玻璃纤维织物在剪切变形作用下的渗透率

杨文权， 蒋金华， 陈南梁

(1. 东华大学 产业用纺织品教育部工程研究中心， 上海 201620； 2. 东华大学 纺织学院, 上海 201620)

真空导入模塑工艺(VIMP)是从树脂传递模塑成型(RTM)工艺中衍变出的一种高效复合材料成型技术，其利用真空负压将树脂吸入模腔并完成对纤维增强体的浸润，具有环保、易操作、低成本、可设计性强等优点，广泛应用于航天航空、汽车制造、建筑工程和风电叶片等领域[1-2]。与传统的RTM工艺相比，VIMP没有上模，不能控制增强材料的厚度，但可依靠真空袋膜在大气作用下将织物压紧，达到较高的纤维体积分数[3]。此外，VIMP更易排出纤维增强体中的空气，从而减少干斑和疵点的产生；VIMP不受构件尺寸的限制，尤其适合制备大尺寸构件。在VIMP、RTM等各类成型过程中，渗透率是表征树脂在织物或预成型体中流动快慢的物理参数。

渗透率的大小主要由纤维体积分数、纤维取向、织物组织等因素决定，不仅直接决定了复合材料的成型周期，而且对纤维增强体的浸润效果有很大的影响[4- 5]，因此，充分了解织物的渗透率意义重大。然而，由于构件形状复杂多样，纤维增强体在某些部位不可避免地受到剪切作用，特别是在预成型体存在球面或曲面的情形中，此时，剪切变形可导致局部纤维或织物重新排列和分布，增加了树脂浸润的复杂程度。田正刚等[6]研究了不同剪切角度下编织纤维毡的主轴渗透比和主轴方向，并建立了理论预测模型。杨波等[7]通过建立正交单胞几何模型，构造了数值求解树脂流动控制方程的高分辨TVD格式。Demaría等[8]通过研究表明，织物发生剪切变形后的渗透率变化不仅可由纤维体积分数的改变而引起，织物几何结构的改变也是一个重要的影响因素。Endruweit等[9]将纱线看作圆柱体构建织物几何模型，并推算出主渗透率和各参数之间的等式关系。这些研究大都以建模为主，未考虑剪切变形后纱线形态的变化，通常和实际情况存在一定的差异。本文采用单向法测试了同种织物在不同剪切角度下的渗透率，并比较了不同织物组织对纤维预成型体渗透率的影响规律，揭示了纤维增强材料在剪切作用下树脂流动前峰的形状变化，以期为复合材料的成型及其工艺设计提供理论参考。

1 实验部分

1.1 实验材料

所用增强材料为玻璃纤维平纹布、玻璃纤维斜纹布，斜纹布为2上2下斜纹组织。除组织不同外，2种织物的其他参数均相同：经纬密为 5根/cm，经纬纱线密度为312 tex，面密度为 300 g/m2。每次实验均采用同种织物按同一方向铺层堆叠，实验设置层数为6层。为方便测量织物厚度，实验时在织物与真空袋之间加上1块厚度为2 mm的硬质聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄板，避免实验过程中真空袋随着织物表面变得凹凸不平而影响织物厚度测量的准确性。图1示出渗透率测试原理示意图。

图1 渗透率测试原理示意图Fig.1 Schematic principle of permeability test

1.2 可视化流动实验

实验装置为自行设计的玻璃平板模具，如图2所示。根据实验要求选择不同织物组织，将其剪切一定的角度α、12 cm×40 cm的标准试样，所有实验均铺放6层试样，铺放织物时需小心谨慎以防止织物自动剪切。树脂的流动方向均垂直于纬纱方向，如图3所示。实验选用透明的真空袋密封织物，以便观察腔内树脂的流动情况。织物密封后进行抽真空处理，检查气密性后方可继续实验。

图2 实验装置图Fig.2 Test device

图3 单向流动实验示意图Fig.3 Schematic diagram of unidirectional flow test

实验采用黏度稳定的进口硅油代替树脂，在常温下硅油黏度稳定在350 mPa·s左右，避免了环境温度对实验的干扰，且易于清洗。实验在常温下进行，温度为(25±5)℃，每隔3 min记录硅油流动前峰的位置，每次实验共记录10个位置。

1.3 实验方法及原理

相关研究结果[10]表明，单向法测试渗透率较径向法更准确，其测试结果离散度较小，而径向法则适合用来确定主渗透率的方向，因此，本文实验选择用单向法测定纤维增强材料的表观渗透率，即树脂从纤维铺层的左端线性注入，在纤维铺层的右端抽真空排除空气。VIMP中假设树脂为不可压缩流体，预成型体为多孔隙介质，则树脂在预成型体中的流动过程服从Darcy定律。只考虑一维流动情形，由Darcy定律可推出树脂单向流动方程：

▽P

(1)

(2)

式中：▽P为流体在长度l(m)上的压强降,MPa；μ为流体黏度,Pa·s；l为t时刻树脂流动前峰位置，m；ΔP为2注射口和流动前峰的压强差；φ为预成型体的孔隙率，%；K为渗透率,m2，反映流体在多孔介质中流动的难易程度。

假设ΔP恒定，在t=0、l=0时对式(2)积分可得：

(3)

ΔP=Pin-Pout

(4)

式中：Pin为注入口压力,MPa；Pout为排气出口压力，MPa。本文条件下压强差为0.1 MPa。

通过记录的t时刻与其所对应的流动前峰位置l，以l2为纵坐标、t为横坐标作图，再通过线性拟合得出直线的斜率k，最后计算出渗透率：

(5)

从式(5)可看出，预成型体的孔隙率φ直接影响K值的大小，而其又直接由增强材料的纤维体积分数决定：

(6)

式中：Vf为纤维的体积,m3；V为模腔的体积,m3。

纤维的体积和模腔的体积可分别写为：

(7)

V=Sh

(8)

式中：n为铺层层数；ρ为织物面密度,(°)；S为织物的表面积,m2；ρf为纤维的密度,g/cm3；h为真空状态下预成型体的厚度,m；α为织物剪切角,(°)。

综合式(6)～(8)可得：

(9)

2 结果与讨论

2.1 剪切角度对渗透率的影响

在已有的关于预成型体剪切变形作用下的渗透率研究中，大多数的测试方式局限在平板铺层的径向流动测试。为方便对异形结构渗透率的模拟和生产工艺的优化，本文选用斜纹织物并设置了0°、10°、20°和30°共4种剪切角度，考察剪切作用对增强体渗透率的影响。斜纹织物为左斜纹，剪切方向也向左，即同向剪切。图4示出流动前峰位置l与时刻t的关系曲线。当t=30 min时，对应上述3种情况，树脂分别流动至31.8、27.0、24.1、18.6 cm处。由此可见，剪切变形的确阻碍了树脂在织物中的渗透流动。剪切角越大，这种阻碍作用也越明显。

图4 树脂流动距离与时间关系曲线Fig.4 Relationship curves between position and time of resin flow

实验测得预成型体的厚度如表1所示。假设玻璃纤维的体积密度为2.6 g/cm3，结合式(5)、(9)可计算出预成型体的渗透率。与未发生剪切情形相比，织物以10°剪切后渗透率下降了近43%。随着剪切角的增大，预成型体的渗透率逐渐下降，当剪切角为30°时，垂直纬纱方向的渗透率不到原来的30%。

表1 织物剪切角度对纤维预成型体渗透率的影响Tab.1 Effect of fabric shearing angle on permeability of fiber preforms

首先，织物剪切变形会使织物的面密度有所增加，从而增大了预成型体的纤维体积分数。根据Kozney-Carman方程[11]可知，预成型体渗透率与纤维体积分数成反比。从表1可看出，剪切变形后织物的厚度发生了变化，当织物10°剪切后其厚度有所降低。厚度降低使纤维体积分数进一步增加，所以织物10°剪切后渗透率明显下降。其次，纬纱与流体的渗透方向垂直，是流体前进的主要障碍，当单位长度内纬纱根数越多，树脂需绕过的障碍也就越多。织物的剪切作用增大了纬密，所以剪切角越大，这种阻碍作用也就越明显。

2.2 剪切方向对渗透率的影响

斜纹织物根据纹路斜向的不同，分为左斜纹和右斜纹。当织物纹路斜向与剪切方向相同时，称为同向剪切；反之，称为异向剪切。在2.1节实验的基础上增加1组对照实验，即在其他条件不变的情况下，只改变织物的剪切方向，使织物向右发生剪切变形，即异向剪切。

表2示出2种情形下的渗透率测试结果。可看出，当剪切角为10°时，异向剪切比同向剪切更有利于树脂的流动。造成这种结果的原因在于剪切方向改变了织物纹路的倾斜角。有文献[12]表明，织物纹路具有一定的引流作用。异向剪切减小了织物纹路与树脂流向的夹角，从而在一定程度上有利于树脂的浸润。而当剪切角为20°和30°时，剪切方向对预成型体的渗透率几乎没有影响。这可解释为当剪切角较大时，纬密的增加占阻碍树脂流动的主导因素。

表2 不同剪切方向下预成型体的渗透率Tab.2 Permeability of preform under different shear directions

2.3 不同织物组织剪切变形后的渗透率

设计上述4种剪切角度，测试平纹织物和斜纹织物剪切变形后的渗透率。斜纹织物剪切方向与纹路斜向相同。不同织物组织在剪切变形作用下的渗透率如表3所示。

表3 不同织物组织剪切变形后的渗透率Tab.3 Permeability of fabric with different weave after shear deformation

由表3可以看出，这2种织物组织在渗透率方面表现出一定的差异：在织物不发生剪切变形时，斜纹织物的渗透率明显大于平纹织物，虽然二者具有相同的经纬密和面密度，但不同的纱线交织规律使树脂的流动通道发生了变化；与平纹织物相比，斜纹织物交织次数少，整体结构较为稀松，另一方面斜纹浮长线较长，这都有利于树脂对纤维增强体的浸润，因此，织物组织是影响纤维增强材料渗透率的另一个重要因素。

从整体上看，随着剪切角度的增大，预成型体的渗透率逐渐减小。对于平纹织物，10°剪切反而使织物的渗透率略有增加。原因可能是小幅度的剪切变形使纤维束间的流动通道变得狭长，狭窄的通道引起了毛细效应，增加了树脂流动的驱动力。而当剪切角较大时，纤维束逐渐靠拢，流动通道几乎消失，因此，在剪切角为30°时纤维预成型体的渗透率下降幅度较大。

预成型体剪切变形后的渗透率变化可用渗透率变化率来表示，即预成型体剪切前后渗透率差值与剪切前的渗透率的比值。由表3比较发现，斜纹织物的渗透率对剪切变形较平纹织物更为敏感。值得注意的是，平纹在10°剪切时渗透率不降反升，这对优化工艺参数和缩短生产周期具有一定的意义。

2.4 剪切作用对树脂流动前峰形状的影响

对于同种织物组织，在垂直于树脂流动方向上的不同部位可认为大体一致，但是织物疵点、织物铺层方式以及导流管长度等外在因素会对实验结果造成一定的干扰，导致树脂的流动前峰为非直线型。剪切作为一种特殊变形，改变了树脂流动通道的形状和分布，对树脂的渗透行为产生了影响。为探究织物剪切变形对树脂流动前峰形状的影响，选用斜纹织物作为纤维增强材料进行实验，织物剪切角为30°，采用异向剪切，实验结果如图5所示。

图5 不同时刻树脂的流动前峰Fig.5 Shape of resin flow front at different moments

通过对比4个不同时刻的流动前峰形状可以发现，剪切变形使树脂的流动前峰逐渐发生倾斜，并最终趋于稳定。而当织物不发生剪切变形时，树脂的流动前峰近似一条直线，且与纬纱平行(见图2)。导致这一现象的主要原因是：树脂在预成型体中的流动分为宏观流动和微观流动[13]，宏观流动是指树脂在纱线间的流动，微观流动则是指树脂在纱线内的浸润；在一般情况下，宏观流动速度较快，但微观流动也能对预成型体的渗透率产生影响。

图6为树脂流动微观示意图。假设树脂流经织物某一单胞，树脂的速度为v，速度方向与经纱平行。当树脂遇到纬纱这一阻碍时，可将流动速度分解为竖直速度v2和水平速度v1。竖直速度v2使部分树脂绕过纬纱，其余树脂会渗透至纬纱内部发生微观流动；水平速度v1使部分树脂沿纬纱这一桥梁向右运动。从总体上看，树脂既向前流动，又向右集聚，因此，织物剪切变形后树脂的流动前峰向右上方倾斜，并且随着时间的增加，树脂的流动前峰越接近一条直线。从图中还可看出，织物向右剪切使树脂遇到纬纱阻碍时产生一个向右的水平速度，所以树脂流动前峰的倾斜方向由剪切方向决定，与织物本身纹路的倾斜方向无关。

图6 树脂流动微观示意图Fig.6 Microscopic sketch of resin flow

3 结 论

剪切变形改变了织物的内部结构，给实际生产中的工艺参数设计和模拟预测带来了困难。本文将纤维增强材料视作多孔介质，符合达西定律，采用单向法测试了2种不同的织物组织在不同剪切角度下的渗透率，结合织物内部纱线的几何结构和排列，分析了剪切角度及方向对其渗透率的影响。在大多数情况下，剪切变形增大了纤维体积分数，使纤维增强材料的渗透率明显减小；对于斜纹织物而言，织物的剪切方向不同，渗透率也有一定的差异，因为织物的纹路倾斜角度随剪切方向发生变化，具体差异表现在剪切角为10°时，同向剪切较异向剪切对树脂渗透的阻碍更大；对比2种织物组织剪切变形后的渗透率发现，在相同剪切角度下，斜纹织物的渗透率下降较为明显，而平纹织物渗透率在剪切角小于10°时略有上升，随后逐渐变小；剪切变形改变了树脂在织物内部的流动通道，从而影响了纤维增强材料的渗透特性，具体表现为树脂的流动前峰随着渗透时间的增加渐渐倾斜，最终趋于稳定，与纬纱形成一定的夹角。