题目：液体成型/预浸料共固化工艺过程分析与成型质量研究

先进树脂基复合材料因其具有质轻高强、可设计性强、抗疲劳性能好、易于实现结构/功能一体化等优点在航空航天领域内得到了广泛的应用。近年来复合材料构件表现出从简单结构向复杂结构、从次承力部件向主承力部件、从单一功能向多功能转变的发展趋势。为获得良好的工艺质量及力学性能，航空航天用复合材料构件通常采用预浸料热压罐工艺制备。然而较大的设备投资及繁琐耗时的铺贴、装配环节使得预浸料热压罐工艺生产效率低、制件生产成本高。纤维预成型体的灵活设计性与快速成型的特点，使得液体成型工艺可以高效、低成本的制备复合材料构件，但制件纤维体积含量较低、树脂韧性较差等弱点也限制了其在主承力部件上的应用。因此结合预浸料工艺与液体成型工艺的优点，开发新的复合材料制造工艺成为工艺发展的新方向。本文提出了一类新的复合材料制造方法—液体成型/预浸料共固化工艺，并以树脂膜熔渗/预浸料共固化工艺及真空灌注/预浸料共固化工艺为研究重点，考察了树脂膜熔渗/预浸料共固化工艺关键因素与材料适用性，研究了该工艺成型工形加筋壁板过程中的纤维密实与树脂流动规律；针对真空灌注/预浸料共固化工艺中预浸料树脂浸渍干纤维预成型体过程展开了实验及模拟研究，研究了浸渍程度与层板力学性能的关联规律，建立了描述该工艺过程的数值模拟模型和有限元计算方法。上述研究为实现复合材料新工艺的开发及复合材料制件的高性能、高效率、低成本制造奠定了坚实的理论与实验基础。

首先，自行建立了液体成型工艺用树脂流动前锋在线监测系统。通过探针尺寸的优化，该系统可以实现热压罐内树脂膜熔渗工艺、罐外真空灌注工艺树脂流动前锋的监测，具有灵敏度高、抗工艺干扰能力强的特点，研究结果为分析液体成型工艺树脂的流动行为提供了重要的实验手段。

其次，采用树脂膜熔渗/碳纤维预浸料共固化工艺制备了平板制件，考察了叠层方式、保温平台、定型剂使用等工艺因素对层板工艺质量及力学性能的影响规律，结果表明：干纤维铺层置于预浸料铺层上方更有利于树脂流动及夹杂空气的排出，减少富脂和孔隙等缺陷的产生。温度平台加入保证了树脂膜树脂的充分流动和对干纤维铺层的良好浸渍，提高了共固化界面的层间性能。工艺和力学性能实验结果表明共固化界面并非制件的薄弱环节，树脂熔膜/预浸料共固化工艺具有良好的工艺适用性。

针对树脂膜熔渗/预浸料共固化工艺，考察了碳纤维预浸料树脂与树脂膜的匹配性，在此基础上研究了不同预浸料体系制备的共固化层板的性能，结果表明：四种预浸料树脂均能够与树脂膜树脂充分混溶，形成连续均匀的共固化界面。共固化界面处无孔隙、富脂等缺陷。树脂膜熔渗/预浸料共固化工艺具有良好的材料适用性。

采用树脂膜熔渗/碳纤维预浸料共固化工艺制备了具有干纤维筋条、预浸料蒙皮的工形加筋壁板。利用树脂压力和树脂流动前锋监测系统考察工艺过程树脂压力变化及树脂流动的规律，分析了不同拐角填充材料和不同预浸料蒙皮对加筋壁板成型质量及拉脱性能的影响。结果表明：所设计的分散式树脂膜分布可以实现干纤维筋条的有效浸渍。预浸料树脂在树脂压力梯度的作用下向筋条/蒙皮共固化界面流动，有利于实现树脂膜树脂与预浸料树脂的相互扩散，形成均匀连续的共固化界面。此外，相比干纤维填充下拐角区，预浸料填充有利于获得拐角形状规则、无缺陷且拉脱性能良好的制件。预浸料蒙皮与树脂膜熔渗成型筋条的加筋壁板拉脱性能要高于树脂膜熔渗成型加筋壁板的拉脱性能，而低于预浸料加筋壁板的拉脱性能。

最后，研究了真空灌注/碳纤维预浸料共固化工艺中不同工艺条件下预浸料树脂浸渍干纤维预成型体过程，提出了浸渍高度的概念以定量表征不同浸渍程度。揭示了树脂浸渍程度与层板工艺性能之间的关联规律，结果表明：适当的树脂浸渍程度有利于形成纤维密实较高、成型质量较好的干纤维/预浸料界面；而过高或过低的树脂浸渍程度对层板的性能均会产生不利影响。进一步针对该过程建立了包含预浸料饱和部分及干纤维非饱和部分的树脂流动数值模拟模型，实现了不同保温温度及保温时间下预浸料树脂浸渍高度的预报，为真空灌注/预浸料共固化工艺制件成型质量的控制奠定了重要的理论和技术基础。