题目：先进复合材料热压工艺流动/密实表征分析与理论预测

先进树脂基复合材料有着传统材料无法比拟的综合性能，对于航空航天技术的发展起着非常重要的作用，我国要发展大飞机及其他先进飞行器都需要大量应用复合材料。随着复合材料用量的不断增加、用途的不断扩大，与传统材料相比其性能稳定性控制难度大、成本高等问题越发突出，而复合材料的性能和成本在很大程度上决定于成型工艺过程。复合材料具有材料形成与结构成型同时完成的特点，其成型过程既有物理作用，又有化学作用，甚至有物理/化学耦合作用，多种作用相互影响、彼此制约。尤其是热压工艺，由于树脂与纤维本征特性差异大，复合过程影响因素更为复杂，而且是一个不可逆过程，因而热压工艺过程的控制十分困难，这个过程的控制对于复合材料制件性能的稳定、质量的保障、成本的降低十分重要。目前对于热压工艺虽然有不少研究，但尚缺乏系统性，难以指导实际应用。特别是我国在实际工程应用中热压工艺方案的制定仍依赖于试错法和经验法。本论文即针对树脂基复合材料热压成型过程中关键的共性基础问题开展研究，重点研究了热压成型过程树脂流动、纤维密实规律及缺陷形成机制，建立了材料工艺特性的测试表征方法、成型过程的理论模拟方法以及工艺窗口的预报方法，为树脂基复合材料数字化制造和质量控制奠定了重要的理论与实验基础。首先细致地分析了热压成型过程中树脂流动与纤维密实状态，发现了外压作用下预浸料片层层内与层间同时产生密实运动的规律，首次提出了纤维渐进式双重密实理论模型。为了验证该模型，进一步研究了纤维密实与树脂流动驱动力的关系。基于液体传压原理和复合材料热压成型特点，自主设计并建立了树脂压力在线测试系统，实现了工艺过程树脂压力的多点实时定量监测。结合纤维微观分布、纤维承力及树脂压力在成型过程中变化规律的研究，实验验证了渐进式双重密实模型在复合材料层板中的普适性，为提高热压成型过程纤维含量及其分布的预测精度和工艺参数优化奠定了理论基础。在深入分析复合材料热压成型过程纤维密实模式的基础上，建立了层板厚度方向流动/密实数学模型及其模拟方法。为了提高该模拟方法的预测精度，系统研究了材料工艺特性的测试方法与表征参数，建立了树脂流变与凝胶特性、纤维层压缩/饱和渗透特性同状态测试系统与表征参数，考察了贮存条件对树脂特性的影响规律。在此基础上对模拟分析结果进行了实验验证，层板厚度和纤维微观分布分析结果表明，预测结果与实验值相吻合。其次对复合材料层板中孔隙缺陷的形成机制与表征方法进行了深入研究。针对热压成型过程，根据气泡溶解的孔隙消除原理，揭示了夹杂空气对复合材料成型过程气泡生长、孔隙形成的作用机制；结合压力分配原理、纤维层压缩与树脂凝胶特性分析，首次实现了复合材料层板中水汽和丙酮形成孔隙临界条件的准确理论预测。同时自主建立了树脂基体孔隙形成条件定量测试系统，实现了不同湿度和温度条件下孔隙率与树脂压力间关系的定量测定，为孔隙缺陷控制和热压工艺窗口预报提供了重要的边界条件。在纤维密实过程数值模拟与孔隙形成条件充分分析的基础上，以纤维密实和消除孔隙作为判定依据，首次建立了树脂基复合材料热压成型加压工艺窗口的理论预报方法。进而针对热压成型的双恒温平台工艺制度，以孔隙率和纤维含量可控性为指标，实现了热压成型过程树脂体系工艺性的准确评价，通过对多种常用环氧树脂、双马树脂和氰酸酯树脂体系的工艺性分析，表明该方法克服了目前工艺性评价中存在的周期长与目标单一等问题，可有效提高工艺方案制定速度，降低工艺研制成本。最后，研究了L形层板和非等厚层板的热压成型树脂流动/纤维密实规律，运用前述所建立的树脂流动/纤维密实过程基本理论，考察了该类层板缺陷成因及其作用机制，建立了缺陷成因分析方法。研究结果表明，L形层板阳模成型因渗流与剪切流耦合作用易产生厚度不均和层板表面的纤维屈曲等缺陷；非等厚层板成型因厚度方向与面内方向的二维流动及纤维不连续，易产生纤维分布不均和富树脂缺陷，在变厚区易出现分层缺陷。研究结果为复杂结构热压成型过程质量控制奠定了理论和实验基础。