● 摘要
随着复合材料在航空、航天等领域应用的不断扩大，对高性能复合材料的需求也愈发迫切。然而在复合材料构件的制造和使用过程中经常会产生各种各样的孔隙，从而影响复合材料制品的可靠性，制约了复合材料的应用。目前，如何消除孔隙、制备高品质复合材料已经成为复合材料制造过程中普遍关注且亟待解决的问题之一。因此，只有在深入分析和探讨复合材料成型过程中气泡运动特性、变形特性以及生长状况的基础上，才有可能实现按照设计目标来合理地控制固化工艺参数，从而使孔隙含量降至最低。本课题是国家973 项目中的一部分，旨在针对热/压成型过程中普遍存在的孔隙问题进行研究，采用模拟实验手段，重点考察成型过程中气泡的运动条件、运动特性以及生长规律等。本论文系统分析了气泡在纯树脂、毛细通道以及织物层内运动的主要影响因素，考察了气泡穿出过程中的生长情况，确定了气泡穿出的驱动力以及约束条件，并建立了气泡/树脂相对运动速度的数值模型，为短程流动模型的优化提供判据。从而也进一步为先进树脂基复合材料制造过程的模拟优化以及发展新型低成本制造技术提供理论和实验依据。首先，对比分析了气泡和树脂在无管壁效应通道以及毛细通道中的两相流动情况，分析了影响气泡运动速度的主要因素，揭示了管壁存在对气泡运动规律的影响，并建立了树脂/气泡相对运动速度数值模型。发现气泡运动过程中的速度变化主要受树脂粘度、气泡体积、树脂流动速度等因素的共同控制。对同一气泡，在毛细通道中的运动速度明显小于在无管壁限制介质中的运动速度，且管壁内径越小，气泡运动速度越快。当树脂流量或者气泡长度较小时，毛细通道中气泡运动速度低于树脂流动速度。其次，结合复合材料热压成型过程中温度、压力、粘度等的变化特点，首次从实验角度对气泡穿出预浸料中的体积变化情况进行了实验研究和分析，以便为气泡运动模型的建立提供了边界条件。研究表明，压力是影响气泡生长的最重要因素。然后，建立并采用气泡穿过织物层可视化实验系统，研究了气泡在穿出单层织物以及多层织物过程中的主要影响因素以及影响规律。发现气泡运动的主要驱动力是树脂流动所产生的压力差，且外加压力越大，气泡越容易穿出；在气泡不发生破裂的情况下，大气泡比小气泡更容易穿出；对于同样大小的气泡，无论织物种类以及网格形态如何，树脂粘度越低、网格面积越大，铺层层数越少气泡穿出所需要的临界压力越小。最后，创新地采用变截面毛细通道原理，实验考察了气泡跨截面运动的临界压差，同时建立了临界压差的理论模型。理论分析和实验结果表明，气泡的运动能力主要与毛细通道管径、气泡长度、液体表面张力以及气泡运动前、后端与毛细管内壁的夹角有关，且理论模型分析与实验结果吻合的较好。同时，揭示并系统研究了成型过程中影响气泡穿出的其他边界条件。研究表明，截面光滑以及对称性好的通道，气泡穿出所需的压力较小；在某一通道形式下，气泡从粗毛细通道中向细毛细通道中运动比从细毛细通道向粗毛细通道运动所需的压力小；初始压力的不同对气泡的运动条件没有影响；气泡在水平方向气泡的运动条件与气泡的长度无关。