陳劍昭 任 峰 周磊磊 信春玲 何亞?wèn)|,2*

(北京化工大學(xué) 1.機(jī)電工程學(xué)院； 2.教育部高分子材料加工裝備工程研究中心， 北京 100029)

引 言

在過(guò)去的幾十年中，復(fù)合材料由于具有出色的特性，例如比剛度高、比強(qiáng)度高、制品結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、熱穩(wěn)定性好、質(zhì)輕、疲勞極限高和使用壽命長(zhǎng)等，因而其得到了廣泛應(yīng)用[1]。纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料中的樹(shù)脂基體一般分為熱固性樹(shù)脂和熱塑性樹(shù)脂兩種。熱固性復(fù)合材料的單向預(yù)浸料已經(jīng)發(fā)展了很多年并且廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)等領(lǐng)域[2-4]，但是熱固性材料仍然存在成型周期長(zhǎng)、局部損傷難以修復(fù)、無(wú)法重復(fù)使用等缺點(diǎn)[5-7]。與熱固性復(fù)合材料相比，熱塑性復(fù)合材料具有高韌性、高抗沖擊、成型周期短、生產(chǎn)效率高、易修復(fù)、可回收、成本低等優(yōu)點(diǎn)，這一系列對(duì)比使得纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料在汽車(chē)輕量化、節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展的背景下?lián)碛袕V闊的發(fā)展前景。但由于熱塑性樹(shù)脂在浸漬纖維的過(guò)程中需要高壓和高溫條件，通常熱塑性基體的浸漬條件比熱固性基體要差，這將大大削弱熱塑性復(fù)合材料的機(jī)械性能，因此如何優(yōu)化浸漬條件一直是制備熱塑性復(fù)合材料需要解決的主要問(wèn)題之一[8]。

熱塑性復(fù)合材料根據(jù)纖維殘留長(zhǎng)度的不同主要分為短切纖維復(fù)合材料(SFRT)、長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(LFRT)和連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRTP)。連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備方法主要包括原位聚合技術(shù)、粉末浸漬法、混編法和熔融浸漬法。其中，熔融浸漬法的工藝簡(jiǎn)單，在生產(chǎn)過(guò)程中基本不產(chǎn)生污染物，并且成本低廉、可連續(xù)化生產(chǎn)，其制備的預(yù)浸料的質(zhì)量更易控制。熔融浸漬模具是熔融浸漬工藝的核心區(qū)域，其結(jié)構(gòu)優(yōu)化是提高預(yù)浸帶性能的關(guān)鍵之一[9-11]。赫曉霞[9]利用數(shù)值模擬仿真技術(shù)模擬模具內(nèi)的熔體壓力分布，分析了模具結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)對(duì)浸漬效果的影響，并優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種輥系熔融浸漬模具，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所制備的復(fù)合材料的浸漬效果良好。孫立坤[10]設(shè)計(jì)了一套輥系結(jié)構(gòu)和一套齒系結(jié)構(gòu)的熔融浸漬模具，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析兩種結(jié)構(gòu)模具的優(yōu)缺點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)齒系結(jié)構(gòu)模具的浸漬和分散效果更好。孫海青[11]設(shè)計(jì)了一種周向建壓浸漬的齒系熔融浸漬模具，研究了模具結(jié)構(gòu)對(duì)連續(xù)纖維浸漬效果的影響，優(yōu)化了模具結(jié)構(gòu)并制備得到了浸漬質(zhì)量良好的復(fù)合材料。上述研究對(duì)制備復(fù)合材料的浸漬模具優(yōu)化方向進(jìn)行了探索，但是制備單向預(yù)浸帶的齒系浸漬模具仍然存在一些不足，如單向預(yù)浸帶的拉伸性能較低，纖維分散均勻度較低等。因此需要對(duì)齒系浸漬模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

連續(xù)纖維增強(qiáng)預(yù)浸帶浸漬模具的浸漬效果主要通過(guò)纖維浸漬程度和纖維斷裂率這兩個(gè)指標(biāo)來(lái)表征，浸漬模具的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)的影響不一且存在參數(shù)交互影響，浸漬模具的設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要在于如何解決這兩個(gè)指標(biāo)的矛盾。纖維浸漬程度和纖維斷裂率都與制備預(yù)浸帶的牽引速度密切相關(guān)，合理的浸漬模具結(jié)構(gòu)不僅可以提高預(yù)浸帶性能，也可以提高優(yōu)質(zhì)預(yù)浸帶的產(chǎn)能。

常用的熔融浸漬模具主要有輥系式和彎曲流道式兩種類(lèi)型，其中，彎曲流道式模具因其良好的浸漬和分散效果而廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域中。為了研究可以制備出優(yōu)質(zhì)預(yù)浸帶的彎曲流道式浸漬模具結(jié)構(gòu)，探究模具結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)預(yù)浸帶各項(xiàng)性能的影響，本文采用自行設(shè)計(jì)的兩種模具制備預(yù)浸帶，測(cè)試表征其性能。以袁滿(mǎn)等[12]的理論模型為基礎(chǔ)，建立纖維浸漬模型和斷裂模型。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證模型，并分析模具結(jié)構(gòu)對(duì)預(yù)浸帶性能的影響。

1 纖維浸漬模型和斷裂模型

1.1 模具結(jié)構(gòu)分析

彎曲流道式模具一般由數(shù)個(gè)相同的楔形結(jié)構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。楔形結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)為楔形結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度、楔形結(jié)構(gòu)高度和流道圓角半徑等。

圖1 楔形結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the wedge structure

圖2為波浪形和斜齒形模具的結(jié)構(gòu)示意圖。波浪形模具的上下模板流道壁面相對(duì)平行，且收斂的楔形區(qū)長(zhǎng)度較長(zhǎng)。而相同模具流道長(zhǎng)度的斜齒形模具的主楔形區(qū)個(gè)數(shù)是波浪形模具的兩倍，楔形區(qū)長(zhǎng)度較短，流道單元高度和流道圓角半徑均較小。

圖2 波浪形和斜齒形模具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagrams of the wavy and helical mold structures

兩種模具的楔形結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖如圖3所示。其中，a為楔形區(qū)單元流道頂端到底端的垂直距離(流道單元高度)，b為楔形區(qū)單元流道頂端到底端的水平距離(流道單元長(zhǎng)度)，θ為單個(gè)流道圓角處的纖維包覆角，r為流道圓角半徑，h1為模具間隙(主楔形區(qū)入口高度)，h2為副楔形區(qū)入口高度。斜齒形模具在浸漬過(guò)程中每個(gè)楔形結(jié)構(gòu)處同時(shí)存在兩個(gè)收斂的楔形區(qū)，可以對(duì)纖維上下表面同時(shí)浸漬,如圖3(b)中Ⅰ和Ⅱ區(qū)域所示，Ⅰ區(qū)域?yàn)橹餍ㄐ螀^(qū)，Ⅱ區(qū)域?yàn)楦毙ㄐ螀^(qū)。設(shè)計(jì)這兩種模具旨在探索在相同浸漬流道長(zhǎng)度的模具中楔形結(jié)構(gòu)對(duì)模具浸漬效果的影響。

圖3 波浪形和斜齒形模具的楔形結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig.3 Schematic diagrams of wedge structural parameters of the wavy and helical molds

彎曲流道式模具中每個(gè)楔形區(qū)的浸漬效果都隨著楔形區(qū)結(jié)構(gòu)的變化而變化，模具的浸漬效果為模具中所有楔形區(qū)的浸漬效果總和。理論模型中兩種楔形結(jié)構(gòu)的浸漬效果的計(jì)算方法完全一致，只需要根據(jù)楔形結(jié)構(gòu)參數(shù)改變對(duì)應(yīng)楔形區(qū)的結(jié)構(gòu)參數(shù)即可。兩種模具的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 兩種模具的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of the two molds

單個(gè)楔形區(qū)內(nèi)建立相應(yīng)的直角坐標(biāo)系，楔形區(qū)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中，L為楔形區(qū)長(zhǎng)度，h0為楔形區(qū)出口高度，U0為纖維牽引速度。左側(cè)為楔形區(qū)入口，右側(cè)為楔形區(qū)出口，斜面為模具流道壁面，中間為熔融樹(shù)脂，下側(cè)若干直線(xiàn)表示纖維束。

1.2 纖維浸漬模型

纖維在模具內(nèi)實(shí)際的熔融浸漬過(guò)程是一個(gè)比較復(fù)雜的工藝過(guò)程，因此做出以下假設(shè)以簡(jiǎn)化纖維浸漬模型：1)熔體不受重力、體積力、慣性力等附加力場(chǎng)的作用，且不考慮毛細(xì)管效應(yīng)；2)浸漬模具中熔體的流動(dòng)都是由纖維束拖曳產(chǎn)生的層流流動(dòng)且無(wú)滑移現(xiàn)象，纖維束內(nèi)部的熔體只沿纖維徑向流動(dòng)；3)浸漬過(guò)程中纖維束橫截面為矩形，纖維單絲呈均勻排列并保持不變。

纖維截面示意圖如圖5所示。熔體在纖維中的浸漬過(guò)程可以看作流體在多孔介質(zhì)中流動(dòng)，一般采用達(dá)西定律來(lái)描述[13]，樹(shù)脂沿纖維徑向的浸漬速度u的計(jì)算公式參見(jiàn)文獻(xiàn)[14]。

圖5 纖維截面示意圖Fig.5 Schematic diagram of the fiber section

Kozeny- Carman(KC)方程可以用來(lái)描述在均勻排列的纖維束形成的多孔介質(zhì)中流體的浸漬過(guò)程[15]。Yazdchi等[16]推導(dǎo)了樹(shù)脂在纖維束中的滲透率預(yù)測(cè)公式，如式(1)所示，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)纖維束的孔隙率為0.5～0.7時(shí)滲透率較穩(wěn)定。

(1)

式中，Ki為第i個(gè)楔形區(qū)的樹(shù)脂滲透率，d為纖維單絲直徑，φi為將要進(jìn)入第i個(gè)楔形區(qū)前的纖維束的孔隙率，k0為Kozeny- Carman常數(shù)(一般取120)。

浸漬過(guò)程中纖維展寬主要受纖維預(yù)分散設(shè)備的影響，本文所用的預(yù)分散設(shè)備為自行設(shè)計(jì)的機(jī)械輥，結(jié)構(gòu)如圖6所示。每一束玻璃纖維中有幾千根玻璃纖維，其中的受力情況無(wú)法具體分析，纖維預(yù)分散展寬與預(yù)分散輥半徑、纖維所受包覆角、牽引速度等有關(guān)，因此可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)分散裝置后纖維束的展寬進(jìn)行預(yù)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)公式。

圖6 分散輥示意圖Fig.6 Schematic diagram of the dispersing roller

通過(guò)設(shè)計(jì)兩因素三水平一響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，由Design Expert軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得到纖維分散展寬的預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式為

B=8.624-0.162 5U0+0.012 235J

(2)

式中，B為纖維束展寬，J為預(yù)分散纖維包覆角。

楔形區(qū)出口高度h0一般為纖維束與流道圓角的熔體膜厚度，可以通過(guò)式(3)計(jì)算[17]。

(3)

式中，f為浸漬系數(shù)(熔融浸漬所用纖維束的f值為0.5)，η為熔體黏度，T為纖維束預(yù)緊張力。

一般楔形區(qū)入口高度h1近似于流道間隙Δh。斜齒形模具楔形區(qū)Ⅱ區(qū)的出口高度即為楔形區(qū)Ⅰ區(qū)的入口高度，楔形區(qū)Ⅱ區(qū)的入口高度h2則根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過(guò)式(4)求解。

(4)

(5)

式中，g為模具結(jié)構(gòu)系數(shù)。波浪形模具和斜齒形模具每個(gè)楔形區(qū)Ⅰ區(qū)的平均壓力可通過(guò)式(5)求解。在計(jì)算斜齒形模具楔形區(qū)Ⅱ區(qū)熔體的平均壓力時(shí)，將h0、h1分別替換為h1、h2。

在彎曲流道式浸漬模具中每個(gè)楔形區(qū)只對(duì)纖維束的單面浸漬，所以模具中纖維束的上下表面為交替浸漬，浸漬過(guò)程中上下表面的浸漬深度需要單獨(dú)計(jì)算。聯(lián)立式(1)～(5)可得纖維束經(jīng)過(guò)N次單側(cè)浸漬的浸漬深度ZN為

(6)

根據(jù)纖維束橫截面為矩形的假設(shè)，可以通過(guò)計(jì)算得到纖維束厚度H，計(jì)算公式同袁滿(mǎn)等[12]對(duì)纖維束厚度的計(jì)算方法，則浸漬時(shí)的KC方程中纖維滲透孔隙率φi按纖維束單側(cè)浸漬的計(jì)算公式為

(7)

式中，φ0為纖維初始孔隙率(一般取0.5)，Z(i-1)為第i個(gè)楔形區(qū)前的單側(cè)纖維束浸漬深度。

彎曲流道式浸漬模具的楔形區(qū)一般以成對(duì)設(shè)計(jì)出現(xiàn)，則纖維束的上下兩側(cè)浸漬的楔形區(qū)個(gè)數(shù)相同且浸漬程度相同，所以最終纖維束的整體浸漬深度為2Z(i-1)，則浸漬完成的理論纖維束孔隙率φ為

(8)

在模型的計(jì)算過(guò)程中，當(dāng)φ≤0時(shí)，纖維束浸漬完成，滲透率K=0。纖維的理論浸漬程度D為

(9)

采用三參數(shù)的Carreau模型對(duì)樹(shù)脂熔體黏度η進(jìn)行表征[18]，黏度變化規(guī)律如式(10)所示。

(10)

為了降低黏度計(jì)算過(guò)程的復(fù)雜性，整個(gè)楔形區(qū)內(nèi)的熔體可以取楔形區(qū)中點(diǎn)處的剪切速率進(jìn)行計(jì)算，則一般楔形區(qū)的熔體剪切速率為

(11)

采用旋轉(zhuǎn)流變儀(HAAKE MARS型，德國(guó)賽默飛世爾科技有限公司)測(cè)量BX3920聚丙烯樹(shù)脂在230 ℃下的流變性能，得到樹(shù)脂熔體的黏度變化曲線(xiàn)，如圖7所示。采用Carreau模型對(duì)流變曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，得到樹(shù)脂的流變參數(shù)，如表2所示。

圖7 樹(shù)脂黏度特性曲線(xiàn)Fig.7 Viscosity characteristic curves of the resin

表2 樹(shù)脂熔體的流變參數(shù)Table 2 Rheological parameters of the resin melts

1.3 纖維斷裂模型

纖維浸漬模型中針對(duì)熔融浸漬過(guò)程提出的基本假設(shè)也適用于纖維斷裂模型，同時(shí)為了簡(jiǎn)化計(jì)算做出以下假設(shè)：1)纖維單絲所受的黏性拖曳力只沿纖維軸向方向；2)纖維斷裂只存在于預(yù)分散裝置與浸漬模具中，且斷裂的纖維不會(huì)停留在模具內(nèi)。

本實(shí)驗(yàn)中纖維在預(yù)浸帶熔融浸漬過(guò)程中的斷裂過(guò)程分為兩個(gè)階段：第一階段為纖維經(jīng)過(guò)預(yù)分散裝置時(shí)受機(jī)械輥?zhàn)饔冒l(fā)生斷裂；第二階段為纖維在浸漬模具內(nèi)受樹(shù)脂熔體和浸漬模具結(jié)構(gòu)作用產(chǎn)生的斷裂。

在預(yù)分散過(guò)程中，僅考慮纖維束在分散輥表面上的彎曲應(yīng)力。在模具內(nèi)浸漬過(guò)程中，只考慮纖維上下兩側(cè)受到樹(shù)脂熔體的黏性拖曳力和纖維在彎曲流道壁面上的彎曲應(yīng)力。

單側(cè)每個(gè)楔形區(qū)中最外層纖維受到的黏性拖曳力F由黏性剪切應(yīng)力τzx積分得到。

(12)

拖曳應(yīng)力σ1為

(13)

式中，Nc為纖維束分散后的單層纖維單絲根數(shù)，N為單側(cè)主楔形區(qū)個(gè)數(shù)，df為纖維單絲直徑。

預(yù)分散輥半徑為r1，浸漬模具流道圓角半徑為r2，由于df?r2

圖8 纖維彎曲示意圖Fig.8 Schematic diagram of fiber bending

預(yù)分散裝置處纖維彎曲應(yīng)變?chǔ)?為

(14)

式中，θ1為單個(gè)分散輥處的纖維包覆角。

彎曲應(yīng)力σ2為

σ2=Eε2

(15)

式中，E為彈性模量，Pa。

則浸漬模具處纖維彎曲應(yīng)變?chǔ)?為

(16)

彎曲應(yīng)力σ3為

σ3=Eε3

(17)

用Weibull分布函數(shù)來(lái)描述纖維的斷裂過(guò)程，二參數(shù)的Weibull分布函數(shù)為[19]

(18)

式中，Pσ為纖維斷裂概率；e為自然常數(shù)；σ為纖維所受應(yīng)力，Pa；σ0為Weibull分布函數(shù)的尺度參數(shù)；m為Weibull分布函數(shù)的形狀參數(shù)。

纖維束的外側(cè)纖維受到黏性拖曳力和彎曲應(yīng)力的作用，內(nèi)層纖維只受彎曲應(yīng)力的作用，因此纖維束經(jīng)過(guò)浸漬模具浸漬后，纖維斷裂概率Pσ由內(nèi)側(cè)纖維斷裂概率Pσ1和外側(cè)纖維斷裂概率Pσ2組成，其計(jì)算公式如式(19)所示。

(19)

式中，Nf為纖維束中的纖維單絲總根數(shù)。

將浸漬模具的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)及工藝參數(shù)代入理論模型中計(jì)算，即得出理論纖維浸漬程度和理論纖維斷裂率。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

聚丙烯，BX3920，SK股份有限公司；玻璃纖維，SE4849，歐文斯科寧(中國(guó))投資有限公司。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及工藝參數(shù)

預(yù)浸帶制備設(shè)備采用實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)的預(yù)浸帶生產(chǎn)線(xiàn)，如圖9所示。

圖9 預(yù)浸帶生產(chǎn)線(xiàn)示意圖Fig.9 Schematic diagram of the prepreg tape production line

工藝參數(shù)和輥系浸漬模具結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)浸漬程度存在交互影響，李瑩[20]研究發(fā)現(xiàn)牽引速度、溫度與輥個(gè)數(shù)和輥半徑的交互影響顯著，輥系與齒系結(jié)構(gòu)浸漬模具的浸漬原理相似，因此在研究浸漬模具結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)浸漬效果的影響時(shí)，兩模具制備預(yù)浸帶時(shí)采用相同的工藝參數(shù)，以使研究分析結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠。

主要工藝參數(shù)為：加工溫度230 ℃，牽引速度6 m/min，預(yù)分散包覆角440°，螺桿轉(zhuǎn)速180 r/min。通過(guò)調(diào)整兩種熔融浸漬模具上下模板的間隙，分別制備得到5組纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的預(yù)浸帶樣品，并對(duì)預(yù)浸帶樣品進(jìn)行測(cè)試表征。受實(shí)驗(yàn)設(shè)備和模具自身結(jié)構(gòu)的限制，波浪形模具和斜齒形模具各自可連續(xù)制備預(yù)浸帶的最小模具間隙不同，因此實(shí)驗(yàn)中兩結(jié)構(gòu)的起始模具間隙不一。

2.3 測(cè)試與表征

2.3.1預(yù)浸帶孔隙率

采用孔隙率來(lái)表征預(yù)浸帶的浸漬程度。預(yù)浸帶中孔隙所占的表觀體積分?jǐn)?shù)即孔隙率，浸漬程度越好，預(yù)浸帶的孔隙率越低。按照ASTM D2734- 09[21]，采用密度測(cè)試儀(PMMD- A型，北京冠測(cè)精電儀器設(shè)備有限公司)測(cè)試孔隙率，計(jì)算公式為[18]

(20)

其中，

(21)

(22)

式中，φ為孔隙率，ρT為預(yù)浸帶理論密度，ρM為預(yù)浸帶表觀密度，ρr為樹(shù)脂密度，ρf為纖維密度，m為預(yù)浸帶質(zhì)量，mr為預(yù)浸帶中樹(shù)脂質(zhì)量，mf為預(yù)浸帶中纖維質(zhì)量，V為預(yù)浸帶表觀體積。

2.3.2纖維斷裂率

纖維經(jīng)過(guò)浸漬模具浸漬后纖維斷裂根數(shù)占纖維束纖維總根數(shù)的比值即纖維斷裂率，可通過(guò)計(jì)算纖維束浸漬前后的線(xiàn)密度損失來(lái)表征[22]。每組取5個(gè)樣品，測(cè)量長(zhǎng)度后放入馬弗爐(SX2- 4- 10型，武漢亞華電爐有限公司)煅燒(550 ℃，4 h)，記錄預(yù)浸帶樣品在煅燒后的纖維總質(zhì)量，并把對(duì)應(yīng)值代入式(23)中計(jì)算纖維斷裂率[18]。

(23)

其中，

(24)

式中，Pf為纖維斷裂率，T0為理論初始線(xiàn)密度，T1為預(yù)浸帶中剩余纖維線(xiàn)密度，Mef為預(yù)浸帶中剩余纖維質(zhì)量，L為5個(gè)預(yù)浸帶樣品的總長(zhǎng)度。

2.3.3界面形貌

取長(zhǎng)度為10 mm的單向預(yù)浸帶樣品，沿纖維軸向撕開(kāi)表層部分纖維和樹(shù)脂，制得試樣，在試樣表面噴金處理后，采用掃描電子顯微鏡(SEM)(4700型，日立(中國(guó))有限公司)觀察纖維表面形貌。

2.3.4纖維分散均勻度

纖維分散均勻度即預(yù)浸帶中沿纖維徑向纖維束的分散情況，可以通過(guò)測(cè)試預(yù)浸帶中纖維束厚度的方差來(lái)表征。取5片試樣，對(duì)預(yù)浸帶截面進(jìn)行打磨拋光，通過(guò)光學(xué)顯微鏡(Leica DM4P型，德國(guó)徠卡顯微系統(tǒng)CMS有限公司)觀察截面，并使用圖像處理軟件Image-Pro Plus測(cè)得均勻分布的10個(gè)點(diǎn)的纖維束厚度，如圖10所示。

圖10 均勻度測(cè)試示意圖Fig.10 Schematic diagram of the uniformity test

試樣的纖維分散均勻度Ef按照式(25)計(jì)算，并以5片試樣結(jié)果的平均值表示。

(25)

其中，

(26)

式中，fE為試樣的纖維束厚度標(biāo)準(zhǔn)差；hEi為纖維束樣本中第i個(gè)點(diǎn)的厚度，mm；h為該批試樣的平均厚度，mm。

2.3.5力學(xué)性能

連續(xù)纖維增強(qiáng)預(yù)浸帶樣條的拉伸性能按照ASTM D3039/D3039M- 14[23]測(cè)定。將預(yù)浸帶模壓(保壓溫度190 ℃，保壓時(shí)間10 min，保壓壓力1 MPa)成型，拉伸樣條尺寸為250 mm×15 mm×1 mm。采用力學(xué)測(cè)試儀(RGM- 100A型，瑞格爾儀器有限公司)測(cè)試。

3 結(jié)果與討論

3.1 孔隙率和斷裂率

圖11和圖12分別為孔隙率和斷裂率隨模具間隙的變化關(guān)系。由結(jié)果可知，孔隙率隨著模具間隙的增大而增大，纖維斷裂率隨著模具間隙的增大而減小。模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)基本一致，且在大部分模具間隙下二者差距不大，表明本文建立的理論模型可以較好地預(yù)測(cè)模具的孔隙率和斷裂率。

圖11 預(yù)浸帶孔隙率隨模具間隙的變化Fig.11 Variation in prepreg tape porosity with mold gap

圖12 纖維斷裂率隨模具間隙的變化Fig.12 Variation in prepreg tape fracture rate with mold gap

由圖11可知，當(dāng)模具間隙小于2 mm時(shí)，斜齒形模具制備的預(yù)浸帶孔隙率比波浪形模具制備的預(yù)浸帶孔隙率小，這是因?yàn)樾饼X形模具的楔形結(jié)構(gòu)個(gè)數(shù)較多，增加了浸漬時(shí)間，從而浸漬程度較好。當(dāng)模具間隙大于2 mm時(shí)，波浪形模具制備的預(yù)浸帶孔隙率更小。當(dāng)模具間隙大于2.5 mm時(shí)，斜齒形模具制備的預(yù)浸帶的理論孔隙率與實(shí)際孔隙率相差很大，主要原因是斜齒形模具的楔形區(qū)單元高度較小，可調(diào)整的模具間隙較小。當(dāng)模具間隙大于單元高度時(shí)，浸漬楔形區(qū)出口高度變得極大，不再為熔體膜狀態(tài)，使得浸漬壓力變化幅度較大，從而理論孔隙率大幅上升。而實(shí)驗(yàn)中預(yù)浸帶在冷卻定型過(guò)程中由于其孔隙較多，壓輥定型造成了纖維內(nèi)部樹(shù)脂的二次浸漬，使得實(shí)際孔隙率與理論孔隙率有所差距。由圖12可知，斜齒形模具比波浪形模具制備的預(yù)浸帶纖維斷裂率高，其原因是斜齒形模具的流道圓角較小，楔形區(qū)個(gè)數(shù)較多，導(dǎo)致纖維所受應(yīng)力增大。

3.2 微觀形貌分析

圖13為兩種模具在不同模具間隙下制備的預(yù)浸帶界面SEM圖像。由圖可知，波浪形模具制備的預(yù)浸帶纖維上包覆的樹(shù)脂量隨著模具間隙的變大而減少，在模具間隙為3 mm時(shí)纖維基本無(wú)明顯樹(shù)脂包覆。斜齒形模具制備的預(yù)浸帶纖維上包覆的樹(shù)脂量也隨著模具間隙的變大而減少，在間隙為2.5 mm時(shí)纖維表面基本無(wú)樹(shù)脂包裹。微觀形貌變化規(guī)律與前文的孔隙率變化規(guī)律基本一致，說(shuō)明孔隙率的分析結(jié)果較準(zhǔn)確。

圖13 兩種模具在不同模具間隙下制備的預(yù)浸帶界面SEM圖Fig.13 SEM images of the prepreg tapes prepared by the two molds under different mold gaps

3.3 纖維分散均勻度

圖14為兩種模具制備的單向預(yù)浸帶的纖維分散均勻度隨模具間隙的變化。兩種模具下的纖維分散均勻度均隨著模具間隙的增大而減小。兩模具在各自的最小模具間隙下，斜齒形模具的預(yù)浸帶有更好的纖維分散效果，波浪形模具的分散均勻度比斜齒形模具低3%左右。斜齒形模具結(jié)構(gòu)的楔形區(qū)單元流道圓角結(jié)構(gòu)與預(yù)分散機(jī)械輥的分散效果相似，可知模具結(jié)構(gòu)中較多的楔形結(jié)構(gòu)個(gè)數(shù)提高了纖維的分散均勻度。

圖14 分散均勻度隨模具間隙的變化Fig.14 Variation in dispersion uniformity of prepreg tape with mold gap

3.4 拉伸性能

圖15和圖16分別為兩種模具制備的單向預(yù)浸帶的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量隨模具間隙的變化。從圖中可以看出，波浪形模具制備的預(yù)浸帶的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量在模具間隙較小時(shí)明顯高于斜齒形模具。當(dāng)預(yù)浸帶的拉伸性能最優(yōu)時(shí)，斜齒形模具和波浪形模具的模具間隙分別為2.0～2.5 mm和1.5～2.5 mm。

圖15 預(yù)浸帶拉伸強(qiáng)度隨模具間隙的變化Fig.15 Variation in tensile strength of prepreg tape with mold gap

圖16 預(yù)浸帶拉伸模量隨模具間隙的變化Fig.16 Variation in tensile modulus of prepreg tape with mold gap

結(jié)合孔隙率和斷裂率的結(jié)果分析，拉伸性能隨著孔隙率的增大和斷裂率的減小而先增大后減小。當(dāng)預(yù)浸帶的孔隙率增大到一定值時(shí)，結(jié)合SEM微觀形貌圖易知樹(shù)脂與纖維之間的結(jié)合情況很差，樹(shù)脂分布變得極不均勻，并且高模具間隙下纖維分散程度更低，則在拉伸過(guò)程中力學(xué)測(cè)試儀對(duì)預(yù)浸帶樣品施加拉力時(shí)，預(yù)浸帶中樹(shù)脂和纖維分布不均使得預(yù)浸帶所受應(yīng)力分布不均，導(dǎo)致測(cè)得的拉伸性能急劇下降，并且孔隙率較高時(shí)模具結(jié)構(gòu)對(duì)拉伸性能的影響極小。

綜合以上分析和理論模型中各參數(shù)的影響，為了制備低孔隙率、低斷裂率、高拉伸性能的預(yù)浸帶，可以結(jié)合波浪形模具結(jié)構(gòu)中較大的流道圓角半徑、較大的流道單元高度，以及斜齒形模具結(jié)構(gòu)中較多的楔形結(jié)構(gòu)個(gè)數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)優(yōu)化熔融浸漬模具。

4 結(jié)論

(1)孔隙率和斷裂率測(cè)試結(jié)果表明，在大部分模具間隙下實(shí)驗(yàn)測(cè)試與理論模型計(jì)算的結(jié)果差距不大，因此本文建立的熔融浸漬模具的纖維浸漬模型和纖維斷裂模型能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)連續(xù)纖維增強(qiáng)預(yù)浸帶的孔隙率和斷裂率。

(2)理論模型計(jì)算及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，斜齒形模具的楔形區(qū)個(gè)數(shù)較多，流道圓角半徑較小，流道單元高度小，模具間隙的可調(diào)范圍較小，使得其制備的預(yù)浸帶纖維斷裂率高，分散效果好，孔隙率低。波浪形模具的楔型結(jié)構(gòu)個(gè)數(shù)少，楔形結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度和流道圓角半徑較大，使得其對(duì)纖維的分散效果和浸漬效果較差，但纖維斷裂率較低，預(yù)浸帶拉伸性能較高。本文下一步工作將兩模具的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合設(shè)計(jì)浸漬模具，以便制備更高質(zhì)量的連續(xù)纖維增強(qiáng)預(yù)浸帶。