卓 鵬，劉 強(qiáng)，趙 龍，寧慧銘，周勝兵，胡 寧，3，周海麗，李 超，張立泉

（1.中國(guó)航空制造技術(shù)研究院復(fù)合材料技術(shù)中心，北京 101300；2.重慶大學(xué)航空航天學(xué)院，重慶 400044；3.河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300401；4.南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院，南京 211101）

0 引言

樹(shù)脂基復(fù)合材料具有低密度、高比強(qiáng)度、高比剛度和良好的耐久性以及整體成型等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于航空制造領(lǐng)域。采用樹(shù)脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可以提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，實(shí)現(xiàn)高減重，例如：GE 公司采用的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)單個(gè)大涵道風(fēng)扇葉片已經(jīng)達(dá)到減重10%以上，單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片數(shù)量減少了25%以上（由22 片減至16 片），是當(dāng)今樹(shù)脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在高性能發(fā)動(dòng)機(jī)冷端部件上應(yīng)用的重要標(biāo)志。另外，在LEAP-X、GE9X等發(fā)動(dòng)機(jī)上，風(fēng)扇葉片、風(fēng)扇包容機(jī)匣等部件使用了三維機(jī)織復(fù)合材料，該復(fù)合材料是把X、Y、Z3個(gè)方向的紗線(xiàn)交織整合為一個(gè)整體，通過(guò)Z向的增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)層板復(fù)合材料的層間性能及抗沖擊性能[1-3]。

三維機(jī)織復(fù)合材料采用的是樹(shù)脂模塑傳遞工藝RTM（Resin Transfer Molding），該工藝為非熱壓罐成型低成本復(fù)合材料成型技術(shù)[4]，即：將織造完成的三維機(jī)織預(yù)制體放入成型模具，將樹(shù)脂注入模具腔體中，浸潤(rùn)纖維預(yù)制體，樹(shù)脂經(jīng)過(guò)升溫、固化，最終成型出三維機(jī)織復(fù)合材料制件。對(duì)于復(fù)合材料制件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片），在樹(shù)脂注入模具腔體的過(guò)程中，通過(guò)減紗的方式改變?nèi)S機(jī)織預(yù)制體的厚度[5-6]，會(huì)使預(yù)制體內(nèi)纖維的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而影響預(yù)制體的滲透特性。目前，復(fù)合材料預(yù)制體滲透性能的前期研究主要集中在單向織物或二維織物堆疊成的鋪層結(jié)構(gòu)的平板預(yù)制體滲透率測(cè)試以及影響滲透率的因素研究[7-14]，如：預(yù)制體鋪層結(jié)構(gòu)及厚度、纖維體積含量、毛細(xì)壓力、流動(dòng)速度、試驗(yàn)流體黏度、纖維剪切變形等影響因素。還有一些研究是針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的預(yù)制體滲透性進(jìn)行的測(cè)試，如葉片大梁、帶筋壁板等結(jié)構(gòu)[15-17]。而針對(duì)三維機(jī)織預(yù)制體的滲透性的研究較少，Alhussein等[18]在其研究中測(cè)試了3D織物預(yù)制體的面內(nèi)和面外的滲透特性。三維正交結(jié)構(gòu)的機(jī)織預(yù)制體在面內(nèi)的滲透特性更趨近于各向異性介質(zhì)，且面外的滲透率受到纖維體積含量的影響更大。劉振國(guó)等[19]研究了三維五向編織預(yù)制體的滲透率，通過(guò)徑向法實(shí)驗(yàn)測(cè)量了三維全五向編織平板預(yù)制體的滲透率，獲得了不同編織角下預(yù)制件的軸向和垂向的非飽和滲透率。本項(xiàng)目組也在前期工作針對(duì)三維機(jī)織預(yù)制體采用超聲透射法測(cè)試了三維機(jī)織預(yù)制體的面外滲透特性[20]。而減紗結(jié)構(gòu)的三維機(jī)織預(yù)制體的滲透特性目前還沒(méi)有得到系統(tǒng)研究。

本文針對(duì)含減紗結(jié)構(gòu)的三維機(jī)織預(yù)制體，設(shè)計(jì)了滲透特性的測(cè)試裝置。測(cè)試三維機(jī)織預(yù)制體不同的減紗間距、減紗帶的方向及表面減紗結(jié)構(gòu)對(duì)三維機(jī)織預(yù)制體滲透特性的影響，為帶減紗帶的三維機(jī)織結(jié)構(gòu)預(yù)制體RTM成型工藝中的充模過(guò)程提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本次研究所使用威海拓展公司的CCF800G碳纖維作為三維機(jī)織預(yù)制體的機(jī)織材料。測(cè)試用三維機(jī)織預(yù)制體由南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院織造，織造的結(jié)構(gòu)為貫穿角連鎖結(jié)構(gòu)，經(jīng)紗的紗線(xiàn)規(guī)格為48K（48 000根紗線(xiàn)），緯紗的紗線(xiàn)規(guī)格為36K。滲透測(cè)試中采用植物油模擬樹(shù)脂在三維機(jī)織預(yù)制體中的滲透過(guò)程，測(cè)試的環(huán)境溫度為室溫。

碳纖維絲束通過(guò)織機(jī)織造成含有不用減紗帶的不同形狀的機(jī)織預(yù)制體。將機(jī)織預(yù)制體放置在有機(jī)玻璃制成的模具型腔中，通過(guò)抽真空的方式將樹(shù)脂注入型腔中，將機(jī)織預(yù)制體纖維浸潤(rùn)，液體的注入壓力約為95 kPa。

減紗帶預(yù)制體模具結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于預(yù)制體下表面均為平面結(jié)構(gòu)，因此模具的下壓板和側(cè)板保持不變，通過(guò)改變上壓板內(nèi)表面形狀來(lái)適配預(yù)制體結(jié)構(gòu)。上壓板采用下陷式結(jié)構(gòu)以保證裝模到位和密封。本次研究共測(cè)試了7種不同結(jié)構(gòu)的預(yù)制體，具體試驗(yàn)件編號(hào)及預(yù)制體結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試預(yù)制體試驗(yàn)件列表Tab.1 List of testing preform samples

圖1 減紗帶預(yù)制體滲透測(cè)試模具示意圖及測(cè)試模具Fig.1 Diagram and testing mold for the permeability testing of the preform with tow reduction

2 結(jié)果分析

2.1 無(wú)減紗帶預(yù)制體滲透規(guī)律

首先對(duì)無(wú)減紗帶的平板結(jié)構(gòu)預(yù)制體試驗(yàn)件進(jìn)行了滲透特性測(cè)試，試驗(yàn)件的尺寸為300 mm×300 mm。1號(hào)試驗(yàn)件的表層紗線(xiàn)規(guī)格為24 K，2號(hào)試驗(yàn)件的表層紗線(xiàn)規(guī)格為48 K，其余經(jīng)緯紗規(guī)格保持一致。樹(shù)脂滲透預(yù)制體過(guò)程如圖2a）和b）所示。從圖中可見(jiàn)，樹(shù)脂浸潤(rùn)預(yù)制體的流動(dòng)前鋒面積呈橢圓形，其X，Y軸方向與預(yù)制體經(jīng)緯紗方向存在一定角度。1號(hào)試驗(yàn)件中樹(shù)脂流動(dòng)前鋒橢圓形X軸與預(yù)制體經(jīng)紗方向呈31°，2號(hào)試驗(yàn)件樹(shù)脂流動(dòng)前鋒橢圓形X軸與預(yù)制體經(jīng)紗方向呈29°。在1號(hào)試驗(yàn)件中，樹(shù)脂在X方向速度明顯快于Y方向，而在2號(hào)試驗(yàn)件中，X和Y方向樹(shù)脂的流動(dòng)速率差距小于1號(hào)試驗(yàn)件。記錄兩個(gè)試驗(yàn)件中樹(shù)脂在不同時(shí)刻流動(dòng)前鋒位置，通過(guò)式（1）和式（2）可計(jì)算出預(yù)制體的X，Y方向的滲透率，結(jié)果如圖2c）所示。

圖2 a)表層經(jīng)紗紗線(xiàn)規(guī)格為24K 無(wú)減紗帶三維機(jī)織預(yù)制體滲透測(cè)試；b)表層經(jīng)紗紗線(xiàn)規(guī)格為48K 無(wú)減紗帶三維機(jī)織預(yù)制體滲透測(cè)試；c)不同表層經(jīng)紗紗線(xiàn)規(guī)格無(wú)減紗帶三維機(jī)織預(yù)制體X，Y 方向滲透率比較Fig.2 a)3D woven preform with 24K surface warp tows but no tow reduction permeability test;b)3D woven preform with 48K surface warp tows but no tow reduction permeability test;c)X and Y direction permeability comparison between 3D woven preform with different surface fiber tow size.

式中：Kx為X方向滲透率，Ky為Y方向滲透率；R0、Rx、Ry分別為注入半徑、X方向流動(dòng)前沿半徑、Y方向流動(dòng)前沿半徑；η為流體黏度，Φ為空隙率；t是液體從開(kāi)始注入到流動(dòng)前沿半徑所用的時(shí)間；ΔP是注入口和流動(dòng)前沿之間的壓力差。

由結(jié)果可知，1號(hào)試驗(yàn)件預(yù)制體X向的滲透率較高，為2號(hào)試驗(yàn)件預(yù)制體X方向滲透率的4倍。1號(hào)試驗(yàn)件和2號(hào)試驗(yàn)件Y方向的滲透率近似。X方向滲透率的差異主要由不同的表層經(jīng)紗紗線(xiàn)規(guī)格造成。1號(hào)試驗(yàn)件表層經(jīng)紗紗線(xiàn)規(guī)格為24K，紗線(xiàn)較細(xì)，紗線(xiàn)之間的間隙要多于2號(hào)試驗(yàn)件，這些間隙充當(dāng)了樹(shù)脂的流道，從而提高了該方向的滲透率。由于1號(hào)試驗(yàn)件和2號(hào)試驗(yàn)件的緯紗紗線(xiàn)規(guī)格相同，因此Y方向的滲透率相似。

2.2 不同減紗帶間距對(duì)樹(shù)脂滲透影響

3號(hào)試驗(yàn)件和4號(hào)試驗(yàn)件為2種減紗帶距離不同的預(yù)制體試驗(yàn)件，2個(gè)試驗(yàn)件的長(zhǎng)度和寬度為300 mm，厚端高度為14.3 mm，薄端為8.2 mm，表層經(jīng)紗紗線(xiàn)規(guī)格為48 K，與2號(hào)試驗(yàn)件一致。3號(hào)試驗(yàn)件減紗帶的整體長(zhǎng)度為200 mm，共5層減紗，每層減紗的間距為50 mm，結(jié)構(gòu)如圖3a）所示；4號(hào)試驗(yàn)件減紗帶的整體長(zhǎng)度為80 mm，共5 層減紗，每層減紗的間距為20 mm，結(jié)構(gòu)如圖3b）所示。樹(shù)脂的流動(dòng)方向如圖3 所示，與預(yù)制體的經(jīng)向一致。

圖3 含減紗帶3 號(hào)和含減紗帶4 號(hào)預(yù)制體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Sketch of No.3 and No.4 preforms with tow reduction

2個(gè)試驗(yàn)件放置在與型面相匹配雙面模具中，樹(shù)脂由試驗(yàn)件厚端中部進(jìn)入，從薄側(cè)中部流出。除進(jìn)出膠口，預(yù)制體四邊均用膩?zhàn)用芊狻?個(gè)試驗(yàn)件樹(shù)脂浸潤(rùn)過(guò)程如圖4所示，樹(shù)脂流動(dòng)前鋒呈橢圓形。與1號(hào)和2號(hào)試驗(yàn)件相似，樹(shù)脂流動(dòng)前鋒所呈橢圓形X軸的方向與預(yù)制體經(jīng)紗方向夾角為30°左右。

圖4 含減紗帶3 號(hào)和含減紗帶4 號(hào)試驗(yàn)件樹(shù)脂浸潤(rùn)過(guò)程Fig.4 Resin infusion figures of No.3 and No.4 preforms with tow reduction

通過(guò)攝像裝置可記錄樹(shù)脂滲透過(guò)程中不同時(shí)刻預(yù)制體上下表面樹(shù)脂流動(dòng)前鋒的位置。圖5a）和b）展示了3號(hào)試驗(yàn)件和4號(hào)試驗(yàn)件不同時(shí)間上、下表面流動(dòng)前鋒的位置。由圖5a）可見(jiàn)，3號(hào)試驗(yàn)件同一時(shí)間下流動(dòng)前鋒在上、下表面的位置基本一致。而4號(hào)試驗(yàn)件下表面的流動(dòng)前鋒速度要略低于上表面。3號(hào)試驗(yàn)件樹(shù)脂到達(dá)出膠口的時(shí)間更長(zhǎng)，大約為30 min；4號(hào)試驗(yàn)件樹(shù)脂到達(dá)出膠口的時(shí)間約為23 min。3號(hào)試驗(yàn)件中由于減紗帶分布均勻，樹(shù)脂的流動(dòng)較為平緩，樹(shù)脂流動(dòng)前鋒跨過(guò)減紗帶的時(shí)間約為3～5 min。4號(hào)試驗(yàn)件減紗帶距離較短，流動(dòng)前鋒跨過(guò)減紗帶的時(shí)間也較短。從圖5b）可看出，4號(hào)試驗(yàn)件樹(shù)脂的流動(dòng)在機(jī)織預(yù)制體的經(jīng)向方向上比3號(hào)試驗(yàn)件快，因此形成的樹(shù)脂流動(dòng)前鋒形狀更趨于扁平的橢圓形。3號(hào)試驗(yàn)件樹(shù)脂在14 min后流動(dòng)前鋒趨于水平向前移動(dòng)，而4號(hào)試驗(yàn)件的流動(dòng)前鋒一直呈橢圓形向前移動(dòng)直到到達(dá)出膠口并填滿(mǎn)模腔。

圖5 含減紗帶3 號(hào)和含減紗帶4 號(hào)試驗(yàn)件不同時(shí)間流動(dòng)前鋒位置Fig.5 Resin low front of preform No.3 and No.4 at different time

通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看出，減紗帶的間距影響了樹(shù)脂在預(yù)制體中的流動(dòng)。當(dāng)減紗帶的間距較小時(shí)，預(yù)制體的厚度急劇減小。上表面的樹(shù)脂與模具腔體上表面斜坡相遇，從而樹(shù)脂在4號(hào)預(yù)制體上表面的流速要高于下表面。同時(shí)，由于樹(shù)脂在經(jīng)向方向的流動(dòng)速度增加可能導(dǎo)致在緯向方向的流速降低。

2.3 減紗帶方向與樹(shù)脂注射方向呈不同角度對(duì)樹(shù)脂滲透影響

5號(hào)試驗(yàn)件與6號(hào)試驗(yàn)件分別為減紗帶與樹(shù)脂流動(dòng)方向呈0°及45°的預(yù)制體。5號(hào)試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)與3號(hào)試驗(yàn)件相似，減紗的間距同為50 mm，如圖6a）所示。但樹(shù)脂不是從厚端流向薄端，而是從側(cè)向進(jìn)出膠。樹(shù)脂進(jìn)出膠口方向與機(jī)織預(yù)制體的經(jīng)向一致。

樹(shù)脂在5號(hào)試驗(yàn)件中浸潤(rùn)過(guò)程及不同時(shí)刻流動(dòng)前鋒位置如圖6b）和c）所示。流動(dòng)前鋒的形狀與之前的試驗(yàn)件一致呈橢圓形，與經(jīng)向夾角為30°左右。與減紗帶與流動(dòng)方向呈90°的3號(hào)試驗(yàn)件相比，樹(shù)脂在5號(hào)試驗(yàn)件中的流動(dòng)速度比3號(hào)慢很多。樹(shù)脂到達(dá)出膠口一側(cè)需要60 min，為3號(hào)試驗(yàn)件的2倍時(shí)間。從圖6同樣可以看出，由于減紗層，預(yù)制體厚度減小，樹(shù)脂在預(yù)制體中上表面的流速要高于下表面。

圖6 含減紗帶5 號(hào)預(yù)制體結(jié)構(gòu)示意圖，試驗(yàn)件樹(shù)脂浸潤(rùn)過(guò)程及試驗(yàn)件不同時(shí)間流動(dòng)前鋒位置Fig.6 Sketch,infusion process and flow front at different times of preform No.5

6號(hào)試驗(yàn)件減紗帶的角度為45°，減紗的間距同為50 mm，結(jié)構(gòu)如圖7a）所示。進(jìn)膠口與出膠口位置以及經(jīng)紗方向如圖7b）所示。6 號(hào)試驗(yàn)件不同時(shí)刻樹(shù)脂流動(dòng)前鋒如圖7c）所示。樹(shù)脂流動(dòng)前鋒不再呈橢圓形，而是與經(jīng)紗方向呈30°直線(xiàn)向前移動(dòng)。而且樹(shù)脂在試驗(yàn)件較薄的一側(cè)（左側(cè)）的流動(dòng)速度要高于較厚一側(cè)（右側(cè)）。6號(hào)試驗(yàn)件樹(shù)脂到達(dá)出膠口的時(shí)間大約為12 min。6號(hào)試驗(yàn)件流動(dòng)前鋒形狀與1-5號(hào)試驗(yàn)件的不同，主要由于進(jìn)出膠口的方向與經(jīng)紗的方向不同造成。1-5 號(hào)試驗(yàn)件中進(jìn)出膠口方向與經(jīng)紗方向一致，而6 號(hào)試驗(yàn)件中進(jìn)出膠口方向與經(jīng)紗方向呈90°。但樹(shù)脂的主流動(dòng)方向仍保持與經(jīng)紗方向夾角為30°左右，因此6號(hào)試驗(yàn)件的流動(dòng)前鋒更接近于試驗(yàn)件2中Y方向的流動(dòng)前鋒，呈現(xiàn)為一條與經(jīng)紗夾角30°的斜線(xiàn)，而不是橢圓狀。

圖7 含減紗帶6 號(hào)預(yù)制體結(jié)構(gòu)示意圖，試驗(yàn)件樹(shù)脂浸潤(rùn)過(guò)程及試驗(yàn)件不同時(shí)間流動(dòng)前鋒位置Fig.7 Sketch,infusion process and flow front at different times of preform No.6

3號(hào)試驗(yàn)件、5號(hào)試驗(yàn)件和6號(hào)試驗(yàn)件均為同樣含有間隔為50 mm的減紗帶預(yù)制體，但減紗帶方向與樹(shù)脂注射方向與經(jīng)紗的夾角不同。比較3個(gè)試驗(yàn)件的樹(shù)脂到達(dá)出膠口時(shí)間，如圖8所示。減紗帶與樹(shù)脂注射方向呈0°（5號(hào)試驗(yàn)件）樹(shù)脂到達(dá)出膠口的時(shí)間最長(zhǎng)，而減紗帶與樹(shù)脂注射方向呈45°（6號(hào)試驗(yàn)件）樹(shù)脂到達(dá)出膠口的時(shí)間最短。減紗帶與樹(shù)脂注射方向呈90°（3號(hào)試驗(yàn)件）樹(shù)脂到達(dá)出膠口的時(shí)間居中。6號(hào)試驗(yàn)件樹(shù)脂到達(dá)出膠口時(shí)間最短是由于6號(hào)試驗(yàn)件總體體積最小，需要的樹(shù)脂量少。同時(shí)，6號(hào)試驗(yàn)件的進(jìn)膠口在較薄一側(cè)，因此樹(shù)脂在前期的流動(dòng)會(huì)更快。5號(hào)試驗(yàn)件和3號(hào)試驗(yàn)件體積相同，但5號(hào)試驗(yàn)件的充模時(shí)間較長(zhǎng)可能是由于合模過(guò)程中壓力過(guò)高導(dǎo)致纖維體積含量提升，或是出現(xiàn)真空泄露導(dǎo)致真空壓力不足引起。

圖8 減紗帶方向與樹(shù)脂注射方向呈不同角度的試驗(yàn)件的樹(shù)脂到達(dá)出膠口的時(shí)間Fig.8 Resin reaching outlet time of preforms with tow reduction lines at different angles

2.4 含減紗帶典型結(jié)構(gòu)滲透測(cè)試

三維機(jī)織航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)存在不同位置厚度和曲面的變化，相應(yīng)的三維機(jī)織預(yù)制體中包含多種不同間距、不同角度的減紗帶。因此，選取一典型航空機(jī)織復(fù)合材料制件結(jié)構(gòu)作為測(cè)試對(duì)象，如圖9所示。該典型件預(yù)制體尺寸為300 mm×300 mm，上、下兩面均含減紗帶，厚端厚度為22 mm，薄端厚度為4 mm，典型件預(yù)制體選擇與之前試驗(yàn)件同樣的紗線(xiàn)規(guī)格和機(jī)織結(jié)構(gòu)。從圖9中可以看到減紗帶的形狀為多個(gè)半橢圓形，在中間和下側(cè)減紗帶的間距較寬，在左、右兩側(cè)減紗帶的間距較窄。進(jìn)膠口設(shè)置在厚端的中間位置，進(jìn)膠的方向與機(jī)織預(yù)制體經(jīng)紗方向一致。在典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件的中間部分可以近似為如3 號(hào)和4 號(hào)試驗(yàn)件中分布的水平方向的減紗帶。在典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件的兩側(cè)可以近似為如5號(hào)試驗(yàn)件中垂直方向的減紗帶，且減紗帶的間距較小，約5 mm。其余位置的減紗帶與進(jìn)出膠口方向呈一定角度，與6號(hào)試驗(yàn)件相似。

圖9 含減紗帶典型結(jié)構(gòu)示意圖及典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件Fig.9 A sketch and a photo of a typical preform with tow reduction lines

含減紗帶典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件不同時(shí)刻上下表面流動(dòng)前鋒位置如圖10 所示。樹(shù)脂充滿(mǎn)模具的時(shí)間約為7.5 min（450 s），由于上下表面減紗帶的分布不同，上下表面的流動(dòng)前鋒存在一定差異。上表面前1.5 min（90 s）流動(dòng)前鋒為圓弧形，樹(shù)脂在中間的流動(dòng)速率要高于兩側(cè)。在1.83 min（110 s）后，兩側(cè)的樹(shù)脂流動(dòng)前鋒與中間基本平齊，流動(dòng)前鋒形狀變?yōu)榻浦本€(xiàn)向前推進(jìn)。到4.5 min（270 s）后，兩側(cè)樹(shù)脂流動(dòng)速率高于中間部分，流動(dòng)前鋒變?yōu)榕c起始時(shí)相反的圓弧形。樹(shù)脂最后填充的區(qū)域?yàn)槌瞿z口右側(cè)20 mm左右，接近最下端減紗帶圓弧頂端所在位置。下表面樹(shù)脂流動(dòng)速率要高于上表面，0.83 min（50 s）時(shí)樹(shù)脂流動(dòng)前鋒到達(dá)試驗(yàn)件中間而上表面需要2.5 min（150 s）。下表面的流動(dòng)前鋒在前3.5 min（210 s）均為圓弧形，3.5 min（210 s）后與上表面相似逐漸變?yōu)橹本€(xiàn)再變?yōu)橄喾吹膱A弧形。下表面樹(shù)脂最后填充的區(qū)域?yàn)槌瞿z口左側(cè)20 mm左右，接近最下端減紗帶圓弧頂端所在位置，與上表面一致。下表面右側(cè)邊緣樹(shù)脂流動(dòng)較快，可能是由于邊緣密封不完全導(dǎo)致產(chǎn)生樹(shù)脂流道。

圖10 含減紗帶葉片典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件不同時(shí)間流動(dòng)前鋒位置Fig.10 Flow front of the typical preform with tow reduction lines at different times

由圖10 可以看出，典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件中樹(shù)脂的主流動(dòng)方向與平板試驗(yàn)件有一定差異。典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件中，前期的樹(shù)脂流動(dòng)前鋒為橢圓形，但樹(shù)脂的主流動(dòng)方向與經(jīng)紗的夾角要小于30°，主要由于典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件左右兩側(cè)減紗帶間距小，且密集，厚度迅速變薄，從而樹(shù)脂在橫向方向的流動(dòng)速度要比平板試驗(yàn)件中更快。由于側(cè)邊減紗帶和側(cè)邊樹(shù)脂流道的影響，在3 min左右側(cè)邊樹(shù)脂的流動(dòng)速度超過(guò)了樹(shù)脂的主流動(dòng)方向，流動(dòng)前鋒變?yōu)榻朴谥本€(xiàn)，并在4 min后邊為相反的橢圓圓弧形。從RTM成型工藝的角度，需要在制件成型時(shí)避免側(cè)面樹(shù)脂流動(dòng)過(guò)快而在中部區(qū)域形成空腔，從而產(chǎn)生缺陷。

3 結(jié)論

1）本試驗(yàn)中的三維機(jī)織預(yù)制體樹(shù)脂滲透流動(dòng)前鋒為橢圓形，預(yù)成型體為滲透各向異性介質(zhì)。樹(shù)脂的流動(dòng)主要沿預(yù)制體的經(jīng)紗方向，樹(shù)脂流動(dòng)方向與經(jīng)紗的夾角為30°左右。表面紗線(xiàn)規(guī)格不同會(huì)影響樹(shù)脂在機(jī)織預(yù)制體中的滲透率。

2）復(fù)合材料三維機(jī)織預(yù)制體通過(guò)減紗工藝獲得了變厚度的預(yù)制體試驗(yàn)件，本次研究測(cè)試了不同減紗帶間距以及減紗帶與樹(shù)脂流動(dòng)方向呈不同角度的樹(shù)脂滲透過(guò)程。減紗帶的間距不同，樹(shù)脂在機(jī)織預(yù)制體中流動(dòng)前鋒的形貌不同。減紗帶間距較大時(shí)，樹(shù)脂流動(dòng)較為平緩，流動(dòng)前鋒橢圓形的短軸較長(zhǎng)。減紗帶間距較小時(shí)，樹(shù)脂流動(dòng)前鋒更趨于扁平的橢圓形。減紗帶與樹(shù)脂流動(dòng)方向呈不同角度的滲透試驗(yàn)中，樹(shù)脂在含有減紗帶的預(yù)制體中的主流動(dòng)方向仍為與經(jīng)紗的夾角約為30°的方向。

3）典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件中預(yù)制體的厚度變化不規(guī)律，在不同的區(qū)域存在不同類(lèi)型的減紗帶。在減紗帶間距較小的區(qū)域，機(jī)織預(yù)制體的厚度變化較大，樹(shù)脂在該區(qū)域的流動(dòng)速率有所升高，并超過(guò)了預(yù)制體中樹(shù)脂主流動(dòng)方向的速率。典型結(jié)構(gòu)件的測(cè)試可指導(dǎo)三維機(jī)織航空復(fù)合材料構(gòu)件的RTM成型工藝的優(yōu)化。