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技術(shù)文章

樹脂浸潤時間對碳纖維平紋機(jī)織層合復(fù)合材料力學(xué)性能影響研究

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一、研究背景與意義

碳纖維平紋機(jī)織層合復(fù)合材料(CFPWLC)因其優(yōu)異的力學(xué)性能、較高的性價比,廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、航海等制造領(lǐng)域。然而,在液體成型工藝(如VARTM)中,樹脂浸潤不充分常導(dǎo)致孔隙、分層、富樹脂等缺陷,嚴(yán)重影響材料的力學(xué)性能與使用壽命。

樹脂浸潤時間作為關(guān)鍵工藝參數(shù)之一,其對材料內(nèi)部缺陷形成、分布及最終力學(xué)性能的影響尚未得到系統(tǒng)研究。因此,本文通過控制不同浸潤時間,系統(tǒng)研究其對CFPWLC缺陷特征與壓縮性能的影響,旨在為工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)與實(shí)驗(yàn)支撐。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1. 材料與工藝

- 增強(qiáng)材料:21層3K碳纖維平紋布(面密度142 g/m2)

- 基體材料:環(huán)氧樹脂

- 成型工藝:真空輔助樹脂灌注(VARTM)

- 浸潤時間:2 h、4 h、6 h(控制變量)

- 纖維體積分?jǐn)?shù):約50%

- 模具設(shè)計(jì):底部進(jìn)樹脂,頂部出樹脂,分區(qū)明確(進(jìn)料區(qū)與出料區(qū))

2. 測試方法

- 表面缺陷觀察:超景深顯微鏡

- 壓縮性能測試:

- 面外壓縮(厚度方向)

- 面內(nèi)壓縮(平面方向)

- 標(biāo)準(zhǔn):ASTM 3410,試樣尺寸 8 mm × 8 mm × 4 mm

- 破壞過程記錄:高速攝影(2000幀/秒)

- 斷口分析:場發(fā)射掃描電鏡(SEM)

三、主要研究結(jié)果

1. 缺陷分布特征

- 缺陷位置:主要集中在出料區(qū),尤其是經(jīng)緯紗交織點(diǎn);

- 缺陷類型:主要為樹脂未充分浸潤形成的孔隙、氣泡;

- 時間影響:隨著浸潤時間從2 h延長至6 h,表面缺陷數(shù)量顯著減少,形貌趨于完整。

2. 重量變化分析

- 出料區(qū)質(zhì)量提升更明顯,說明延長浸潤時間主要改善了出料區(qū)的樹脂充盈程度。

3. 面外壓縮性能

- 強(qiáng)度與模量均隨浸潤時間增加而提升;

- 2 h試樣表面碳纖維裸露,樹脂包覆性差;

- 6 h試樣表面缺陷顯著減少,樹脂分布均勻;

- 破壞模式轉(zhuǎn)變:由層間破壞 → 剪切破壞,表明界面結(jié)合增強(qiáng)。

4. 面內(nèi)壓縮性能

- 強(qiáng)度提升顯著:

- 4 h較2 h提升約44.5%

- 6 h較4 h提升約13.2%

- 裂紋演化過程:

- 2 h:層間裂紋主導(dǎo),易沿缺陷擴(kuò)展;

- 6 h:剪切裂紋為主,承載能力增強(qiáng);

- 破壞截面觀察:6 h試樣紗線間結(jié)合更緊密,無明顯分層。

四、機(jī)理分析

1. 浸潤時間延長 → 樹脂流動性增強(qiáng) → 孔隙減少 → 缺陷密度降低

2. 經(jīng)緯交織點(diǎn)易形成氣泡滯留區(qū) → 延長時間有助于氣泡排出

3. 界面結(jié)合增強(qiáng) → 載荷傳遞效率提高 → 壓縮性能提升

4. 性能提升趨緩 → 6 h接近浸潤飽和狀態(tài) → 再延長時間收益遞減

---

五、結(jié)論與展望

? 主要結(jié)論:

1. 樹脂浸潤時間顯著影響CFPWLC的缺陷分布與力學(xué)性能;

2. 出料區(qū)為缺陷高發(fā)區(qū),延長時間可有效改善其浸潤質(zhì)量;

3. 隨著浸潤時間增加,面內(nèi)/面外壓縮強(qiáng)度與模量均顯著提升;

4. 破壞機(jī)制由層間破壞向剪切破壞轉(zhuǎn)變,材料韌性增強(qiáng);

5. 6 h浸潤時間在本實(shí)驗(yàn)條件下接近,進(jìn)一步延長效果有限。

后續(xù)研究方向:

- 探索不同織物結(jié)構(gòu)(如斜紋、緞紋)對浸潤時間敏感性的差異;

- 建立浸潤時間與缺陷體積分?jǐn)?shù)之間的定量模型;

- 結(jié)合數(shù)值模擬(如RTM流動模擬)優(yōu)化浸潤工藝參數(shù);

- 研究浸潤時間對疲勞性能、濕熱性能等長期服役行為的影響。


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