樹脂浸潤時間對碳纖維平紋機織層合復合材料力學性能影響研究

一、研究背景與意義

碳纖維平紋機織層合復合材料（CFPWLC）因其優異的力學性能、較高的性價比，廣泛應用于航空航天、汽車、航海等制造領域。然而，在液體成型工藝（如VARTM）中，樹脂浸潤不充分常導致孔隙、分層、富樹脂等缺陷，嚴重影響材料的力學性能與使用壽命。

樹脂浸潤時間作為關鍵工藝參數之一，其對材料內部缺陷形成、分布及最終力學性能的影響尚未得到系統研究。因此，本文通過控制不同浸潤時間，系統研究其對CFPWLC缺陷特征與壓縮性能的影響，旨在為工藝優化提供理論依據與實驗支撐。

二、實驗設計

1. 材料與工藝

- 增強材料：21層3K碳纖維平紋布（面密度142 g/m2）

- 基體材料：環氧樹脂

- 成型工藝：真空輔助樹脂灌注（VARTM）

- 浸潤時間：2 h、4 h、6 h（控制變量）

- 纖維體積分數：約50%

- 模具設計：底部進樹脂，頂部出樹脂，分區明確（進料區與出料區）

2. 測試方法

- 表面缺陷觀察：超景深顯微鏡

- 壓縮性能測試：

- 面外壓縮（厚度方向）

- 面內壓縮（平面方向）

- 標準：ASTM 3410，試樣尺寸 8 mm × 8 mm × 4 mm

- 破壞過程記錄：高速攝影（2000幀/秒）

- 斷口分析：場發射掃描電鏡（SEM）

三、主要研究結果

1. 缺陷分布特征

- 缺陷位置：主要集中在出料區，尤其是經緯紗交織點；

- 缺陷類型：主要為樹脂未充分浸潤形成的孔隙、氣泡；

- 時間影響：隨著浸潤時間從2 h延長至6 h，表面缺陷數量顯著減少，形貌趨于完整。

2. 重量變化分析

- 出料區質量提升更明顯，說明延長浸潤時間主要改善了出料區的樹脂充盈程度。

3. 面外壓縮性能

- 強度與模量均隨浸潤時間增加而提升；

- 2 h試樣表面碳纖維裸露，樹脂包覆性差；

- 6 h試樣表面缺陷顯著減少，樹脂分布均勻；

- 破壞模式轉變：由層間破壞 → 剪切破壞，表明界面結合增強。

4. 面內壓縮性能

- 強度提升顯著：

- 4 h較2 h提升約44.5%

- 6 h較4 h提升約13.2%

- 裂紋演化過程：

- 2 h：層間裂紋主導，易沿缺陷擴展；

- 6 h：剪切裂紋為主，承載能力增強；

- 破壞截面觀察：6 h試樣紗線間結合更緊密，無明顯分層。

四、機理分析

1. 浸潤時間延長 → 樹脂流動性增強 → 孔隙減少 → 缺陷密度降低

2. 經緯交織點易形成氣泡滯留區 → 延長時間有助于氣泡排出

3. 界面結合增強 → 載荷傳遞效率提高 → 壓縮性能提升

4. 性能提升趨緩 → 6 h接近浸潤飽和狀態 → 再延長時間收益遞減

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五、結論與展望

? 主要結論：

1. 樹脂浸潤時間顯著影響CFPWLC的缺陷分布與力學性能；

2. 出料區為缺陷高發區，延長時間可有效改善其浸潤質量；

3. 隨著浸潤時間增加，面內/面外壓縮強度與模量均顯著提升；

4. 破壞機制由層間破壞向剪切破壞轉變，材料韌性增強；

5. 6 h浸潤時間在本實驗條件下接近，進一步延長效果有限。

后續研究方向：

- 探索不同織物結構（如斜紋、緞紋）對浸潤時間敏感性的差異；

- 建立浸潤時間與缺陷體積分數之間的定量模型；

- 結合數值模擬（如RTM流動模擬）優化浸潤工藝參數；

- 研究浸潤時間對疲勞性能、濕熱性能等長期服役行為的影響。