航空复合材料真空辅助树脂传递模塑（VARTM）工艺特性研究

摘要整理

本研究由美国国家航空航天局（NASA）与航空航天工业界及学术界合作开展，旨在提高民用航空飞行的安全性与经济性。为实现这一目标，项目重点通过开发轻质碳纤维增强聚合物基复合材料来替代现有金属机身结构，从而降低燃油消耗。在“二十一世纪航空技术计划”（TCAT）中，研究聚焦于开发新型加工方法以制造定制的复合材料机身结构。真空辅助树脂传递模塑（VARTM）技术为制造大型复合材料机身和机翼结构提供了一种更安全、更经济的替代方案。VARTM是一种灌注工艺，最初应用于船舶复合材料制造，它是树脂传递模塑（RTM）的一种变体，其中一侧的刚性金属模具被柔性真空袋取代。整个过程，包括树脂灌注和部件固结，均在大气压（101.5 kPa）下进行。该工艺无需高压釜即可实现纤维体积含量在45%至50%的高性能复合材料。VARTM工艺开发的主要目标是探究制造纤维体积含量接近60%的航空级复合材料的可行性。研究采用科学方法，利用有限元工艺模型对VARTM灌注过程及组分材料的相互作用进行了表征和深入理解。为实现航空级复合材料的制造，VARTM工艺、基体树脂和纤维预制体均需进一步开发。本工作研究了最新开发的环氧基体树脂，包括其固化动力学和流动行为特性。同时，对两种不同纤维预制体的结构进行了表征，以确定其在VARTM条件下的压实响应，并研究了厚度对最大可实现纤维体积含量的影响。此外，还测定了这些预制体在VARTM流动条件下的渗透性。预制体的压实响应和渗透性均通过经验模型进行拟合，可作为未来使用工艺模型模拟VARTM灌注的输入参数。研究还使用带有传感器的工装对这两种预制体进行了实际灌注实验，以确定VARTM渗透过程中发生的压力和位移。在玻璃模具上进行的流动实验确定了不同厚度预制体试样的填充时间和流体前沿演变。这些实验结果可用于验证工艺模型灌注模拟，并核实压实和渗透性经验模型。研究人员使用新开发的环氧树脂灌注并固化了复合材料板，随后进行切片分析以确定最终纤维体积含量和部件质量，从而验证灌注和压实实验数据。研究发现，所表征的预制体具有弹性和非弹性压缩响应。针织织物的最大纤维体积含量取决于预制体试样中的层叠数量，这一关系也在确定预制体的达西渗透性时得到证实。对两种环氧树脂体系的表征结果表明，它们具有相似的最低粘度，但固化行为显著不同。对VARTM工艺的表征揭示了两种预制体试样在灌注过程中表现出不同的响应。饱和预制体在灌注后进行再压实，结果表明灌注过程中损失的相当一部分纤维体积可以恢复。通过VARTM工艺使用表征的树脂和预制体制造的平板复合材料的纤维体积和空隙含量分析显示，获得了纤维体积超过58%的无空隙部件。理想压实测试结果表明，使用针织织物可实现高达60%的纤维体积含量。本研究所呈现的工作不仅加深了对VARTM工艺的理解，也引发了对其作为航空复合材料制造技术可行性的更多探讨。

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