摘 要

树脂传递模塑模塑（RTM）作为一种新兴的复合材料成型工艺，它的低成本优势，使得先进复合材料可以在航空工业领域发挥其与众不同的性能特点：减重效果显著、抗腐蚀性高、抗疲劳。这项工艺中，树脂在纤维预成型体中流动，而纤维增强形式和树脂体系组分等因素往往对其流动性产生巨大影响。特别是有粒子填充的树脂体系，由于纤维的阻碍作用，使得微粒在复合材料制品中分布均匀性受到影响。所以设计了此次实验，通过设置微粒粒径、微粒含量两个因素的梯度实验，采用控制变量法，研究碳纤维板材中微粒的分布规律。然后改变纤维种类、纤维的铺层方式，讨论了二者对树脂流动性及制品力学性能的影响。希望找到合适的微粒填充方式以及纤维增强形式，对未来功能复合材料的研究制备发挥积极作用。

关键词：真空辅助成型；树脂流动性；微粒含量分布；力学性能

Abstract

As an emerging composite molding process, RTM has its advantage, such as low cost ,enabling advanced composites perform its distinctive performance characteristics in the aerospace industry:significant weight loss，high corrosion resistance ,anti-fatigue.In this process, the resin flows in the fiber preform, but fiber-reinforced form and resin system components and other factors often have a huge impact on its mobility. In this process, the resin flows in the fiber preform, but fiber-reinforced form ,the composition of the resin system and other factors often have a huge impact on the fluidity of resin. Especially, the resin system filled with particulate due to the hindrance of fibers, affects the uniformity of particle distribution in composite products. Therefore, the experiment was designed to study the distribution of microparticles in carbon fiber sheet by using the control variable method by setting the gradient experiment of particle size and particle content. And then changing the fiber type, fiber laying way to discuss the influence of two factors on the fluidity of resin and mechanical properties of the products . It is hoped to find the appropriate particle filling method and fiber reinforced form, which will play an active role in the preparation of functional composite materials in the future.

Keyword：Vacuum assisted forming 、Resin fluidity、Particle content distribution、 mechanical property

目录

第一章 绪论 1

1.1 RTM工艺说明 1

1.1.1 RTM工艺特点 1

1.1.2 RTM对树脂体系的要求 1

1.1.3 RTM对纤维增强体的要求 1

1.1.4 RTM成型设备 2

1.1.5 RTM工艺过程 2

1.2 RTM工艺应用现状 3

1.3 课题研究的意义 3

1.4课题研究的内容 3

第二章 实验原料的确定 4

2.1 树脂体系 4

2.2 纤维增强体 4

第三章 实验设备的确定 5

3.1 模具 5

3.2 注射系统 5

3.3 温控加热系统 5

第四章 实验过程 6

4.1 模拟实验 6

4.2 正式实验 7

4.2.1 纤维对颗粒分布的影响 7

4.2.2 板材的制备 8

4.2.3 样品的制备 9

4.2.4 样品测试阶段 10

4.3 纤维对树脂流动性的影响 10

4.4 纤维对制品力学性能的影响 12

第五章 实验结果与分析 13

5.1 微粒分布规律分析 13

5.2 树脂含量分布结果与分析 14

5.3 板材力学性能分析 17

6. 结论与展望 19

6.1 实验结论 19

6.2 展望 20

参考文献 21

致谢 23

第一章 绪论

复合材料一直是航空结构制件的主力军，但一些项目由于成本预算的限制，开始重新使用金属材料。要想维持复合材料在航空航天应用领域的高份额，找到一种低成本的技术是至关重要的。树脂传递模塑（RTM）凭借其成本低的优势，成为了最具发展前景的工艺之一。RTM是一种闭模成型工艺，它的大致工艺流程为：通过一定压力，将一定配比的树脂体系注入到事先铺有增强纤维材料的模具中，待树脂固化后，脱模，得到复合材料制品。RTM工艺能够生产性能要求高、结构综合度复杂、体积较大、数量较多的制品，所以它是某些大型航空制件的工艺合理选择。

1.1 RTM工艺说明

1.1.1 RTM工艺特点

RTM成型工艺有其他成型工艺不具备的独特特点：适用的树脂、填料范围较广；生产设备投资较低；模具制造流程简易，时间短；生产的制品表面光滑、尺寸稳定、容易组合；制品可以带有加强筋、镶嵌件和附着物，可将制品制成泡沫夹层结构，设计灵活，从而获得最佳结构；产品后加工量少；生产周期短，劳动强度低，原材料损耗少；闭模成型，单体挥发少，环境污染小^[1]。

1.1.2 RTM对树脂体系的要求

复合材料的一般都由一种塑料材料和纤维增强体组成，而树脂体系在复合材料起着十分重要的作用，它是一种至关重要的“胶”，可以起到将纤维固定在合适位置并在纤维之间传递载荷。一系列的特征工艺参数以及工艺性能与树脂的选择有着密不可分的联系，尤其对复合材料的力学性能影响较大。RTM工艺要求树脂系统粘度较低，一般在250Pa·s～300Pa·s；固化时间较短，凝胶时间控制在5min～30min，固化时间一般为凝胶时间的2倍。应用在RTM中的几种树脂中，不饱和聚酯树脂适用范围最广泛，价格低廉，固化时间短，可以大大提升工作效率。环氧树脂的物理性能较高，常常应用在航空航天领域，但造价较高。乙烯基树脂性能介于两者之间，价格适中，也是树脂系统中不错的选择。

树脂含量是随着纤维含量的升高而降低的，所以能在纤维之间提供传递载荷通道的树脂含量较小。为了获得性能较好的复合材料制品，断裂延伸率和模量是衡量树脂好坏的关键因素。而一般强度较高的复合材料，增强纤维和树脂基体之间的界面是不容忽视的，良好的 RTM树脂对增强纤维的浸润效果较好，形成的的界面强度不会受时间的推移以及外界环境因素的影响，这样使施加的载荷可以在纤维增强这一个整体上均匀传递，避免在某一系列单根纤维上产生应力集中。

1.1.3 RTM对纤维增强体的要求

作为复合材料中承载载荷的部分，在设计制件时，种类繁多的纤维增强材料必须引起充分重视。增强纤维材料按形态一般可分为连续纤维、晶须、长丝三类它们都有自己独特的优势，针对不同的应用要求。晶须的长径比较小，属于短纤维，晶体完整度较高，但其成本过高，而且难以加工，单位体积的纤维含量较低，与树脂基体的粘合性较差，所以承受载荷的能力较低。相比之下，连续纤维的纤维长可以达到数米长，这类增强纤维形态承载能力较强，多用于航空航天领域中结构件的制造。而增强体材料主要考虑的因素主要包括使用温度、刚度、强度、密度、价格以及抗疲劳性。一般以玻璃纤维为主，常用的有玻璃纤维毡、短切纤维毡等，选择原则如下质量均匀、铺覆性较好、耐冲刷性好、容积系数要大、机械强度较高，对树脂的阻遏作用小^[2]。

碳纤维是一种高比强、高比模的增强材料。常用的碳纤维强度大约为77MPa、模量234GPa、密度1.8g/m³。碳纤维为化学惰性、具有高的导电性、导热性和低的热膨胀系数。但其使用成本较高、各向异性较高，与玻璃纤维相比脆性较高。