楊一飛，王明歡，李 杰，何亞?wèn)|，2，信春玲，任 峰*

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

0 前言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相較于傳統(tǒng)材料，在比強(qiáng)度和比模量等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)［1］，其中纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料有更好的韌性和耐熱性，而且可以再次回收使用，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大［2-3］。在熔融浸漬工藝制備熱塑性復(fù)合材料過(guò)程中，由于熱塑性樹脂黏度高，存在浸漬困難，熔融浸漬工藝過(guò)程難精確描述等問(wèn)題［4］。滲透率K是綜合反映纖維增強(qiáng)體滲透性的參數(shù)，數(shù)值越小，表明樹脂流動(dòng)過(guò)程中受到的阻力越大，浸潤(rùn)纖維越困難，滲透率的研究對(duì)實(shí)現(xiàn)良好的浸漬尤為重要［5-6］。目前有很多學(xué)者做了滲透率相關(guān)的研究，主要采取實(shí)驗(yàn)或者仿真的方法。張浩等［7］通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)纖維體積分?jǐn)?shù)的增大會(huì)減小織物纖維厚度方向滲透率，用于控制纖維厚度并防止纖維變形的剛性構(gòu)件網(wǎng)孔板層開(kāi)孔率的增大會(huì)減小注射壓力對(duì)滲透率的影響。Klunker等［8］對(duì)不同纖維體積分?jǐn)?shù)和不同注射壓力下的碳纖維的厚度方向滲透率進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)壓力對(duì)低纖維體積分?jǐn)?shù)時(shí)的滲透率有顯著影響，而隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，影響減弱。Fauster 等［9］用一種測(cè)量單層單向纖維材料在拉伸載荷作用下滲透率的新方法，到了橫向滲透率隨拉伸載荷的變化規(guī)律。李晨等［10-11］采用Monte Carlo 隨機(jī)算法建立了微觀尺度纖維束內(nèi)單絲隨機(jī)排布結(jié)構(gòu)和纖維束內(nèi)、束外介觀尺度結(jié)構(gòu)模型，研究絲束內(nèi)纖維的隨機(jī)排列對(duì)滲透性和流動(dòng)特性的影響，結(jié)果表明孔隙率對(duì)滲透率的影響最為明顯。當(dāng)前確定滲透率的實(shí)驗(yàn)，大多都是基于低黏度樹脂測(cè)定，針對(duì)高黏度樹脂浸漬纖維束過(guò)程中的滲透率K的確定研究很少；纖維束滲透率確定很少考慮工藝參數(shù)中纖維束張力與浸漬壓力對(duì)纖維束孔隙率和滲透率變化的影響。

本文通過(guò)設(shè)計(jì)纖維束滲透率測(cè)量裝置，模擬連續(xù)纖維熔融浸漬工藝過(guò)程中高黏度樹脂浸漬纖維束過(guò)程，研究工藝參數(shù)中纖維束張力、浸漬壓力對(duì)纖維束孔隙率和滲透率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

聚丙烯，BX3950，密度為0.91 g/cm3，熔體流動(dòng)速率為160 g/10 min，黏度為（200 ℃）156.5 Pa·s，韓國(guó)SK股份有限公司；

玻璃纖維，SE4849，密度為2.62 g/cm3，線密度為2 400 tex，歐文斯科寧（中國(guó)）投資有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

參考熔融浸漬工藝，采用自行設(shè)計(jì)滲透率的測(cè)量裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為了盡可能讓實(shí)驗(yàn)符合實(shí)際情況，使用熱塑性樹脂和連續(xù)單向纖維束為原料，滲透率測(cè)試裝置及實(shí)驗(yàn)過(guò)程示意圖如圖1～3 所示。滲透率測(cè)試裝置主體為柱形，中間有一通孔，內(nèi)部有環(huán)形凹槽可加入樹脂，在主體側(cè)壁開(kāi)細(xì)縫作為樹脂的浸漬口，樹脂通過(guò)細(xì)縫浸漬纖維。頂蓋和底部纖維限位圈通過(guò)螺紋安裝在裝置主體上，纖維纏繞部位底部有頂板，可撬起頂板方便取下浸漬后的纖維，頂蓋有氣路接口，主體底部有熱電偶接口，與控制柜連接進(jìn)行控溫，纖維固定螺栓安裝在頂蓋和主體底部；

圖1 纖維纏繞裝置Fig.1 Fiber winding device

掃描電子顯微鏡（SEM），TM4000 II，日立（中國(guó)）有限公司；

圖2 滲透率測(cè)試裝置Fig.2 Permeability testing device

圖3 裝置實(shí)物圖Fig.3 Device physical diagram

三滑輪張力傳感器，JZHL-3-50N，蚌埠傳感器系統(tǒng)工程有限公司；

PLC，SIMATIC S7-1200，西門子（中國(guó)）有限公司。

1.3 樣品制備

本實(shí)驗(yàn)主要考慮不同纖維束張力和浸漬壓力對(duì)滲透率的影響，通過(guò)改變纖維纏繞分散輥的數(shù)量，調(diào)整纖維的張力，三滑輪張力傳感器通過(guò)PLC 連接電腦讀取實(shí)時(shí)張力數(shù)據(jù)，將纖維均勻纏繞在裝置上，并將纖維末端固定保持張力。加入樹脂后加熱到設(shè)定溫度，緩慢通入氣體到達(dá)設(shè)定氣壓，以氣壓作為樹脂浸漬壓力，達(dá)到設(shè)定時(shí)間后關(guān)閉氣體和加熱，靜置冷卻后取下完成浸漬的纖維試樣。

在本實(shí)驗(yàn)的浸漬過(guò)程中存在3個(gè)浸漬方向，本文測(cè)量的是與浸漬壓力方向相同的浸漬深度，將浸漬壓力、纖維束張力設(shè)為實(shí)驗(yàn)參數(shù)。浸漬時(shí)間為t=300 s，溫度為200 ℃，纖維束張力取4、6、8 N，每種張力的浸漬壓力從0.06～0.18 MPa，間隔0.02 MPa。實(shí)驗(yàn)分組如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)分組Tab.1 Experimental grouping

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

滲透率的測(cè)定：得到實(shí)驗(yàn)試樣后，去除試樣表面未浸漬樹脂的纖維，通過(guò)游標(biāo)卡尺測(cè)得徑向最厚位置的數(shù)值即為浸漬深度，如圖4所示。

圖4 纖維束浸漬深度Fig.4 Fiber bundle impregnation depth

達(dá)西定律可描述樹脂浸漬纖維過(guò)程，如式（1）所示：

式中u——浸漬速率，m/s

t——浸漬時(shí)間，s

Z——浸漬深度，m

K——滲透率，m2

P——浸漬壓力，Pa

η——熔體黏度，Pa·s

對(duì)達(dá)西定律進(jìn)行積分，可得式（2），通過(guò)此式算出滲透率K。

纖維孔隙測(cè)量：沿浸漬深度方向切割制備截面，打磨平整后用SEM 觀察浸漬截面，如圖5 所示，在遠(yuǎn)離浸漬口、靠近浸漬口和左右邊緣每個(gè)位置拍攝顯微圖像，通過(guò)Image-Pro Plus 軟件處理，可得出孔隙總面積，孔隙總面積與截面總面積之比即為孔隙率，判斷不同纖維束張力和浸漬壓力下對(duì)纖維孔隙產(chǎn)生的影響。

圖5 SEM觀察截面取樣位置Fig.5 Sampling position of SEM observation section

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合方程

每組條件取4 個(gè)數(shù)據(jù)，根據(jù)式（3）求出每組的浸漬深度平均值Z，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 浸漬深度平均值ZTab.2 Average value of immersion depth

式中Zi——每個(gè)測(cè)量處的浸漬深度，mm

將浸漬深度Z和其他參數(shù)代入式（2）即中計(jì)算出滲透率K，以滲透率K為因變量，以纖維束張力F和浸漬壓力P為自變量，使用Matlab進(jìn)行編程擬合，擬合結(jié)果如式（4）所示：

由Matlab 得出擬合曲面如圖6 所示，不同壓力和不同張力情況下擬合曲線如圖7、8所示，可以看出擬合方程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果規(guī)律相符，且誤差較小。

圖6 滲透率擬合曲面Fig.6 Permeability fitting surface

由圖7、8 可以看出，在本實(shí)驗(yàn)中，纖維束張力相同的情況下，浸漬壓力越大滲透率越高，浸漬壓力相同時(shí)，纖維束張力越大滲透率越低。并且在纖維束張力為4 N 時(shí)，滲透率隨浸漬壓力升高的趨勢(shì)十分明顯，而纖維束張力從4 N 增大到8 N 時(shí)，滲透率隨浸漬壓力增大而升高的趨勢(shì)逐漸降低，浸漬壓力對(duì)滲透率的影響變小。這是由于孔隙率隨著張力的增大而減小，隨浸漬壓力的增大而增大，纖維束受張力和壓力引起孔隙變化的示意圖如圖9 所示，單向纖維在浸漬過(guò)程中，橫向受到樹脂浸漬給到的壓力，纖維會(huì)向樹脂流動(dòng)方向產(chǎn)生彎曲變形，使纖維間孔隙增大，滲透率也增大。在纖維束張力較大時(shí)，孔隙率很小，其變化對(duì)滲透率的影響也會(huì)減小，因此在張力較大時(shí)，滲透率隨浸漬壓力增大而增大的趨勢(shì)逐漸減小。

圖7 滲透率擬合曲線與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Fig.7 Comparison of the permeability fitting data with the experimental value

圖8 纖維束張力和滲透率的關(guān)系Fig.8 The relationship between permeability and fiber bundle tension

圖9 因壓力和張力引起纖維變形導(dǎo)致孔隙的變化Fig.9 Changes in porosity caused by fiber deformation due to pressure and tension

2.2 纖維束張力和浸漬壓力對(duì)孔隙率的影響

圖10為試樣截面的SEM 照片，可以看到不同條件和不同位置的孔隙率有所不同。通過(guò)Image-Pro Plus軟件處理計(jì)算后不同張力下的截面不同位置孔隙率結(jié)果如圖11 所示，由圖可知靠近浸漬口位置的孔隙率大于其他位置的孔隙率，這說(shuō)明了樹脂的壓力導(dǎo)致纖維變形確實(shí)使纖維局部體積分?jǐn)?shù)有了較明顯的減小。

圖10 不同參數(shù)下不同位置的SEM照片F(xiàn)ig.10 SEM of various positions under different conditions

圖11 不同纖維束張力下各位置的孔隙率Fig.11 Porosity at each position under different fiber bundle tensions

圖12 為不同位置孔隙率隨浸漬壓力變化的關(guān)系，可以看出，位置A 和C 的孔隙率幾乎不隨浸漬壓力變化而變化，而位置B 孔隙率隨著浸漬壓力的增大而減小，且孔隙率隨浸漬壓力增大的趨勢(shì)隨著纖維束張力的增大而減小。可能是由于張力較低時(shí)，纖維軸向約束小，纖維之間的空隙較大，纖維也更容易向樹脂流動(dòng)方向變形，使局部孔隙更容易增大；而張力較高時(shí)，纖維軸向約束大，纖維之間的空隙也小，纖維的彎曲更加困難，使孔隙變化較小。

圖12 不同位置處的孔隙率Fig.12 Porosity at different locations

2.3 滲透率擬合方程的驗(yàn)證

熔融浸漬工藝中的彎曲流道模具結(jié)構(gòu)如圖13所示，在彎曲流道模具中，模具通過(guò)楔形結(jié)構(gòu)收斂建壓，使樹脂浸入纖維間隙中。同時(shí)樹脂對(duì)纖維有不可忽略的黏性拖曳力，所以隨著楔形區(qū)的增加，纖維束所受張力逐漸增加，因此每經(jīng)過(guò)一個(gè)楔形區(qū)纖維束的滲透率都會(huì)變小。不同溫度下樹脂黏度不同，使楔形區(qū)浸漬壓力也不相同，滲透率也會(huì)發(fā)生改變。而在袁滿［12］建立的浸漬模型中，采用Kozeny-Carman 方程計(jì)算滲透率，沒(méi)有考慮楔形區(qū)的浸漬壓力和纖維束張力對(duì)纖維孔隙產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響滲透率，使理論值與實(shí)驗(yàn)值之間存在差距。根據(jù)文獻(xiàn)［12］，浸漬壓力表達(dá)式如式（5）所示。

圖13 模具楔形區(qū)結(jié)構(gòu)Fig.13 Schematic of mold wedge structure

式中h1——楔形區(qū)入口高度，m

h0——楔形區(qū)出口高度，m

L——楔形區(qū)長(zhǎng)度，m

B——纖維束展寬，m

U0——牽引速度，m/s

g——只與楔形區(qū)進(jìn)出口高度有關(guān)的結(jié)構(gòu)系數(shù)浸漬程度的表達(dá)式如式（6）所示：

式中D——浸漬程度，%

H——纖維束寬度，m

?0——纖維束初始孔隙率

N——楔形區(qū)個(gè)數(shù)

ZN——纖維束單側(cè)浸漬深度，m

Ki——第i個(gè)楔形區(qū)的滲透率

陳劍昭［13］給出了纖維在模具中所受的黏性拖曳力的關(guān)系式如式（7）所示：

式中Fd——黏性拖曳力，N

τ——黏性拖曳應(yīng)力，Pa

h——楔形區(qū)任意位置處的高度，m

不同溫度下的樹脂黏度η可通過(guò)旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)出，溫度越高，樹脂黏度越低。將式（4）、（5）聯(lián)立，代入不同溫度下的樹脂黏度和纖維束張力等其他參數(shù)，可計(jì)算出各溫度的滲透率。圖14示出了不同溫度下第一個(gè)楔形區(qū)分別采用擬合方程和Kozeny-Carman 方程計(jì)算的滲透率，可以看出由于溫度變化引起樹脂黏度變化，使浸漬壓力和纖維束張力改變，影響了纖維孔隙率，從而使?jié)B透率也發(fā)生改變，與文獻(xiàn)［12］采用Kozeny-Carman方程計(jì)算相比，會(huì)更加接近實(shí)際情況。

圖14 不同溫度下第一個(gè)楔形區(qū)擬合方程與Kozeny-Carman方程計(jì)算滲透率的對(duì)比Fig.14 Comparison of the first wedge-shaped area number fitting equation and that of Kozeny-Carman for calculating permeability at different temperature

將采用擬合方程計(jì)算的滲透率代入式（6）中，得出的浸漬程度理論值與袁滿［12］論文中的理論值和實(shí)驗(yàn)值對(duì)比，如圖15所示，不同計(jì)算方法所得浸漬程度理論值與實(shí)驗(yàn)值誤差如圖16 所示，可以看到采用本文擬合方程計(jì)算滲透率后得出的浸漬程度理論值與實(shí)驗(yàn)值誤差在0.4%左右，并且隨著溫度的增加誤差逐漸減小，低于采用Kozeny-Carman 方程計(jì)算的理論值，所以采用擬合方程計(jì)算滲透率能更好的反映實(shí)際規(guī)律，證明滲透率擬合方程式是可靠的。但由于浸漬模具中纖維束孔隙率的變化情況較為復(fù)雜，擬合公式只考慮了浸漬壓力和纖維束張力的影響，所以仍存在誤差。

圖15 不同溫度下浸漬程度理論值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比Fig.15 Comparison of theoretical values and experimental ones of impregnation degree at different temperature

圖16 不同計(jì)算方法理論值與實(shí)驗(yàn)值的誤差Fig.16 The error between theoretical values from different calculation methods and experimental ones

3 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了滲透率測(cè)量裝置，對(duì)高黏度樹脂浸漬纖維束的滲透率進(jìn)行了測(cè)量。結(jié)果表明，浸漬壓力相同時(shí)，纖維束張力從4 N增大到8 N的過(guò)程中，滲透率逐漸降低，浸漬壓力從0.06 MPa 增大到0.18 MPa 的過(guò)程中，滲透率逐漸增大，但增大幅度隨張力增大而減??；

（2）對(duì)纖維束張力、浸漬壓力和滲透率之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，通過(guò)將采用擬合方程計(jì)算滲透率后得出的浸漬程度與前人建立模型理論值和實(shí)驗(yàn)值的比較，誤差在0.4 %左右，與前人相比誤差降低了1 %～0.2%，表明擬合結(jié)果能較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)高黏度樹脂浸漬纖維束的滲透率。