复合材料叶片RTM成型缺陷研究

杨春燕 翟 欢 熊 杰 李丹丹 孙彩亮

（保定天威风电叶片有限公司，河北 保定 071051）

1 缺陷形成机理

在RTM 充模过程中,我们将玻璃纤维织物看成是多孔介质.孔隙有两种,在纤维单丝之间形成的空隙以及在纤维单丝表面的宏观或微观裂纹形成的空隙,为微观空隙,其所形成的流体流动通道为微孔通道；在相邻纤维束之间所形成的空隙,为宏观空隙。[1]

这样在流体流动方向上,纤维束内微孔通道中的流体就一定会比纤维束间大孔通道内流体先和横向纤维束接触,一旦纤维束内微孔通道中的流体和横向纤维束接触,在横向纤维束内毛细作用力作用下会立即引发在横向纤维束内沿横向纤维束方向的垂直流动。沿流体注入方向的纤维束内的流体是可以同时和横向纤维束接触的,如此会导致在横向纤维束微孔通道内的相对流动。若这样相对流动的流体汇合时,沿注入方向的纤维束间大孔通道内的流体尚未到达横向纤维束,则沿流动方向的纤维束间大孔通道内的空气就无可排除,形成了气泡。此时形成的气泡是一个较大的气泡。 随着流体的继续注入,必然会破坏大气泡内外的压力平衡，破裂数个小气泡,继续稳定地存在于纤维束间的空隙里。

由于流体在不同流动通道中渗透导致了流体饱和度发生变化,也就是在交叉流动区域长度方向上的饱和度存在差值,当纤维束内微孔通道中流体饱和度和交叉流动区域中靠近微孔通道一侧的饱和度平衡时,如果纤维束间大孔通道里的流动前缘仍未能到达横向纤维束,则会形成了大气泡。 反之,如果纤维束间大孔通道里的流体饱和度大于纤维束内微孔通道中的流体饱和度,而此时纤维束内微孔通道中仍未能注满流体,则会形成在纤维束内纤维单丝间的微气泡。

2 实验观测

最早开展浸润研究的是Williams[2]等人，他们在流动观察实验中发现当流体的流动前沿流过后，一些气泡仍然存在于纤维床中，称重法测得气泡体积含量不超过4%，但没有深入探讨其与流体及增强材料性能的关系。将结果与用水和酒精所做实验结果进行比较，发现表面张力对空气的包裹有一定的影响，他们提出了表面张力对流速以及树脂在纤维中的流动形态的影响。Peterson和Robertsonl[3]模拟了RTM成型工艺，将树脂注入一支玻璃管中，纤维沿着玻璃管轴向排布，实验发现纤维含量较低时产生一些较大的椭圆形气泡，这些气泡流动性好，一般都随着树脂向前迁移:而纤维含量较高时(>50%)产生的圆形气泡分布比较均匀，这些气泡的流动性较差。注射压力增加，气泡体积随之降低，但流动性好，而且气泡大都在纤维/树脂界面处产生。Molnar等人[4]分别拍摄了高、低流速下树脂流经单向纤维织物时的显微照片。在流速较低时，纤维丝间流体流动速度比纤维束间的快，这是因为有毛细作用力的影响；而在流速较高时，毛细作用力的影响较小，纤维丝间流体流动速度明显比纤维束间的慢。

Hull[5]描述了FRP中容易形成气泡的区域以及气泡的类型：（1）纤维束之间和纤维束内形成的气泡，可能为圆形，或者伸长为平行于纤维束的椭圆形空穴。这些气泡的大小与纤维束间和纤维束内的孔隙有关。（2）层间和富树脂区域的气泡。Judd和Wright[6]通过研究总结出制品中每含有1%的气泡，复合材料的层间剪切强度就要下降7%，可见气泡缺陷的存在对复合材料的机械性能极为不利;不仅会降低复合材料制品的弯曲强度、耐久性和抗疲劳性，而且对气候的敏感性和吸湿性增加，强度等性能的分散性增加。在实际应用中，气泡的存在将加速制品对湿气的吸收。制品表面或附近区域气泡的存在会影响表面处理效果。

Hayward和Harris[7]研究了RTM工艺中影响气泡含量的因素，结果表明在真空辅助下树脂浸润预成型体，得到制品的空隙率降低，剪切和弯曲强度增加。对制品进行图象分析发现空隙率有明显的降低，在真空辅助下空隙率为0.15%，而没有真空辅助的空隙率为1.0%。

3 模型化研究

一些研究者在实验观测的基础上，建立了相应的理论模型用来预测不同浸渍条件下气泡的生成量。尽管这些模型在推导过程中经过某些简化假设，且针对不同的简化任何条件，但这些模型仍能揭示出一些微观的物理现象。Parnas和Phelan针对垂直于单向纤维束的流动过程，建立了气泡卷裹的模型，模型考虑了纤维床层中同时出现的两种相互竞争的流动：纤维束之间的流动和纤维束内部的渗透，用Darcy定律确定纤维束间和纤维束内部树脂的流动前沿，模型中毛细力被忽略。Patel和Lee[8]由实验结果出发，基于多相Darcy定律，推导出液态复合材料模塑（LCM）过程中气泡形成的模型，给出了束间和束内气泡含量的计算公式。

4 减少复合材料缺陷的研究

4.1 减少气泡含量Lundstrom等[9]

观察到，随着真空度的增加，最大气泡含量及可探测到的气泡区域将减小。表面活性剂的利用和对纤维进行表面处理，通过减小纤维/基体的接触角，也可以改善纤维的浸渍效果，从而减少气泡的含量。但同时要求设备的密封要好，以防止外部空气进入模腔。Stabler等[10]研究了其它减小气泡含量的方法。他们发现气泡含量降低的条件为模腔表面变化平缓柔和、树脂中的初始气泡含量要低。

4.2 增强纤维浸润性

RTM工艺成型过程中树脂对纤维增强体的浸润是非常重要的，浸润不好将导致RTM成型复合材料中产生缺陷，这将降低复合材料的力学性能。为了提高RTM成型过程中树脂对纤维增强体的浸润性，人们作了大量研究工作。对纤维表面进行处理，可以改善RTM成型过程中树脂对纤维增强体的浸润效果。

4.3 数值模拟与在线监控技术

RTM的数值仿真模拟虽然在很大程度上可以优化工艺参数，减少缺陷的产生。然而在实际生产中，由于织物材料中的杂质、铺层顺序、边缘的裁剪及在模具中的铺敷不当等引起局部渗透率、纤维体积含量的变化以及模腔壁与预成型体间的优先通道，要真实地模拟这类变化则较为困难；此外，实验规模的实验通常是在较为理想的条件下、特定形状的模具中进行，与实际生产存在一定的差距，而与实验有较好吻合的理论预测模型对实际生产的预测亦可能存在一定的差距。因此，在RTM的数值仿真模拟基础上进行实时在线检测以采取相应的措施是最为实际、有效的方法。

5 结语

本文主要介绍了复合材料RTM工艺中所存在的缺陷问题以及国内外专家学者所进行的大量的理论和实验研究。目前的RTM复合材料缺陷研究主要集中在注塑时的气泡产生和纤维的浸润性方面。实验研究表面，RTM工艺过程中气泡排放不充分，会造成材料内部存在大量的密集孔隙；如果注胶过程中，纤维浸润树脂不充分会造成局部缺胶和干斑。本文针对复合材料叶片出现的缺陷进行了研究，希望能对其缺陷的排除起到积极作用。

[1]李柏松等，RTM缺陷形成机理的研究，云南大学学报 2002 24

[2]Williams,J.G.,Morris,C.E.M.,Ennis,B.C.，Liquid flow through aligned fiberbeds,Polymer Engineering and Science,June 1974,Vol.14,No.6,pp.413-419;