厚度效應對樹脂滲流、固化及複合材料性能影響研究

《厚度效應對樹脂滲流、固化及複合材料性能影響研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由楊金水擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：厚度效應對樹脂滲流、固化及複合材料性能影響研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：楊金水
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

液相模塑成型技術（Liquid Composite Molding, LCM）是一種具有高性能低成本製造優勢的先進複合材料製備技術，其本質是樹脂長程滲流浸漬纖維增強材料並固化成型複合材料。採用LCM工藝製備厚截面複合材料過程中的物理化學行為及複合材料性能隨其厚度尺寸的變化呈現一定規律的現象，稱為厚度效應。厚度效應不僅容易導致超大型複合材料構件製備失敗，而且嚴重損害其整體性能。本項目擬研究厚度效應與纖維預成型體滲透特性、樹脂滲流行為和固化特性的關係，建立考慮厚度效應的樹脂三維耦合流動模型和樹脂滲流-熱化學耦合模型；研究厚度效應與固化熱化學行為的關係，揭示複合材料固化熱化學-應力耦合行為的厚度效應機理，評估厚度效應對複合材料整體性能的影響。研究成果不僅可以豐富滲流力學和熱化學理論體系，而且可以為LCM工藝整體成型製備超大型複合材料構件的工藝最佳化和結構最佳化提供理論依據，具有重要理論和現實意義。

結題摘要

本項目開展厚度效應對樹脂滲流、固化及複合材料性能影響研究，主要考察厚度效應與纖維預成型體滲透特性、樹脂滲流行為和固化熱化學行為的關係，以及厚度效應對複合材料性能的影響。主要研究結論如下： 採用實驗方法研究預成型體面內、面外滲透特性和混合鋪層預成型體的等效滲透特性，建立滲透率模型，探討其厚度效應機理。結果表明：預成型體面內滲透率隨其厚度（層數）的增加而呈非線性降低；預成型體面外滲透率比其面內滲透率低1~2個數量級，且隨其厚度的增加而降低，變化關係遵循三參數冪律定律；混合鋪層預成型體，導流介質的提速作用隨著預成型體厚度的增加而逐漸減弱，等效滲透率隨其厚度的增加而降低，遵循雙參數冪律方程。 採用滲流實驗和數值模擬方法考察樹脂的耦合滲流行為，探討Lead-lag、流道、構築效應與厚度效應的關係，建立滲漏耦合模型，揭示樹脂耦合滲流行為的厚度效應機理。結果表明：混合鋪層預成型體中的三維滲流行為可用滲漏模型和Lead-lag效應來描述，Lead-lag效應隨著厚度的增加而線性增加；面內滲流、面外滲流、滲漏耦合滲流和滲漫耦合滲流的彈性回復，均隨著層數增加而增大，呈明顯厚度效應規律，且面外滲流的幅度最大；建立滲漏和滲流模型，有限差分法分析表明流體壓力分布、滲透率變化和充模時間均呈現明顯的厚度效應。 採用實驗方法考察厚截面複合材料的固化熱化學行為，建立固化動力學模型，揭示固化溫度、固化度和殘餘熱應力的厚度效應機理。結果表明，固化溫度和固化度呈梯度分布，溫差最大達30℃，而固化度差別最大可達10%；溫度突變、峰值溫度、溫度梯度和固化度梯度均隨著厚度的增加而增大；殘餘應力隨厚度的增加而逐漸增大，厚度方向分布不均勻，且主要是壓縮應力。 考察了複合材料力學性能的厚度效應機理。結果表明，複合材料彎曲強度、短梁剪下強度和壓縮強度均隨著厚度的增加而降低，具有明顯的厚度效應，且可用Weibull機率模型進行描述。