方法是加入低粘度固化剂或环氧稀释剂，以获得低粘度和较长的适用期。C i b aG e i g y 公司早期开发的A r a l d i t eM Y7 2 0和M Y7 2 1 树脂，是较早应用于高性能复合材料的基体树脂之一，但该树脂粘度较高，不适用于R T

7、 M 工艺。在体系中加人液体酸酐H Y9 1 7 做固化剂，树脂粘度下降，贮存期延长，但酸酐作固化剂与K e v l a r 纤维的相容性较差。为此，又选用了低粘度多官能度的环氧化合物作稀释剂，配制成A r a l d i t eL Y5 2 1 0 树脂，并以液态芳胺H Y9 3 2 为固化剂，D Y2 1 9 为促进剂，该体系在2 5 下粘度只有0 3 P a s，适用期达2 4小时(h)，可R T M 成型。除了T G M D A 之外，某些其它类型的多官能环氧树脂体系也适用于R T M 工艺。我国开发的适用于R T M 工艺的多官能环氧树脂体系有：T D E8 5 环氧一马来酸酐体系；

8、T D E8 5 环氧一D D S、B F 3 M E A 体系。S h e l l 化学公司利用双酚F 二缩水甘油醚树脂D P L8 6 2 和芳香胺固化剂R S C7 6 3开发了适用于R T M 工艺的另一树脂体系，该体系制 万方数据l 期邓杰：高性能复合材料树脂传递膜技术研究品具有良好的韧性和较高的耐热性；此外，该公司还开发成功了可R T M 成型的E P O N H P T1 0 7 1，该树脂体系的耐湿热性能很好。美国聚合物公司的E 9 0 5R T M 为二组分环氧树脂体系，在7 0 下粘度为2 0 05 0 0 m P a S，可稳定保留8 h 以上，在1 7 7 固化后，干态

9、耐热温度为1 5 0，湿态为1 2 0。C。用该树脂制得的复合材料在2 3 下的性能为：拉伸强度8 9 0 M P a，拉伸模量6 6 G P a，压缩强度7 8 6 M P a，压缩模量6 5 G P a，层间剪切强度7 4M P a，压缩强度5 2 4 M P a，压缩模量6 6 G P a。2 1 2 双马来酰亚胺(B M I)B M I 树脂既有聚酰亚胺的耐高温、耐辐射、耐湿热等多种优良特性，又有类似于环氧树脂的易加工性，因此成为人们发展新基体树脂的首选目标。北京航空工艺研究所开发成功的Q Y8 9 11 4 型树脂为单组分体系，不含活性稀释剂，在1 0 5 1 2 0 1 2 时，粘

10、度为0 1 4 0 6P a s。西北工业大学的4 5 0 3 型树脂是为R T M 工艺制造高性能雷达罩专门研制开发的B M I 基体树脂，它具有传递温度低(2 5)、适用期长(t 4 0 h)、传递压力小(13M P a)、成型温度低(8 0 1 2 0。C)、反应性好等优点，其固化物耐热性能、力学性能和介电性能优良。此外，鉴于其常温下很低的粘度(1 F3 加减速段纤维纱的消耗(1 0)由公式(2)可知，纤维在加减速段的轨迹线为一条抛物线，根据抛物线弧长的计算公式：=4,-砑x 1 2+y 2+笔l I l2 x+，、乒4 x 2+y Z )利用公式(1 1)可求得纤维纱的用料。4 结论根

11、据以上计算推导可知：(1)加速段长度与芯模直径成正比，与纤维在模具表面的摩擦系数成反比；(2)力1 3 速度长度与缠绕角的余切的平方成正比，可理解为缠绕角越大，加速段越小；(3)在实际工程中，既可以根据芯模直径、树脂纤维体系、缠绕角来确定加减速段的最小长度，也可以在确定加减速段的长度、芯模直径、树脂纤维体系后，通过调整缠绕角来保证不滑纱。院学报，2 0 0 2，1 7(1)：7 0 7 46 刘谦三维编织复合材料的弯曲和压缩性能探讨研究 J 材料工程，2 0 0 0，(8)：1 67M a r kW a d i sW o r t h R e s i nT r a n s f e rM o u

12、l d i n go fC o m p o s i t e sS t r u c t u r eA e r o s p a c eE n g i n e e r i n g。1 9 8 9，1 2：2 3 2 68 李萍，陈祥宝等R T M 技术的发展及在航空工业中的应用1 9 9 8，l：4 6 4 89 于伯龄，姜胶东实用热分析 M 北京：纺织工业出版社，1 9 9 0 1 6 3 1 7 6l O 肖翠荣，唐羽章复合材料工艺学长沙：国防科技大学出版社，1 9 9 0 1 0 3 3 4 51 1N a s h I-IC C o a l i n g P l a s tC h e m，1 9

13、 7 9，4 6：8 7 7 8 9 01 2 黄家康复合材料成型技术化学工业出版社1 3R a y m o n dC l e s z e w s k U SP a t e n t2，1 3 9，6 2 8 A，1 9 8 41 4Y a m a m o t oY 3 0t hN a t i o n a lS A M P ES y m p o s i u m，1 9 8 5，9 0 31 5S h a wSJ h a tA d h e s i o n&A d h e s i v e s，1 9 8 5，1 2 3 1 2 61 6S t e n z e n b e r g e rHD 2 9t

14、 hN a t i o n a lS A M P ES y m p o s i u m。1 9 8 4，1 0 4 31 7 梁国正，顾媛娟等双马来酰亚胺树脂北京：化学工业出版社，1 9 9 7：1 2 3 4 1 2 3 61 8 董永祺玻璃钢，1 9 9 8，l：3 2 3 61 9 顾宜，鲁在君等工程塑料应用，1 9 9 5，2 3(2)：1 32 0 高文，冯志梅宇航材料工艺，1 9 9 8，4：5 3 5 5 万方数据高性能复合材料树脂传递膜技术(RTM)研究高性能复合材料树脂传递膜技术(RTM)研究作者：邓杰，Deng Jie作者单位：西安航天复合材料研究所,710025刊名：纤维

15、复合材料英文刊名：FIBER COMPOSITES年，卷(期)：2005，22(1)引用次数：7次 参考文献(20条)参考文献(20条)1.赵玉庭 复合材料聚合物基体 19962.Stenzenberger S J 查看详情 19803.柳志欣 TDE85#树脂的合成与应用 1983(01)4.吴晓青 用差示扫描量热法研究改性双马树脂的固化过程 2001(02)5.吴晓青 用RTM法复合三维整体编织预制件 2002(01)6.刘谦 三维编织复合材料的弯曲和压缩性能探讨研究期刊论文-材料工程 2000(08)7.Mark Wadis Worth Resin Transfer Moulding o

16、f Composites 19898.李萍.陈祥宝 RTM技术的发展及在航空工业中的应用期刊论文-19989.于伯龄.姜胶东 实用热分析 199010.肖翠荣.唐羽章 复合材料工艺学 199011.NashH C 查看详情 197912.黄家康 复合材料成型技术13.Raymond Closzewsk 查看详情 198414.Yamamoto Y 30 th National SAMPE Symposium 198515.Shaw S J Int Adhesion&Adhesives 198516.Stenzenberger H D 29 th National SAMPE Symposium

17、 198417.梁国正.顾媛娟 双马来酰亚胺树脂 199718.董永祺 查看详情 199819.顾宜.鲁在君 查看详情 1995(02)20.高文.冯志梅 查看详情 1998(04)相似文献(10条)相似文献(10条)1.期刊论文 吴晓青.李嘉禄.杨彩云 聚芳基乙炔在RTM工艺中的应用探索-航空制造技术2004,(7)论述了聚芳基乙炔树脂的合成及固化过程,从结构本身分析了碳/PAA复合材料的成碳率、耐烧蚀性、吸湿性、烧蚀破坏原因等.该材料适用于RTM成型工艺.2.会议论文 王斌.杨建奎.李锵.张翔 RTM用环氧树酯配方研究 1998 介绍了用的环氧树脂体系，它主要由双酚环氧、胺类固化剂和其它助

18、剂所组成。该树脂体系在常温下粘度低、贮存稳定性较好，能满足工艺要求，并且固化周期较短，树脂具有较好的浇注力学性和界面浸润性。3.会议论文 申明霞.张建钟.张先波 立体编织复合材料RTM成型工艺的研究 1998 该文是关于采用成型工艺制备立体编织物复合材料试样，并对影响编织物成型工艺的因素进行了分析试验，制得了低空隙率的立体编织复合材料。4.学位论文 李文晓 树脂传递模塑法制备三维机织结构复合材料的研究 2000 对树脂传递模塑成型三维纲织结构复材料的偏轴充模流动的数值模拟是该文的一个研究重点.作者基于各向异性多孔介质中的达西定律,建立了二维宏观流动模型.对三维机织物内的偏轴渗流采用单元局部坐标

19、系进行计算,在固定网格上用有限无/控制体法对三维机织复合材料的树脂传递模塑成型充模过程进行了数值模拟.对各向异性材料的单、双点充模过程进行了计算和试验验证.试验与模拟结果吻合较好.此外,作者选用径向流动测量法各向异性预制件的渗透率.在工艺研究方面,作者用自制的设备和模具对玻璃纤维增强三维机织物不饱和聚酯复合材料进行了RTM成型,并研究了充模过程中三维机织物内的偏轴渗流和 气泡的形成机理.5.期刊论文 王瑞.刘丽妍.郭兴峰 亚麻纤维毡/不饱和聚酯树脂复合材料成型工艺研究-天津工业大学学报2004,23(3)采用真空辅助树脂传递模塑法(VARTM)制取了亚麻纤维毡增强不饱和聚酯树脂复合材料,研究其

20、成型工艺,分析了在成型过程中的树脂导入方法和树脂流动性,通过大量试验找出一种较为合适的树脂注入方式,制备出了性能良好的复合材料板材.6.期刊论文 刘丽妍.王瑞.焦晓宁.郭兴峰 亚麻针刺毡/不饱和树脂复合材料的制备与研究-玻璃钢/复合材料2004,(2)本文主要研究了亚麻纤维非织造物作为复合材料的增强体,采用真空辅助树脂传递模塑法(VARTM)与不饱和树脂复合成板材.最后对复合材料板材进行拉伸性能测试和力学性能比较.7.期刊论文 王瑞.张梅.王广峰.刘丽妍 亚麻纤维毡增强复合材料及其性能分析-天津工业大学学报2003,22(4)采用针刺无纺布的加工方法制作了亚麻纤维毡,通过真空辅助树脂传递模塑法

21、复合固化了亚麻纤维毡增强树脂复合材料,并与玻璃纤维布增强树脂复合材料进行了拉伸与弯曲性能对比.利用扫描电镜对试样断口形貌进行了观察,考证和分析了亚麻纤维针刺无纺布增强复合材料的破坏机理与力学行为.研究结果可为进一步开发亚麻纤维增强复合材料提供理论依据和基础数据.8.期刊论文 赵磊.俞建勇.刘丽芳.罗永康.ZHAO Lei.YU Jian-yong.LIU Li-fang.LUO Yong-kang 黄麻纤维毡增强复合材料的力学性能研究-山东纺织科技2008,49(5)文章对黄麻纤维进行表面处理,并制作纯黄麻纤维以及与碳纤维混杂的针刺毡;采用真空辅助树脂传递模塑法制备黄麻纤维毡增强乙烯基树脂复合

22、材料,并测试其力学性能.结果表明:碱处理和双氧水处理后黄麻纤维表面杂质被去除,复合材料的界面性能得到改善,综合力学性能得到提高;黄麻/碳纤维混杂增强复合材料的拉伸性能提高更为显著,拉伸强度和拉伸模量比未处理纤维毡增强复合材料分别增加了146.2%和43.6%,但其弯曲性能却低于其他两种处理后的黄麻增强复合材料.9.期刊论文 赵磊.俞建勇.高晶.Zhao Lei.Yu Jianyong.Gao Jing 黄麻纤维毡的表面处理及其增强复合材料的力学性能-产业用纺织品2009,27(7)用3种不同的化学处理剂,碱、KMnO4和A-151硅烷偶联剂分别对黄麻纤维针刺毡表面进行处理,采用真空辅助树脂传递

23、模塑法制备黄麻纤维毡增强乙烯基酯树脂复合材料.借助动态接触角分析了黄麻纤维的表面能变化,并通过SEM观察了纤维表面和复合材料的拉伸断裂面.研究结果表明:经表面处理后,黄麻纤维表面能有所降低,纤维表面的微观结构发生变化,纤维与树脂的界面相容性得到改善,综合力学性能提高.经A-151硅烷偶联剂处理后,复合材料的力学性能提高最为显著,拉伸强度和弯曲强度分别提高了51.38%和77.46%.10.学位论文 刘丽妍 亚麻非织造织物增强复合材料的研究 2003 该课题主要研究以亚麻纤维针刺非织造物为增强体的复合材料板材的制备、测试并分析其力学性能.文中首先介绍和分析了亚麻纤维的特性并对长细度等指标进行了测

24、试.作为增强体最基本的单元,亚麻纤维的性能对最终产品复合材料板材的力学性能有着很大的影响,纤维的承载能力决定着板材承载能力的大小.其次,该课题采用针刺工艺制备不同铺网方式(平行铺网和交叉铺网)、不同针刺密度(针刺1次7次)的亚麻针刺非织造物10余种,作为复合材料的增强体.在与树脂复合前,对针刺非织造物进行了各种基本参数的测定,包括非织造物的厚度、定量、拉伸性能等.最后,对于制得的针刺非织造物,采用真空辅助树脂传递模塑法(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding,VARTM)与不饱和聚酯树脂复合成板材,并与采用模压法制备的相同亚麻纤维针刺非织造物增强的环氧树脂

25、复合材料板材进行了对比试验与分析.复合过程进行得好坏,关键取决于树脂对纤维的渗透以及两者之间的结合情况.一般来说纤维与树脂通过化学反应形成稳固基团时最为理想.这就要考虑树脂与纤维的界面相容性、树脂的流动性以及固化条件和时间等诸多因素.通过多次试验,找到了最佳实验方法,制备出了较为理想的板材.通过对上述复合材料板材进行拉伸、弯曲性能测试,比较了各种针刺工艺在不同铺网方向的力学性能.从中可以发现,亚麻纤维针刺非织造物的力学行为在复合材料板材力学性能中起着主要作用.平行铺网的纤维毡在受到与铡网方向相同的拉伸载荷时,大多数纤维能够有效地分担载荷.因此平行铺网亚麻针刺非织造物复合材料的纵向拉伸性能最优.

26、为了比较在其它条件相同时,不同纤维处理即经过碱处理的漂白纤维与未处理的原纤维、不同树脂即环氧树脂与不饱和聚酯树脂对于最终复合材料力学性能的影响,制作了原麻/不饱和聚酯树脂复合材料板材、漂白麻/不饱和聚酯树脂复合材料板材、漂白麻/环氧树脂复合材料板材.通过力学性能的测试以及SEM图像分析得知漂白麻增强不饱和聚酯以及漂白麻增强环氧树脂复合材料的力学性能较优.这说明树脂和纤维之间的界面结合是影响板材力学性能的另一个重要因素,因此对亚麻纤维进行适当的界面处理是很有必要的.引证文献(7条)引证文献(7条)1.宁保江 高性能、低成本复合材料用环氧体系的研究期刊论文-热固性树脂 2009(2)2.柴红梅.王

27、雷.吕金燕 RIM用高性能环氧树脂体系研究期刊论文-玻璃钢/复合材料 2009(1)3.刘金良.吴晓青 RTM工艺中树脂流动管道的优化设计期刊论文-玻璃钢/复合材料 2008(6)4.董鹏.石建军.乔鲁滨.孙博.王吉庆 非回转体复合材料壳结构件模具设计方案的探讨期刊论文-纤维复合材料2008(3)5.王若男.吴晓青.娄小杰 RTM工艺中硅橡胶气囊模具的应用研究期刊论文-纤维复合材料 2007(4)6.徐国平.韩建 纺织复合材料成型过程中树脂的流动分析期刊论文-纺织学报 2007(9)7.胡美些.郭小东.王宁 国内树脂传递模塑技术的研究进展期刊论文-高科技纤维与应用 2006(2)本文链接：http:/