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解析三维编织复合材料及RTM工艺进展

时间:2015-04-25 作者: 编辑: 点击:337 Views
  

  三维编织符合材料大家对它有所了解吗?那么和他才不多的RTM成型工艺大家对它的了解又有多少呢?它们的工业和发展又是什么呢?我们一起来看看。

   1 引 言

  材料是社会发展的物质基础和先导,而新材料则是社会进步的重要里程碑。21世纪是复合材料飞速发展的时代。三维编织复合材料作为复合材料的一个领域,是以三维整体织物作为增强体的复合材料,是20世纪80年代发展起来的一种新型织物复合材料。随着纤维复合材料编织技术的不断发展,编织复合材料以其优异的性能逐渐显示出较强的竞争力。RTM工艺则是综合性能最好的一种成型工艺,和其它传统复合材料生产技术相比,RTM有许多优点:能够制造高质量、高精度、低孔隙率、高纤维含量的复杂复合材料构件,是成型三维整体编织构件的有效方法。RTM-三维编织技术融合了RTM与三维编织各自的特点,从而使制品具有更加优异的性能。以RTM工艺制作的三维整体编织复合材料,可大幅度提高层间剪切强度和整体损伤容限,使复合材料由原来的次承力结构件成为主承受构件之一。

  2 RTM工艺及发展

  RTM是树脂传递模塑工艺的缩写(Resin TransferMolding),一般指在模具的型腔里预先铺放增强材料,合模后,在一定的温度和压力下将树脂注入模具,浸渍织物增强体并固化,最后脱模得到制品的一种工艺。RTM成型工艺是从湿法铺层和注塑工艺演衍生出来的一种新的复合材料成型工艺,是目前航天航空先进复合材料的发展方向之一。运用于航天产品的RTM成型工艺制造的复合材料,其使用的纤维增强体采用编织成型,产品价格较高,但随着国内多家企业对编织技术、编织机械的大力发展,编织体的价格已大幅下降,为RTM成型技术在航天产品的广泛应用提供了可能。RTM技术是一种适宜多品种、中小批量、高质量复合材料生产的成型技术,近年来得到声迅速发展。美国国家宇航局对RTM给予了高度重视,并认为该技术是制造结构材料的一种成本低、效益好的方法。RTM与缠绕、拉挤等几种复合材料制备技术的综合比较见表1。从表1可以看出,RTM在这几项低成本制造技术中的综合优势是明显的。

  进入21世纪后,RTM技术朝着高技术、多领域方面发展,伴随而来的是清洁、自动、快速、低成本、高质量的复合材料制造技术和低压力、低投资的设备及模具。进一步研究缺陷形成机理和影响因素,建立高效、准确的RTM成型工艺过程和模拟模型、相关软件和技术的进一步完善,可使其对实际制造过程具有准确的预测、指导和实时控制功能,以保证构件的内部质量,降低材料孔隙率,提高纤维体积含量。RTM技术发展将成为复合材料主要制造技术之一。

  3 三维编织复合材料及发展

  传统层合复合材结构抵抗损伤导致的层间破坏能力较低,因此使得研究人员致力于研发一种全新概念的复合材料三维编织复合材料。三维编织预制件及其复合材料除了有着传统复合材料所固有的重量轻、强度高等优点外,还有着传统复合材料所不具备的结构特点。传统的复俣材料制件层与层之间存在纯基体区,即层与层之间没有纤维增强。由于基体的性能比较低,传统的层合板复合材料具有一些难以克服的弱点,如厚度方向的刚度和强度低、面内剪切和层间剪切强度低、易分层、冲击韧性和损伤容限水平低等。三维编织复合材料则克服了传统复合材料分层的缺点,从理论上讲三维编织复合材料可以达到任意厚度,而且沿厚度方向有纤维增强,形成了不分层的整体网状结构。从不同结构的三维机织预制件的横截面看,编织物的厚度方向有纤维穿过,并且与沿其它方向分布的纤维相互交织、交叉在一起,是一个完全的整体结构,根本不存在“层”的概念。因此,三维编织复合材料具有良好的层间性能、抗冲击性能和其他一些优良性能。同时,三维编织复合材料可以直接织造成各种异型件,避免了后加工造成的纤维损伤,提高了复合材料的损伤容限。美国宇航局从20世纪80年代末开始的先进复合材料技术(ACT)计划,对编织复合材料进行了全方位的研究,并取得了一系列的成果,编织复合材料纳入了纺织工业的自动化生产概念。作为一种在工程上很有应用潜力的编织复合材料,三维编织增强体RTM成型的复合材料得到了工程界的重视,在研发工作上也取得了很大的成绩,具有很好的发展前景。

  4 RTM-三维编织材料及其应用

  RTM-三维编织复合材料是一种新型的、性能优异的结构材料,是采用编织方法先将纤维做成预制件,然后采用RTM工艺将低粘度的树脂注入到已铺好预制件的模具中,最后进行固化。由于RTM工艺对制件不施加外力,而是借助注射压力将液态树脂注放密封的模腔,因此不会改变织物的原结构,是成型三维编织复合材料较为理想的工艺。采用新型的编织方法, 用RTM工艺成型的RTM-三维编织复合材料克服了传统复合材料诸多不足,获得了优异的力学性能,因而逐渐得到了人们的重视。虽然用RTM成型三维编织复合材料技术上存在着许多优点,但目前国内外的RTM技术在成型三维编织复合材料还存在一些难点和问题:大面积、结构复杂的模具型腔内,模塑过程中树脂的流动不均衡,而这个动态过程无法观察,难以进行预测和控制;树脂对纤维的浸渍不够理想,制品内存在空隙率较高、纤维干斑等现象。要解决上述难点和问题,在现有的基础上改进RTM-三维编织复合材料的成型工艺是一条有效的途径。

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