树脂浸润时间对碳纤维平纹机织层合复合材料力学性能影响研究

一、研究背景与意义

碳纤维平纹机织层合复合材料（CFPWLC）因其优异的力学性能、较高的性价比，广泛应用于航空航天、汽车、航海等制造领域。然而，在液体成型工艺（如VARTM）中，树脂浸润不充分常导致孔隙、分层、富树脂等缺陷，严重影响材料的力学性能与使用寿命。

树脂浸润时间作为关键工艺参数之一，其对材料内部缺陷形成、分布及最终力学性能的影响尚未得到系统研究。因此，本文通过控制不同浸润时间，系统研究其对CFPWLC缺陷特征与压缩性能的影响，旨在为工艺优化提供理论依据与实验支撑。

二、实验设计

1. 材料与工艺

- 增强材料：21层3K碳纤维平纹布（面密度142 g/m²）

- 基体材料：环氧树脂

- 成型工艺：真空辅助树脂灌注（VARTM）

- 浸润时间：2 h、4 h、6 h（控制变量）

- 纤维体积分数：约50%

- 模具设计：底部进树脂，顶部出树脂，分区明确（进料区与出料区）

2. 测试方法

- 表面缺陷观察：超景深显微镜

- 压缩性能测试：

- 面外压缩（厚度方向）

- 面内压缩（平面方向）

- 标准：ASTM 3410，试样尺寸 8 mm × 8 mm × 4 mm

- 破坏过程记录：高速摄影（2000帧/秒）

- 断口分析：场发射扫描电镜（SEM）

三、主要研究结果

1. 缺陷分布特征

- 缺陷位置：主要集中在出料区，尤其是经纬纱交织点；

- 缺陷类型：主要为树脂未充分浸润形成的孔隙、气泡；

- 时间影响：随着浸润时间从2 h延长至6 h，表面缺陷数量显著减少，形貌趋于完整。

2. 重量变化分析

- 出料区质量提升更明显，说明延长浸润时间主要改善了出料区的树脂充盈程度。

3. 面外压缩性能

- 强度与模量均随浸润时间增加而提升；

- 2 h试样表面碳纤维裸露，树脂包覆性差；

- 6 h试样表面缺陷显著减少，树脂分布均匀；

- 破坏模式转变：由层间破坏 → 剪切破坏，表明界面结合增强。

4. 面内压缩性能

- 强度提升显著：

- 4 h较2 h提升约44.5%

- 6 h较4 h提升约13.2%

- 裂纹演化过程：

- 2 h：层间裂纹主导，易沿缺陷扩展；

- 6 h：剪切裂纹为主，承载能力增强；

- 破坏截面观察：6 h试样纱线间结合更紧密，无明显分层。

四、机理分析

1. 浸润时间延长 → 树脂流动性增强 → 孔隙减少 → 缺陷密度降低

2. 经纬交织点易形成气泡滞留区 → 延长时间有助于气泡排出

3. 界面结合增强 → 载荷传递效率提高 → 压缩性能提升

4. 性能提升趋缓 → 6 h接近浸润饱和状态 → 再延长时间收益递减

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五、结论与展望

✅ 主要结论：

1. 树脂浸润时间显著影响CFPWLC的缺陷分布与力学性能；

2. 出料区为缺陷高发区，延长时间可有效改善其浸润质量；

3. 随着浸润时间增加，面内/面外压缩强度与模量均显著提升；

4. 破坏机制由层间破坏向剪切破坏转变，材料韧性增强；

5. 6 h浸润时间在本实验条件下接近，进一步延长效果有限。

后续研究方向：

- 探索不同织物结构（如斜纹、缎纹）对浸润时间敏感性的差异；

- 建立浸润时间与缺陷体积分数之间的定量模型；

- 结合数值模拟（如RTM流动模拟）优化浸润工艺参数；

- 研究浸润时间对疲劳性能、湿热性能等长期服役行为的影响。