基于RTM的三明治型复合板材加工与性能测试

贾立霞 陈振宏 刘君妹 田 飞

(河北科技大学，河北石家庄，050018)

树脂传递模塑(Resin Transfer Molding，以下简称RTM)是在一定压力下注胶、在密闭容器(模具)中低压成型的复合材料生产方法[1]，近年来在轻量化能源发展趋势下，被广泛应用于航空航天、交通运输等领域。RTM工艺对形状结构复杂及中大型零件的制造成本相对较低，且由于RTM是一个封闭的成型过程，因此其具有较好的表面结构和外观。RTM的优势是它可以通过改变纤维体积分数，从而改进结构的工艺参数。又由于通常使用高刚性的钢作为模具，即使在较高压力注射的情况下，依然可以得到光滑的表面及高精度的复杂构件[2]。本文采用RTM工艺加工新型三明治型复合板材，并与手糊成型的板材进行性能测试对比分析。

1 增强预制件的织造加工

三维间隔机织物复合材料是一种新型的纺织结构复合材料，增强体为三维间隔机织物，是一种整体织造成型、层与层之间纱线相连，呈中空的纺织结构。这种复合材料具有强度高、隔热性和抗冲击性好、可设计性强、整体性能优异等特点[3]。考虑到三维间隔机织物特殊的纱线交织结构，具有灵活多尺度可设计性，可以通过改变纤维种类、纱线线密度、经纬密等来满足织物的不同力学性能[4]。本文选取间隔机织物为增强体，内部填充泡沫材料制成增强预制件。

1.1 增强体原料选择及结构设计

考虑到纤维原料的可织造性能，本试验预制件的纤维原料采用高强低伸的工业涤纶长丝，长丝规格为111.11 tex/192 F。织造设备选用Y200S型电子小样织机。为了降低设计和生产织造难度，尽量减少对织物力学性能影响，并保证织物表面的平整，本文选择平纹组织作为织物的面层组织。地经纱和接结经纱的设计比列为14∶2，织物的经纬密均为80根/10 cm，上下两层织物之间的接结纱高度为1.2 cm，接结纱间距为1 cm，织物的规格分别为36 cm×23 cm，23 cm×23 cm(织物的规格尺寸根据后续填充复合模具的尺寸而定)。间隔机织物增强体成品如图1所示。

图1 间隔机织物增强体经向视图

1.2 增强预制件的加工

用自行设计的模具将待填充的间隔机织物固定在36 cm×16 cm×1.2 cm的模具中，保证上下面层平整，且使间隔空腔充分打开，便于泡沫填充，织物在模具中的状态如图2所示。填充材料选用聚氨酯泡沫，根据反复填充经验，填充密度选为0.09 g/cm3，黑白料配比为1∶1，两种原料混合后经高速搅拌，注入填充模具中，实现间隔机织物的发泡填充。

2 间隔机织物板材复合成型工艺

复合材料的成型工艺系统相对比较复杂，必须满足对制品尺寸、形状要求，低成本成型是近年来复合材料发展的主要趋势之一。目前应用较广泛的工艺包括手糊成型、真空袋压成型、模压成型、RTM成型和热压罐成型等[5-6]。不同的制造工艺导致材料内部结构和力学性能存在差异。

对于间隔机织物复合板材大多采用手糊成型方法，虽然成本较低，但容易造成涂敷不匀影响复合板材质量和整体性能；由于板材厚度较大，中间填充聚氨酯泡沫材料，树脂浸润不充分，复合时不能一步成型，需将板材的两个织物表面逐一复合，加工的板材性能一致性较差。根据板材的形状和性能要求，本文选择使用真空辅助RTM工艺对泡沫填充的间隔机织物进行板材复合。在工艺设计中考虑到聚氨酯泡沫的熔点温度及树脂的流动性问题，合理选择注胶、固化的温度和时间，加工制得表面平整、纤维与树脂充分结合、整体性能良好的新型三明治复合板材。

2.1 试验原料

综合考虑RTM成型工艺的技术要求以及增强材料与树脂的相容性、浸润性，选择环氧树脂E51作为树脂基体，配套使用环氧专用固化剂、环氧树脂专用促进剂，并按照一定比例均匀混合。此外，还有内、外脱模剂以及真空辅助用气体干燥瓶(酸、碱、干燥剂)等材料。

2.2 复合工艺流程

真空辅助RTM成型工艺流程如下。

(1)模具准备。清理模具后擦拭脱模剂，然后预热模具。

(2)充模。将切割整齐的间隔机织物预制件铺入模具，安装密封条，密封模具。

(3)抽真空。避免模具中空气的包裹形成气泡。

(4)注胶。为保证树脂对增强纤维的浸润以及复合均匀充分，进行了三次循环注胶,注胶时间为20 min。

(5)固化。固化温度选择80 ℃、2 h，100 ℃、3 h，120 ℃、3 h。

(6)开模。固化完成后打开模具，取出成型后的板材。

RTM 工艺成型过程中为了使树脂能够充分在纤维增强材料中填充流动和浸润，要求所采用的树脂体系工艺操作窗口(低黏度平台时间)不小于 30 min[7]，本试验注胶温度设定60 ℃，此时树脂流动性最佳，黏度200 mPa·s。

手糊成型又称接触成型工艺，是手工作业把填充完聚氨酯泡沫的增强体与树脂黏结，然后固化成型的工艺[7]，树脂配比以及固化温度选择与上述RTM工艺相同，根据增强预制件用纱量及板材体积，计算得出两种方法加工的板材纤维体积含量均为2%(涤纶长丝密度1.38 g/cm3)。

3 复合板材力学性能测试与分析

3.1 弯曲性能测试与分析

材料弯曲性能测试的执行标准为 GB/T 1456—2005《夹层结构弯曲性能试验方法》。试样规格160 mm×30 mm，试验仪器UTM5105型电子万能试验机，测试速度2.0 mm/min，定位移2 cm，每种板材测试3块试样，测得间隔机织物复合板材最大抗弯曲载荷，试验结果如下所示。其中，手糊成型的方差18.35，RTM成型方差762.96。

成型方法 手糊成型 RTM成型

试样1/N 49.12 138.60

试样2/N 56.29 202.58

试样3/N 59.34 189.65

平均值/N 54.92 176.94

测试过程中观察板材的弯曲情况，两种不同成型方法的复合板材弯曲过程近似。初始阶段，板材在弯曲载荷作用下整体发生弹性形变，上表面主要承受压应力，下表面主要承受拉应力[8]，曲线呈现出明显的线性关系，该阶段属于弹性变形区；当板材上层面板压缩变形达到极限，面板与芯体发生分层破坏，板材进入屈服区；当上层面板弯曲，挠度到达一定值，板材遭到弯曲破坏，载荷达到最大，即为材料破坏载荷[9]。随着位移的增加载荷缓慢下降，呈现非线性或塑性弯曲,板材失效。由于板材中的接结纱树脂柱连接上下两层面板，并与芯体材料协同作用，共同承受弯曲载荷的作用，曲线呈平缓下降的趋势，说明板材整体未发生瞬间破坏。当载荷消失后，变形会逐渐恢复[10]。两种板材的弯曲测试曲线如图3所示，板材弯曲形态如图4所示。

虽然两种成型工艺复合的板材均没有发生完全断裂破坏，但RTM复合成型的板材所能承受的弯曲载荷以及弹性模量远大于手糊成型板材。这是因为弯曲过程中主要承受载荷的是面层的基体材料，而 RTM真空辅助成型工艺中，增强体预制件在真空加压状态下进行循环注胶，这种加工方法使树脂较容易渗透到面层织物内部，使树脂与填充材料黏结或与接结纱结合形成树脂柱。此外，材料上下层面板的树脂分布均匀，使板材的整体性能得到加强，从而提高复合板材的抗弯曲性能。手糊成型的间隔机织物板材气泡较多，表面平整度较差，其孔隙率也比较大，表面厚度不均匀，同等重量的树脂，由于手糊成型过程中没有外力载荷压迫，树脂基本黏附在织物表面，使得成型板材表面有过多树脂剩余，富余的树脂会导致复合材料整体性能降低。

图3 两种复合板材的弯曲载荷-位移曲线

3.2 压缩性能测试与分析

材料压缩性能测试的执行标准为 GB/T 1453—2005《夹层结构或芯子平压性能试验方法》。试验仪器采用UTM5105型电子万能试验机，试样规格60 mm×60 mm，测试速度1.0 mm/min,每种板材测试3块试样。对两种成型工艺所得复合板材分别进行压缩测试，定位移4 mm，最大位移时压缩力如下所示，压缩位移-载荷曲线如图5所示。其中，手糊成型板材方差2 117.15，RTM成型板材方差7 951.28。

成型方法 手糊成型 RTM成型

试样1/N 600.88 5 897.11

试样2/N 697.26 5 719.34

试样3/N 598.47 5 698.32

平均值/N 632.20 5 771.59

图5 两种复合板材的压缩载荷-位移曲线

由图5曲线可知，不同成型方法的间隔机织物复合板材压缩性能显著不同。RTM工艺复合板材在承受压缩载荷过程中，呈现明显的阶段性变化。受力初始阶段，载荷与变形之间呈现出明显的线性关系，反映了填充材料和接结纱树脂柱的弹性性能和填充泡沫的强度特性，这一阶段外力消失后材料完全能够恢复到原来的形状。第二阶段为屈服区，曲线变化趋势缓和，这是由于填充材料失稳，接结纱树脂柱受力弯曲变形，材料发生缓冲吸能。第三阶段为压实区，填充聚氨酯泡沫被载荷压垮后，板材进入压实区，载荷迅速增大。曲线进入弹性区之前有一小段的屈服，这是因为板材表面粗糙，在压缩过程中板材上表面先受到平压载荷作用，再发挥填充泡沫和接结纱树脂芯柱的弹性性能。手糊成型板材在较小力值下迅速变形，弹性模量较小。由图5可知，随着位移的增加，载荷虽呈上升趋势，幅度较小，但位移增加载荷继续增大，压缩后失效板材如图6所示。

分析其原因：主要因为手糊法得到的复合板材填充的聚氨酯泡沫与接结纱之间黏结强度较低，树脂复合工艺中，没有外力载荷的作用，不利于树脂的渗透。承压的主要是中间填充的泡沫，泡沫被挤压逐渐裂开，与接结纱分离，影响复合板材的整体性能。RTM复合板材的内部接结纱与树脂，聚氨酯泡沫三者结合后，形成树脂柱，承压的主要是树脂柱与泡沫协同作用，泡沫为接结纱树脂柱提供横向支持，阻止其在压缩载荷下发生弯曲而失效；垂直树脂柱为泡沫提供稳定性，防止板材因泡沫坍塌而失效，使得板材整体具有良好的抗压性能。

4 结论

(1)对于厚度为1.2 cm的泡沫填充增强预制件，可以采用RTM工艺进行复合，制得新型三明治复合板材。

(2)RTM工艺复合板材在成型工艺中，采用真空压力注胶，加强了树脂与聚氨酯泡沫结构以及接结纱之间的结合牢度，相比手糊工艺得到的复合板材具有更好的整体稳定性、抵抗弯曲和压缩载荷的能力，也反映了较好的弹性模量。两种板材在弯曲和压缩载荷作用下均不存在面芯层剥离现象和灾难性失效形式，板材的受损过程是渐变的，RTM复合板材可在较大载荷下较长时间保持结构整体性。