工程科学学报，第38卷，第9期：1312-1316,2016年9月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.9:1312-1316,September 2016 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2016.09.017:http://journals.ustb.edu.cn 树脂黏度变化对RTM成型工艺的影响 陈幸开12)☒ 1)建设机械关键技术国家重点实验室，长沙4100132)中南大学航空航天学院，长沙410083 ☒通信作者，E-mail:henxingkai(@csu.edu.cn 摘要采用黏度计测定不同初始温度下环氧树脂的黏度，通过拟合法建立环氧树脂的工程黏度模型.将黏度模型引入树 脂传递模塑(resin transfer molding,RTM)成型树脂流动模拟中，结合PAM-RTM软件模拟不同初始温度下树脂的填充过程， 讨论树脂黏度变化对RTM成型过程树脂流动行为的影响.结果表明，随着树脂初始温度的上升，填充时间先降后升，在初始 温度为40℃时填充时间最短.树脂黏度变化对大型结构件RTM成型影响显著. 关键词环氧树脂：树脂传递模塑：黏度：计算机模拟 分类号TB333 Influence of the viscosity change of resin on the RTM process CHEN Xing-kai 1)State Key Laboratory of Construction Machinery,Changsha 410013,China 2)School of Aeronautics and Astronautics,Central South University,Changsha 410083,China Corresponding author,E-mail:chenxingkai@csu.edu.cn ABSTRACT The viscosity of epoxy resin was tested by viscometer,and an engineering viscosity model was constructed by the fitting method.In this simulation,the viscosity model was applied to predict the flow process of epoxy resin with different initial temperatures by using PAM-RTM.The influence of the viscosity change of epoxy resin on resin transfer molding (RTM)was discussed in detail. The results show that the filling time of RTM decreases first and then increases as the initial temperature increases,and the shortest filling time is acquired at 40C.The viscosity change of epoxy resin has remarkable influence on the RTM of large scale structure. KEY WORDS epoxy resin;resin transfer molding (RTM);viscosity:computer simulation 树脂传递模塑(resin transfer molding,RTM)是将 具有重要的意义. 树脂注入到预先铺好增强体的密闭模腔内，使树脂缓 Naik等切针对RTM和VARTM成型工艺，分别研 慢浸渍增强体，直到填满整个模腔，最后固化成型的工 究增强体结构、注射压力、流体种类、黏度、模具压力等 艺方法.在整个工艺过程中，树脂的流动与固化是 因素对渗透率的影响.Saouab等网分别采用二维模型 RTM成型的关键步骤.为制备高性能RTM制件，必须 和三维模型研究厚复合材料构件的树脂流动行为，指 对树脂的流动行为及固化过程进行深入研究·.适 出复合材料厚度方向对树脂流动行为的影响.刘刚 用于RTM成型工艺的树脂具有较为严格的要求，黏度 等回以复合材料连杆为研究对象，采用PAM一RTM模 必须适中，太大或太小都会导致工艺的失败.另外，在 拟不同注射方式对树脂充模时间的影响，从而确定最 树脂的流动过程中伴随着树脂的固化，从而引起树脂 佳的注射口位置.柴红梅等@依据树脂的黏度及固 黏度的变化.因此，研究RTM成型工艺过程中树脂的 化性能，研究适用于RTM成型工艺的最佳配方.国内 黏度变化对RTM成型工艺的控制及制品性能的优化 外在数值模拟和适用于RTM成型工艺的树脂体系已 收稿日期：2015-11-20 基金项目：建设机械关键技术国家重点实验室开放课题资助项目(SKL.CM20146)
工程科学学报，第 38 卷，第 9 期: 1312--1316，2016 年 9 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，No． 9: 1312--1316，September 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． 09． 017; http: / /journals． ustb． edu． cn 树脂黏度变化对 ＲTM 成型工艺的影响 陈幸开1，2) 1) 建设机械关键技术国家重点实验室，长沙 410013 2) 中南大学航空航天学院，长沙 410083 通信作者，E-mail: chenxingkai@ csu． edu． cn 摘 要 采用黏度计测定不同初始温度下环氧树脂的黏度，通过拟合法建立环氧树脂的工程黏度模型． 将黏度模型引入树 脂传递模塑( resin transfer molding，ＲTM) 成型树脂流动模拟中，结合 PAM--ＲTM 软件模拟不同初始温度下树脂的填充过程， 讨论树脂黏度变化对 ＲTM 成型过程树脂流动行为的影响． 结果表明，随着树脂初始温度的上升，填充时间先降后升，在初始 温度为 40 ℃时填充时间最短． 树脂黏度变化对大型结构件 ＲTM 成型影响显著． 关键词 环氧树脂; 树脂传递模塑; 黏度; 计算机模拟 分类号 TB333 Influence of the viscosity change of resin on the ＲTM process CHEN Xing-kai 1，2) 1) State Key Laboratory of Construction Machinery，Changsha 410013，China 2) School of Aeronautics and Astronautics，Central South University，Changsha 410083，China Corresponding author，E-mail: chenxingkai@ csu． edu． cn ABSTＲACT The viscosity of epoxy resin was tested by viscometer，and an engineering viscosity model was constructed by the fitting method． In this simulation，the viscosity model was applied to predict the flow process of epoxy resin with different initial temperatures by using PAM--ＲTM． The influence of the viscosity change of epoxy resin on resin transfer molding ( ＲTM) was discussed in detail． The results show that the filling time of ＲTM decreases first and then increases as the initial temperature increases，and the shortest filling time is acquired at 40 ℃ ． The viscosity change of epoxy resin has remarkable influence on the ＲTM of large scale structure． KEY WOＲDS epoxy resin; resin transfer molding ( ＲTM) ; viscosity; computer simulation 收稿日期: 2015--11--20 基金项目: 建设机械关键技术国家重点实验室开放课题资助项目( SKLCM2014--6) 树脂传递模塑( resin transfer molding，ＲTM) 是将 树脂注入到预先铺好增强体的密闭模腔内，使树脂缓 慢浸渍增强体，直到填满整个模腔，最后固化成型的工 艺方法． 在整个工艺过程中，树脂的流动与固 化 是 ＲTM 成型的关键步骤． 为制备高性能 ＲTM 制件，必须 对树脂的流动行为及固化过程进行深入研究［1--6］． 适 用于 ＲTM 成型工艺的树脂具有较为严格的要求，黏度 必须适中，太大或太小都会导致工艺的失败． 另外，在 树脂的流动过程中伴随着树脂的固化，从而引起树脂 黏度的变化． 因此，研究 ＲTM 成型工艺过程中树脂的 黏度变化对 ＲTM 成型工艺的控制及制品性能的优化 具有重要的意义． Naik 等［7］针对 ＲTM 和 VAＲTM 成型工艺，分别研 究增强体结构、注射压力、流体种类、黏度、模具压力等 因素对渗透率的影响． Saouab 等［8］分别采用二维模型 和三维模型研究厚复合材料构件的树脂流动行为，指 出复合材料厚度方向对树脂流动行为的影响． 刘刚 等［9］以复合材料连杆为研究对象，采用 PAM--ＲTM 模 拟不同注射方式对树脂充模时间的影响，从而确定最 佳的注射口位置． 柴红梅等［10］依据树脂的黏度及固 化性能，研究适用于 ＲTM 成型工艺的最佳配方． 国内 外在数值模拟和适用于 ＲTM 成型工艺的树脂体系已
陈幸开：树脂黏度变化对RTM成型工艺的影响 ·1313· 有较为系统的研究，但针对于RTM成型工艺过程中树 2.1 脂固化对树脂流动行为影响的研究鲜有报道 1.8 40℃ 本文研究RTM工艺过程树脂的流动行为，建立树 脂在RTM成型过程中的工程黏度模型，并将其引入到 1.5 。30℃ 树脂流动模拟中，采用PAM-RTM数值模拟软件，分析 1.2 20℃ 树脂黏度变化对RTM成型工艺的影响-四 0.9 1实验 0.6 1.1实验原料 中一 03 RTM树脂为环氧树脂EPOLAM2031CN,由上海蔼 20 406080100120 时间/min 科颂化工产品有限公司提供，环氧树脂与固化剂配比 图1不同初始温度下树脂黏度与时间的关系 (质量比)为100：26，树脂与固化剂混合前黏度为1.30 Fig.1 Relation between resin viscosity and time at different initial Pa·s,混合后黏度为0.35Pa·s.增强材料为碳纤维 temperatures T300单向布，200g°m2,由宜兴市超俊碳纤维制品有 限公司提供 树脂体系黏度变化.其变化过程可用三个阶段描述： 1.2实验设备 (1)物理变化引起的黏度下降远远大于化学变化引起 黏度测试设备为SNB-1A-J高温数字黏度计，由 的黏度上升，△7<0：(2)物理变化引起的黏度下降与 上海方瑞仪器有限公司生产，测试范围0.01~200Pa· 化学变化引起的黏度上升相接近，△)≈0：(3)物理变 s,测试误差为±3%，重复误差为±0.5%.RTM成型 化引起的黏度下降远远小于化学变化引起的黏度上 设备为RTM5L,由北京鸿雄狮技术开发有限公司生 升，△)>0.整个过程的黏度变化可表示为 产，注射压力0~1MPa,最高加热温度150℃.RTM平 △n=△no+△7e: (1) 板模具，自制，500mm×500mm. 式中，△)表示体系的黏度变化，△。表示温度t引起 1.3实验过程 的黏度变化，△n。表示化学变化所引起的树脂黏度的 采用SNB-一1AJ高温数字黏度计测量树脂黏度， 变化. 树脂的初始温度分别为20、30和40℃，每5min记录 为建立适用于RTM成型数值模拟的黏度模型，采 一次数据，获得树脂黏度与时间的关系。 用实用性较强的工程黏度模型.假设树脂在固化过程 采用自制平板模具进行RTM成型实验，记录树脂 中黏度变化是体系物理作用和化学作用相互耦合的结 流动前沿与相应时刻，结果用于数值模拟结果的对比 果并建立黏度变化的经验方程。根据黏度模型，环氧 树脂的黏度可表示为 2树脂黏度模型 7,=0+Ae (2) 2.1树脂黏度测试实验结果 式中：n,为树脂在t时刻的黏度：？。为树脂固化前的 采用SNBH1A-」高温数字黏度计测量初始温度分 黏度：A为树脂体系的模型参数，表征体系黏度变化规 别为20、30和40℃下树脂的黏度变化，结果如图1 律：B为固化反应速率的模型参数.其中。符合阿累 所示. 尼乌斯方程，可表示为 从图中可以看出：树脂的初始温度越高，其初始黏 To C ecr (3) 度越低，随着时间推移，树脂的黏度逐渐增大：到后期， 式中，T为热力学温度，C,和C2为模型参数 初始温度越高树脂黏度越大.这是由于在初期，树脂 对方程进行对数变换可得： 未发生交联反应，树脂分子的运动随着温度的提高而 Inno InC +C2/T. (4) 变得容易，从而表现出较低的树脂黏度.可见初始温 其中C,和C2为常数，因此lnm。与1/T存在线性关系 度越高，其黏度越低，此时黏度的变化主要是由物理变 对lnn。与1/T进行线性拟合，其拟合结果如图2所 化决定的.随着时间的推移，树脂开始固化反应，交联 示，根据拟合结果可求得树脂的初始黏度η。的表达方 生成更大的分子与支链结构，阻碍树脂分子的运动，黏 程为 度逐渐上升.初始温度越高，其固化反应越快，黏度也 lnmo=3.158+865.025/T, (5) 相应升高，因此在后期，初始温度越高，树脂黏度反而 70=24.388×e65.0匹r (6) 越大，此时黏度的变化主要是由化学变化决定的： 将式(2)两边取对数后得到ln(n,/m）与t的关 2.2树脂黏度模型的建立 系，对ln(n,/mo)与t的关系进行非线性最小方差拟 在树脂固化过程中，物理和化学两种因素将导致 合，拟合结果如图3所示
陈幸开: 树脂黏度变化对 ＲTM 成型工艺的影响 有较为系统的研究，但针对于 ＲTM 成型工艺过程中树 脂固化对树脂流动行为影响的研究鲜有报道． 本文研究 ＲTM 工艺过程树脂的流动行为，建立树 脂在 ＲTM 成型过程中的工程黏度模型，并将其引入到 树脂流动模拟中，采用 PAM--ＲTM 数值模拟软件，分析 树脂黏度变化对 ＲTM 成型工艺的影响［11--12］． 1 实验 1. 1 实验原料 ＲTM 树脂为环氧树脂 EPOLAM2031CN，由上海蔼 科颂化工产品有限公司提供，环氧树脂与固化剂配比 ( 质量比) 为 100∶ 26，树脂与固化剂混合前黏度为 1. 30 Pa·s，混合后黏度为 0. 35 Pa·s． 增强材料为碳纤维 T300 单向布，200 g·m － 2 ，由宜兴市超俊碳纤维制品有 限公司提供． 1. 2 实验设备 黏度测试设备为 SNB--1A--J 高温数字黏度计，由 上海方瑞仪器有限公司生产，测试范围 0. 01 ～ 200 Pa· s，测试误差为 ± 3% ，重复误差为 ± 0. 5% ． ＲTM 成型 设备为 ＲTM--5L，由北京鸿雄狮技术开发有限公司生 产，注射压力 0 ～ 1 MPa，最高加热温度 150 ℃ ． ＲTM 平 板模具，自制，500 mm × 500 mm． 1. 3 实验过程 采用 SNB--1A--J 高温数字黏度计测量树脂黏度， 树脂的初始温度分别为 20、30 和 40 ℃，每 5 min 记录 一次数据，获得树脂黏度与时间的关系． 采用自制平板模具进行 ＲTM 成型实验，记录树脂 流动前沿与相应时刻，结果用于数值模拟结果的对比． 2 树脂黏度模型 2. 1 树脂黏度测试实验结果 采用 SNB--1A--J 高温数字黏度计测量初始温度分 别为 20、30 和 40 ℃ 下树脂的黏度变化，结果如图 1 所示． 从图中可以看出: 树脂的初始温度越高，其初始黏 度越低，随着时间推移，树脂的黏度逐渐增大; 到后期， 初始温度越高树脂黏度越大． 这是由于在初期，树脂 未发生交联反应，树脂分子的运动随着温度的提高而 变得容易，从而表现出较低的树脂黏度． 可见初始温 度越高，其黏度越低，此时黏度的变化主要是由物理变 化决定的． 随着时间的推移，树脂开始固化反应，交联 生成更大的分子与支链结构，阻碍树脂分子的运动，黏 度逐渐上升． 初始温度越高，其固化反应越快，黏度也 相应升高，因此在后期，初始温度越高，树脂黏度反而 越大，此时黏度的变化主要是由化学变化决定的． 2. 2 树脂黏度模型的建立 在树脂固化过程中，物理和化学两种因素将导致 图 1 不同初始温度下树脂黏度与时间的关系 Fig． 1 Ｒelation between resin viscosity and time at different initial temperatures 树脂体系黏度变化． 其变化过程可用三个阶段描述: ( 1) 物理变化引起的黏度下降远远大于化学变化引起 的黏度上升，Δη ＜ 0; ( 2) 物理变化引起的黏度下降与 化学变化引起的黏度上升相接近，Δη≈0; ( 3) 物理变 化引起的黏度下降远远小于化学变化引起的黏度上 升，Δη ＞ 0． 整个过程的黏度变化可表示为 Δη = Δη0 + Δηc ． ( 1) 式中，Δη 表示体系的黏度变化，Δη0 表示温度 t 引起 的黏度变化，Δηc 表示化学变化所引起的树脂黏度的 变化． 为建立适用于 ＲTM 成型数值模拟的黏度模型，采 用实用性较强的工程黏度模型． 假设树脂在固化过程 中黏度变化是体系物理作用和化学作用相互耦合的结 果并建立黏度变化的经验方程． 根据黏度模型，环氧 树脂的黏度可表示为 ηt = η0 + AeBt ． ( 2) 式中: ηt 为树脂在 t 时刻的黏度; η0 为树脂固化前的 黏度; A 为树脂体系的模型参数，表征体系黏度变化规 律; B 为固化反应速率的模型参数． 其中 η0 符合阿累 尼乌斯方程，可表示为 η0 = C1 eC2 /T ． ( 3) 式中，T 为热力学温度，C1 和 C2 为模型参数． 对方程进行对数变换可得: lnη0 = lnC1 + C2 /T． ( 4) 其中 C1 和 C2 为常数，因此 lnη0 与1 /T 存在线性关系． 对 lnη0 与 1 /T 进行线性拟合，其拟合结果如图 2 所 示，根据拟合结果可求得树脂的初始黏度 η0 的表达方 程为 lnη0 = 3. 158 + 865. 025 /T， ( 5) η0 = 24. 388 × e 865. 025 /T ． ( 6) 将式( 2) 两边取对数后得到 ln( ηt /η0 ) 与 t 的关 系，对 ln( ηt /η0 ) 与 t 的关系进行非线性最小方差拟 合，拟合结果如图 3 所示． ·1313·
·1314 工程科学学报，第38卷，第9期 6.15 A=e-008T+215 (8) B=e0.03T-14.33 (9) 6.10 ·然疆 将方程联立后得到树脂黏度模型： 6.05 n,=24.388e.7+8.585e-ar%×0-7amn ■ (10) 6.00 3树脂流动模拟分析 5.95 3.1RTM实验结果 5.90 1 3.2 3.3 3.4 3.5 PAM-RTM数值模拟软件为RTM成型工艺及真 1/T103K-) 空导入成型工艺专用模拟软件.为验证其黏度模型模 图2n%与1/T的关系 拟结果的可靠性，采用表2参数进行RTM实验，得到 Fig.2 Relation between In no and 1/7 的实验结果与模拟结果进行比较，如图4所示.实验 结果与模拟结果吻合的较好，证明黏度模型的加入能 ln(n,-na）=ln(Ae). (7) 很好地模拟树脂在模腔内的流动行为，模拟结果真实 通过三组不同温度下ln(n,/mo)与t的曲线拟合， 可靠. 得到模型参数A与B,结果见表1.再对lnA与T、lnB 表2RTM实验参数 与T进行线性拟合，求得A、B与温度T之间的关系 Table 2 Parameters for RTM 表1模型参数A与B的拟合值 注射压力/kPa 孔隙率 渗透率/m2注射孔半径/mm Table 1 Fitted values of A and B 40 0.5 2.5×10-0 2 温度/℃ B 3.2树脂黏度对RTM成型的影响 20 0.816 0.00987 为研究树脂固化对树脂流动行为的影响，设置 30 0.761 0.01397 RTM模型为1000mm×1000mm的平板，注射口为模 40 0.695 0.01916 型的中心位置，初始温度为20℃，注射压力为0.4 3.0 3.5 a (b) 实验数据 3.0 2.5 实验数据 -拟合曲线 一拟合曲线 2.5 20 2.0 15 30 60 90 120 30 60 90 120 t/min t/min (c) ◆ 4 实验数据 一拟合曲线 ◆◆ 30 60 90 120 t/min 图3n,/m%与t的非线性拟合.(a)20℃：(b)30℃：(c)40℃ Fig.3 Relation betweenn,/mo and:(a）20℃：(b)30℃：(d)40℃
工程科学学报，第 38 卷，第 9 期 图 2 ln η0 与 1 /T 的关系 Fig． 2 Ｒelation between ln η0 and 1 /T ln( ηt － η0 ) = ln( AeBt ) ． ( 7) 图 3 ηt /η0 与 t 的非线性拟合． ( a) 20 ℃ ; ( b) 30 ℃ ; ( c) 40 ℃ Fig． 3 Ｒelation between ηt /η0 and t: ( a) 20 ℃ ; ( b) 30 ℃ ; ( c) 40 ℃ 通过三组不同温度下 ln( ηt /η0 ) 与 t 的曲线拟合， 得到模型参数 A 与 B，结果见表 1． 再对 lnA 与 T、lnB 与 T 进行线性拟合，求得 A、B 与温度 T 之间的关系． 表 1 模型参数 A 与 B 的拟合值 Table 1 Fitted values of A and B 温度/℃ A B 20 0. 816 0. 00987 30 0. 761 0. 01397 40 0. 695 0. 01916 A = e － 0. 008T + 2. 15 ， ( 8) B = e 0. 033T － 14. 33 ． ( 9) 将方程联立后得到树脂黏度模型: ηt = 24. 388e 865. 025 /T + 8. 585e － 0. 008T + 5. 978 × 10 － 7e0. 033Tt ． ( 10) 3 树脂流动模拟分析 3. 1 ＲTM 实验结果 PAM--ＲTM 数值模拟软件为 ＲTM 成型工艺及真 空导入成型工艺专用模拟软件． 为验证其黏度模型模 拟结果的可靠性，采用表 2 参数进行 ＲTM 实验，得到 的实验结果与模拟结果进行比较，如图 4 所示． 实验 结果与模拟结果吻合的较好，证明黏度模型的加入能 很好地模拟树脂在模腔内的流动行为，模拟结果真实 可靠． 表 2 ＲTM 实验参数 Table 2 Parameters for ＲTM 注射压力/kPa 孔隙率 渗透率/m2 注射孔半径/mm 40 0. 5 2. 5 × 10 － 10 2 3. 2 树脂黏度对 ＲTM 成型的影响 为研究树脂固化对树脂流动行为的影响，设 置 ＲTM 模型为 1000 mm × 1000 mm 的平板，注射口为模 型的 中 心 位 置，初 始 温 度 为 20 ℃，注 射 压 力 为 0. 4 ·1314·
陈幸开：树脂黏度变化对RTM成型工艺的影响 ·1315· a t=50s t=150g t=300s b t=50s =150s t=300s 图4RTM实验结果(a)与模拟结果(b)的比较 Fig.4 Comparison between the experimental (a)and simulation results (b)of RTM MPa,纤维渗透率k,=1.5×10-0m2、k,=0.5×10-0 当树脂初始温度发生变化时，其固化过程也会发 m2,纤维含量为60%.分别采用恒定树脂黏度和树脂 生改变，分别采用初始温度为20、30、40和50℃的树 黏度模型进行数值模拟，结果如图5所示.从图中可 脂进行数值模拟，得到的结果如图6所示. 以看出：在不考虑树脂固化过程黏度变化时填充时间 从图中可以看出，初始温度为20℃时填充时间为 为2840s,当考虑树脂黏度变化时填充时间增加至 3610s,随着初始温度的提高，填充时间开始下降，40 3610s;并且在填充的后期，树脂的流动前沿也发生变 ℃时达到最小值，为3320s,当初始温度升至50℃时， 化.因此，采用RTM工艺制备大型构件时，由于充模 充模时间增至3910s.在前期，随着初始温度的上升， 时间较长，树脂在充模过程中发生固化反应，引起黏度 充模速度也随之上升，充模时间下降：但在后期，初始 的上升，应考虑固化反应引起的树脂黏度变化，使数值 温度越高树脂的流动速度越慢，以至于充模时间甚至 模拟结果与真实结果更为贴近 高于初始温度低的情况.这是由于在RTM模腔内的 填充时间/s 填充时间s 2840 a 3610 b 2561 3242 2880 2527 216g 1803 1443 1089 721 361 0 0 图5RTM充模时间.(a)未考虑树脂黏度变化：(b)考虑树脂黏度变化 Fig.5 Filling time of RTM:(a)simulation without viscosity change:(b)simulation with viscosity change
陈幸开: 树脂黏度变化对 ＲTM 成型工艺的影响 图 4 ＲTM 实验结果( a) 与模拟结果( b) 的比较 Fig． 4 Comparison between the experimental ( a) and simulation results ( b) of ＲTM MPa，纤维渗透率 kx = 1. 5 × 10 － 10 m2 、ky = 0. 5 × 10 － 10 m2 ，纤维含量为 60% ． 分别采用恒定树脂黏度和树脂 黏度模型进行数值模拟，结果如图 5 所示． 从图中可 以看出: 在不考虑树脂固化过程黏度变化时填充时间 图 5 ＲTM 充模时间． ( a) 未考虑树脂黏度变化; ( b) 考虑树脂黏度变化 Fig． 5 Filling time of ＲTM: ( a) simulation without viscosity change; ( b) simulation with viscosity change 为 2840 s，当考虑树脂黏度变化时填充时间增加至 3610 s; 并且在填充的后期，树脂的流动前沿也发生变 化． 因此，采用 ＲTM 工艺制备大型构件时，由于充模 时间较长，树脂在充模过程中发生固化反应，引起黏度 的上升，应考虑固化反应引起的树脂黏度变化，使数值 模拟结果与真实结果更为贴近． 当树脂初始温度发生变化时，其固化过程也会发 生改变，分别采用初始温度为 20、30、40 和 50 ℃ 的树 脂进行数值模拟，得到的结果如图 6 所示． 从图中可以看出，初始温度为 20 ℃ 时填充时间为 3610 s，随着初始温度的提高，填充时间开始下降，40 ℃时达到最小值，为 3320 s，当初始温度升至 50 ℃ 时， 充模时间增至 3910 s． 在前期，随着初始温度的上升， 充模速度也随之上升，充模时间下降; 但在后期，初始 温度越高树脂的流动速度越慢，以至于充模时间甚至 高于初始温度低的情况． 这是由于在 ＲTM 模腔内的 ·1315·
·1316· 工程科学学报，第38卷，第9期 5000 (3)随着树脂初始温度的上升，填充时间呈现出 先降后升的趋势，主要由于前期温度引起的树脂流动 4000 ■—20℃ ·-30℃ 速度上升与后期固化反应引起的流动速度降低共同作 4—40℃ 3000 7一50 用的结果 2000 参考文献 气 [1]Hu X B,Ma Y L,Wang Z D,et al.The permeability of glass fi- 1000 ber and its influence on filling time of RTM process.Fiber Reinf Plast/Compos,1996(3):25 0 0.1 0.2030.40.50.6 (胡晓斌，马玉录，王正东，等.玻璃纤维的渗透率及其对 y方向距离m RTM注模时间的影响.玻璃钢/复合材料，1996(3)：25) 2] 图6不同初始温度下RTM的充模时间 Han S H,Cho E J,Lee H C,et al.Study on high-speed RTM to Fig.6 Filling time of RTM at different initial temperatures reduce the impregnation time of carbon/epoxy composites.Compos Smct,2015,119:50 整个流动过程中，树脂的黏度主要受到温度及固化度 B]Poodts E,Minak G,Mazzocchetti L,et al.Fabrication,process simulation and testing of a thick CFRP component using the RTM 的影响，温度的升高使得黏度变低，固化度的升高使得 process.Compos Part B,2014,56(1)673 黏度变高.在20℃时，温度较低，树脂的初始黏度较 4] Sun S,Liu M J,Wang H,et al.RTM molding process and its de- 高，流动速度较慢，随着树脂固化反应的进行，树脂黏 rive technology.Aerosp Mater Technol,2010,40(6):21 度逐渐增大，树脂的流动速度进一步变慢.在整个填 (孙赛，刘木金，王海，等.RTM成型工艺及其派生工艺.宇 航材料工艺，2010,40(6)：21) 充过程中，树脂的流动速度为先快后慢.当初始温度 [5] Li HC,Zhang M F,Wang B.Method on measuring fiber permea- 升至30℃时，前期的流动速度较20℃时快，随着反应 bilities in resin transfer molding.J Aeronaut Mater,2001,21 的进行，流动速度逐步变慢，但与20℃时情况区别不 (1):51 大，因此在整个流动过程中，初始温度的上升引起的变 (李海晨，张明福，王彪.RTM工艺增强纤维渗透率测量方法 研究.航空材料学报，2001,21(1)：51) 化较为明显，其平均速度较20℃时快，从而缩短填充 6] Zhang Y F,Liu Y Q,Du R K,et al.Study development of mech- 时间.当初始温度升至40℃时，前期的流动速度进一 anism for void formation and elimination during RTM processing 步加快，但在后期其固化反应更早，引起的黏度变化更 Aerosp Mater Technol,2006,36(5):7 明显，使得后期树脂的流动速度较30℃时慢.在整个 (张彦飞，刘亚青，杜瑞奎，等.RTM工艺过程中气泡形成机 理及排除方法研究进展.宇航材料工艺，2006,36(5)：7) 填充过程中，前期流动速度的上升占主导地位，因此较 ] Naik N K,Sirisha M,Inani A.Permeability characterization of 30℃时的平均流动速度要快，从而填充时间进一步减 polymer matrix composites by RTM/VARTM.Prog Aerosp Sci, 少.当初始温度升至50℃时，前期流动速度更快，但 2013,65(5):22 Saouab A,Breaard J,Lory P,et al.Injection simulations of thick 在后期固化反应引起的黏度变化十分明显，使得后期 composite parts manufactured by the RTM process.Compos Sci 树脂的流动速度较40℃时慢.在整个填充过程中，后 Technol,.2001,61(3):445 期流动速度的下降占主导地位，因此较40℃时的平均 ⑨ Liu G,Luo C Y,Li X Q,et al.Process simulation and manufac- 流动速度慢，填充时间上升至3910s,超过20℃时的情 ture testing of composite thick-wall drag brace via RTM technolo- 况.同时，由于在整个填充过程中，树脂的黏度变化使 gy.Acta Mater Compos Sin,2012,29(4):105 (刘刚，罗楚养，李雪芹，等.复合材料厚壁连杆RTM成型工 得前后流动速度不一致，不同的初始温度也会影响到 艺模拟及制造验证.复合材料学报，2012,29(4)：105) 树脂的流动前沿.因此，在进行大型构件RTM成型 0o] Chai H M,Wang P,Wang L,et al.Effect of curing agent con- 时，应充分考虑树脂黏度在成型过程中的变化规律，合 tent on RTM epoxy system curing properties.Fiber Reinf Plast/ Compos,2009(6):48 理调整RTM成型工艺参数，避免气泡、缺陷的形成. (柴红梅，汪鹏，王雷，等.固化剂含量对RTM用环氧树脂 4结论 体系固化性能的影响.玻璃钢/复合材料，2009(6)：48) 01] Li H C,Wang B,Lin X.Numerical simulation of resin flow in (1)采用工程黏度模型建立了适用于RTM成型 RTM with boundary fitted coordinate system.J Harbin Inst Technol,2003,35(1)58 的环氧树脂黏度模型，可较为准确地模拟树脂在RTM (李海晨，王彪，林新.用贴体坐标法模拟RTM工艺树脂流 成型过程中黏度的变化. 动过程.哈尔滨工业大学学报，2003,35(1)：58) (2)采用PAM-RTM软件模拟不同初始温度下环 12] Lii C,Xue Y D.Comparison between numerical and experimen- 氧树脂的流动过程.结果表明，在大型构件成型过程 tal results for mold filling in resin transfer molding.Acta Mater Compos Sin,1999,16(1):131 中，树脂的黏度变化对填充时间及树脂流动前沿的影 (吕昶，薛元德.RTM工艺充模过程数值模拟及实验比较. 响较为显著 复合材料学报，1999,16(1)：131)
工程科学学报，第 38 卷，第 9 期 图 6 不同初始温度下 ＲTM 的充模时间 Fig． 6 Filling time of ＲTM at different initial temperatures 整个流动过程中，树脂的黏度主要受到温度及固化度 的影响，温度的升高使得黏度变低，固化度的升高使得 黏度变高． 在 20 ℃ 时，温度较低，树脂的初始黏度较 高，流动速度较慢，随着树脂固化反应的进行，树脂黏 度逐渐增大，树脂的流动速度进一步变慢． 在整个填 充过程中，树脂的流动速度为先快后慢． 当初始温度 升至 30 ℃时，前期的流动速度较 20 ℃ 时快，随着反应 的进行，流动速度逐步变慢，但与 20 ℃ 时情况区别不 大，因此在整个流动过程中，初始温度的上升引起的变 化较为明显，其平均速度较 20 ℃ 时快，从而缩短填充 时间． 当初始温度升至 40 ℃ 时，前期的流动速度进一 步加快，但在后期其固化反应更早，引起的黏度变化更 明显，使得后期树脂的流动速度较 30 ℃ 时慢． 在整个 填充过程中，前期流动速度的上升占主导地位，因此较 30 ℃时的平均流动速度要快，从而填充时间进一步减 少． 当初始温度升至 50 ℃ 时，前期流动速度更快，但 在后期固化反应引起的黏度变化十分明显，使得后期 树脂的流动速度较 40 ℃ 时慢． 在整个填充过程中，后 期流动速度的下降占主导地位，因此较 40 ℃ 时的平均 流动速度慢，填充时间上升至 3910 s，超过 20 ℃时的情 况． 同时，由于在整个填充过程中，树脂的黏度变化使 得前后流动速度不一致，不同的初始温度也会影响到 树脂的流动前沿． 因此，在进行大型构件 ＲTM 成型 时，应充分考虑树脂黏度在成型过程中的变化规律，合 理调整 ＲTM 成型工艺参数，避免气泡、缺陷的形成． 4 结论 ( 1) 采用工程黏度模型建立了适用于 ＲTM 成型 的环氧树脂黏度模型，可较为准确地模拟树脂在 ＲTM 成型过程中黏度的变化． ( 2) 采用 PAM--ＲTM 软件模拟不同初始温度下环 氧树脂的流动过程． 结果表明，在大型构件成型过程 中，树脂的黏度变化对填充时间及树脂流动前沿的影 响较为显著． ( 3) 随着树脂初始温度的上升，填充时间呈现出 先降后升的趋势，主要由于前期温度引起的树脂流动 速度上升与后期固化反应引起的流动速度降低共同作 用的结果． 参 考 文 献 ［1］ Hu X B，Ma Y L，Wang Z D，et al． The permeability of glass fiber and its influence on filling time of ＲTM process． Fiber Ｒeinf Plast /Compos，1996( 3) : 25 ( 胡晓斌，马玉录，王正东，等． 玻璃纤维的渗透率及其对 ＲTM 注模时间的影响． 玻璃钢/复合材料，1996( 3) : 25) ［2］ Han S H，Cho E J，Lee H C，et al． Study on high-speed ＲTM to reduce the impregnation time of carbon /epoxy composites． Compos Struct，2015，119: 50 ［3］ Poodts E，Minak G，Mazzocchetti L，et al． Fabrication，process simulation and testing of a thick CFＲP component using the ＲTM process． Compos Part B，2014，56( 1) : 673 ［4］ Sun S，Liu M J，Wang H，et al． ＲTM molding process and its derive technology． Aerosp Mater Technol，2010，40( 6) : 21 ( 孙赛，刘木金，王海，等． ＲTM 成型工艺及其派生工艺． 宇 航材料工艺，2010，40( 6) : 21) ［5］ Li H C，Zhang M F，Wang B． Method on measuring fiber permeabilities in resin transfer molding． J Aeronaut Mater，2001，21 ( 1) : 51 ( 李海晨，张明福，王彪． ＲTM 工艺增强纤维渗透率测量方法 研究． 航空材料学报，2001，21( 1) : 51) ［6］ Zhang Y F，Liu Y Q，Du Ｒ K，et al． Study development of mechanism for void formation and elimination during ＲTM processing． Aerosp Mater Technol，2006，36( 5) : 7 ( 张彦飞，刘亚青，杜瑞奎，等． ＲTM 工艺过程中气泡形成机 理及排除方法研究进展． 宇航材料工艺，2006，36( 5) : 7) ［7］ Naik N K，Sirisha M，Inani A． Permeability characterization of polymer matrix composites by ＲTM/VAＲTM． Prog Aerosp Sci， 2013，65( 5) : 22 ［8］ Saouab A，Breard J，Lory P，et al． Injection simulations of thick composite parts manufactured by the ＲTM process． Compos Sci Technol，2001，61( 3) : 445 ［9］ Liu G，Luo C Y，Li X Q，et al． Process simulation and manufacture testing of composite thick-wall drag brace via ＲTM technology． Acta Mater Compos Sin，2012，29( 4) : 105 ( 刘刚，罗楚养，李雪芹，等． 复合材料厚壁连杆 ＲTM 成型工 艺模拟及制造验证． 复合材料学报，2012，29( 4) : 105) ［10］ Chai H M，Wang P，Wang L，et al． Effect of curing agent content on ＲTM epoxy system curing properties． Fiber Ｒeinf Plast / Compos，2009( 6) : 48 ( 柴红梅，汪鹏，王雷，等． 固化剂含量对 ＲTM 用环氧树脂 体系固化性能的影响． 玻璃钢/复合材料，2009( 6) : 48) ［11］ Li H C，Wang B，Lin X． Numerical simulation of resin flow in ＲTM with boundary fitted coordinate system． J Harbin Inst Technol，2003，35( l) : 58 ( 李海晨，王彪，林新． 用贴体坐标法模拟 ＲTM 工艺树脂流 动过程． 哈尔滨工业大学学报，2003，35( l) : 58) ［12］ Lü C，Xue Y D． Comparison between numerical and experimental results for mold filling in resin transfer molding． Acta Mater Compos Sin，1999，16( 1) : 131 ( 吕昶，薛元德． ＲTM 工艺充模过程数值模拟及实验比较． 复合材料学报，1999，16( 1) : 131) ·1316·