夹芯复合材料由上下两层薄纤维织物面板和低密度、低刚度的芯材构成，具有轻质高强、耐腐蚀、隔音好等优异性能，广泛应用于船舶、航空航天、风力发电以及道路交通等领域。目前夹芯复合材料生产工艺有树脂传递模塑成型（RTM）、真空辅助树脂传递模塑成型（VARTM）和真空辅助树脂传递（VARI），其中VARI工艺由于成本低、重复性好、适用于制备大型构件而备受青睐。
对于泡沫夹芯复合材料，由于芯材为闭孔结构，树脂只能在上下面板分别流动，充模时间长，易产生干斑和孔隙。工业中常对芯材开孔或开槽处理，以促进树脂流动，缩短填充时间。同时，芯材中的树脂柱还可提高夹芯复合材料的弯曲强度和侧压强度。由于芯材开孔或开槽使树脂流动过程复杂，采用试错法进行工艺优化周期长、成本高。因此，目前国内外主要通过仿真来研究夹芯复合材料的成型。
虽然国内外对夹芯复合材料成型工艺的研究已取得较大进展，但仍存在一些局限：
（1）在芯材加工方面，对芯材同时开孔开槽并使孔槽相互连通可有效缩短填充时间，但研究较少。
（2）进行模拟灌注时，多数研究将树脂黏度假设为固定值，没有考虑其随时间的变化，且只研究了树脂流动行为和填充时间，很少考虑孔隙率的分布。
（3）现有相关报道中很少根据工艺参数的不同提出预测模型。
本文研究基于孔槽泡沫夹芯复合材料，在考虑重力以及树脂黏度随时间变化的情况下，使用PAM-RTM模拟了树脂在3D模型中的流动，并通过实验验证了这一方法的可行性；在此基础上研究了芯材加工参数、树脂灌注方式和导流网铺敷区域对成型工艺的影响；基于最优方案模拟得到了充模时间与树脂黏度之间的预测模型。
实验与仿真
1.1 实验材料参数
表1. 实验材料参数
1.2 孔槽中树脂流动理论
芯材中孔和沟槽模型及尺寸如图1所示，将树脂在孔槽中的流动视为粘性流体的不可压缩流动，雷诺数小于1，近似为层流，适用达西定律。
图1. 孔槽模型及尺寸：(a)孔洞、(b)沟槽
1.3 实验
本实验中孔槽泡沫夹芯复合材料由三部分构成，从上至下分别为六层SF玻纤（厚1.14mm）、PVC泡沫板（300mm x 180mm x 10mm）、六层SF玻纤（厚1.14mm），玻纤之间摆放角为0°。使用雕刻机对芯材开孔和开槽，孔槽连通且相邻间距均为30mm，如图2所示。
图2. 泡沫芯材表面形貌：(a)上面板、(b)下面板
采用VARI成型工艺，灌注方式为线注射，注射压力为0.1MPa。灌注时使用摄像装置记录上下面板树脂流动过程，最终充模时间为1020s。树脂固化后制件的上下表面形貌如图3所示，采用树脂烧蚀法测定制件的孔隙率，在上下面板分别选择两处部位，每处部位各取三块试样（24mm × 15mm，编号为A、B、C），试样位置在图3中标出。
图3. 制品表面形貌：(a)上面板、(b)下面板
首先根据国家标准GB/T 1463-2005《纤维增强塑料密度和相对密度实验方法》测得每块试样的密度ps(g/cm3)，再根据国家标准GB/T 2577-2005《玻璃纤维增强塑料树脂含量实验方法》烧蚀试样，烧蚀前后试样状态如图4所示，每处部位的平均孔隙率，如表2所示。
图4. 试样烧蚀前后状态：(a)烧蚀之前、(b)烧蚀之后
表2. 孔槽泡沫夹芯复合材料孔隙率测试结果
1.4 孔槽泡沫夹芯复合材料仿真模型构建
使用CATIA构建3D模型，分别以实心圆管和方管表示孔洞和沟槽，导流网、进出胶口以及注射压力的设置均与实验相同，如图5所示。树脂室温（25℃）下的黏度变化曲线如图6所示，为提高模拟精度，仿真中所用树脂黏度按这一曲线设置。
图5. 孔槽泡沫夹芯复合材料3D模型
图6. 树脂黏度-时间曲线
3D模型网格尺寸的大小影响模拟结果精度，网格尺寸过大将降低计算精度，尺寸过小将增加产生问题网格的概率，且计算时间延长。将模型分为导流网与上下面板、孔洞、沟槽三部分进行讨论，共八种网格划分方案（D~K），如表3所示。使用HYPERMESH对模型划分四面体网格后导入PAM-RTM，模拟结果如图7所示。
表3. 不同单元尺寸网格划分方案
图7. 网格划分方案模拟结果对比
由图7可知，仅改变导流网与上下面板网格尺寸时，模拟结果误差为0.43%~2.31%；仅改变沟槽网格尺寸时为0.96%~1.07%；仅改变孔洞网格尺寸时模拟结果误差为15.42%~16.41%。
由此可知，孔洞对模拟结果的影响最显著，原因是总填充时间由下面板决定，而下面板主要依靠孔洞中流过的树脂浸润。因此，孔洞网格尺寸应尽可能小以提高模拟精度。
总体而言，八种方案的填充时间与实际相比差别不大（6.47%~11.18%），但随着网格尺寸增大，计算效率显著提高(65.10%~82.00%)。为保证模拟精度，同时缩短计算时间，最终选择E为最优网格划分方案。
2 结果与讨论 2.1 实验结果与仿真结果对比 首先对比树脂流动前沿位置，在上下面板各选取四个时刻的树脂流动状态，对比结果如图8、9所示，其中模拟图内不同颜色区域表示树脂填充占比。 图8. 孔槽泡沫夹芯复合材料上面板不同时刻树脂流动前沿位置对比：(a)37s、(b)161s、(c)345s、(d)583s 图9. 孔槽泡沫夹芯复合材料下面板不同时刻树脂流动前沿位置对比：(a)274s、(b)448s、(c)518s、(d)930s 对于上面板，由于导流网渗透率较高，树脂快速浸润导流网，流动前沿呈梯形，如图8a所示； 当流动前沿越过导流网后，梯度逐渐减小，如图 8b、c所示； 由于最终流动前沿仍有一定梯度，树脂不会同时到达面板边缘，如图8d所示。 上面板模拟填充时间为628s，与实际填充时间（659s）相比误差为4.70%。 上面板部分树脂通过孔洞和沟槽后提前浸润下面板并形成长条区域，如图9a、b所示； 随后，长条区域与树脂流动前沿交汇形成连续浸润区域，如图9c、d所示。 最终下面板模拟填充时间为936s，与实际填充时间（1020s）相比误差为8.24%。 对模拟和实验中上下面板不同时刻树脂流动前沿位置作曲线对比，如图10所示，二者流动前沿曲线基本吻合，表明了模拟灌注的合理性。 图10. 孔槽泡沫夹芯复合材料树脂流动前沿位置对比：(a)上面板、(b)下面板 上下面板模拟孔隙率结果如图11所示，其中不同颜色区域表示不同孔隙率百分比。 图11. 孔槽泡沫夹芯复合材料孔隙率仿真结果： (a)上面板、(b)下面板 导流网促进树脂流动，上面板被充分浸润，因此整体孔隙率较低（低于3.84%），如图11a所示。 在图11b中，孔隙主要分布在远离进胶口的沟槽和出胶口两侧。其原因是树脂通过孔槽浸润纤维时，容易产生气泡，进胶口附近的沟槽可被注胶口树脂充分浸润，而距其较远的沟槽仅靠孔槽中的树脂浸润，孔隙率较高。 出胶口两侧的孔隙则是树脂流动前沿无法同时到达所致。 为验证模拟孔隙率结果的合理性，将孔隙率实验所取试样部位对应于图11，得到孔隙率对比结果如表4所示，二者孔隙率平均误差为7.69%。综上所述，这一仿真模型能较准确地模拟树脂填充过程和孔隙率分布，可用于后续仿真研究中。 表4. 实验孔隙率与模拟孔隙率对比 2.2 孔槽泡沫夹芯复合材料成型工艺优化 对于复合材料，树脂填充时间决定制品成型周期，树脂基体中的孔隙会导致裂纹扩展，影响制品强度。因此，对芯材加工参数、灌注方式和导流网铺敷区域进行研究，以提高制品性能，缩短生产周期。 2.2.1 芯材加工参数对成型过程的影响 芯材加工参数包括孔槽间距、尺寸和位置，对孔槽间距进行研究，分为行间距R和列间距C，以R=30mm、C=30mm为对照组。采用控制变量法分别改变R和C为15mm、45mm、60mm，采用PAM-RTM模拟得到上下面板填充时间如图12所示，孔隙率结果如表5所示。 图12. 孔槽间距对填充时间的影响 表5. 不同间距孔隙率结果对比 由图12可知，当R=30mm、C=15mm时，填充时间最短（795s）。 由表5可知，当R、C均不小于30mm时，孔隙率随R、C增加而增加，原因是孔槽中通过的树脂减少使下面板浸润不充分；当R、C大于30mm时，下面板树脂交汇次数过多，孔隙率也将增加。 综上所述，增加孔槽间距会导致下面板树脂浸润不充分，使总填充时间延长和孔隙率增加，在实际中，应尽量选择较小孔槽间距。R=30mm、C=30mm时孔槽泡沫夹芯复合材料填充时间较短（936s），孔隙率最低（8.22%）。 对孔槽尺寸进行研究，保持R=30mm、C=30mm不变，改变孔槽尺寸分别为1.5mm、2mm、3mm和3.5mm，对应孔槽渗透率如表6所示，采用PAM-RTM模拟得到上下面板填充时间如图13所示，孔隙率结果如图14所示。 表6. 不同尺寸孔槽的渗透率 图13. 不同孔槽尺寸的上下面板填充时间 图14. 不同孔槽尺寸的孔隙率结果对比：(a)1.5mm、(b)2mm、(c)3mm、(d)3.5mm 由图可知，孔槽尺寸越大，填充时间越短，整体孔隙率越低，但同时也使孔槽内树脂增多，制件质量增加。因此，在满足填充时间和孔隙率的前提下应尽量选择较小的孔槽尺寸，本工作中孔槽尺寸为2.5mm时较优。 对孔槽位置进行研究，在验证模型（A1）基础上，仅改变孔的位置，使各相邻孔槽间距均为15mm（A2）；仅改变沟槽方向与芯材短边平行（A3）；同时改变孔位置和沟槽方向（A4）。模拟得到A2~A4上下面板填充时间如图15所示，模型及孔隙率结果如表7所示。 图15. A1~A4上下面板填充时间 表7. A2-A4模型及孔隙率结果对比 孔槽连通的芯材加工方式显著优于孔槽不连通；沟槽方向与树脂流动方向一致可有效缩短填充时间，但易产生孔隙。综合孔隙率和填充时间可得，芯材加工方案A1最优，可用于后续优化。 2.2.2 灌注方式对成型过程的影响 在VARI工艺中，制品孔隙率和充模时间通常与进出胶口位置、导流网铺敷面积等因素有关。相比点注射，线注射使树脂流动更均匀，减少缺陷产生并缩短充模时间，因此本次模拟均使用线注射，如表8所示（将验证实验中的注射方式编号为B1）。 表8. 孔槽泡沫夹芯复合材料灌注方案设计 对B2~B5模拟得到上下面板填充时间如图16所示，孔隙率结果如图17所示。 图16. 孔槽泡沫夹芯复合材料灌注方案填充时间曲线 图17. 孔槽泡沫夹芯复合材料灌注方案孔隙率结果对比：(a)B2、(b)B3、(c)B4、(d)B5 相比单一注胶口（B1-B2），双注胶口（B3-B5）可显著缩短填充时间（缩短19.04％～53.42％），其中，B5填充时间最短（436s）。由图17可知，五种方案中最大孔隙率为8.22％，其中，采用双注胶口方案的整体孔隙率低于单一注胶口。 由于B4和B5中树脂在制件中部交汇后向两边流动，交汇处无法被持续浸润，产生较大孔隙，且难以消除，严重影响制件性能。而B3的最大孔隙仅出现在抽气口附近，后续可通过切割去除，从而获得性能较好的制件。综合填充时间和孔隙率，选择B3为最优注胶方案。 2.2.3 导流网对成型过程的影响 对于复合材料，存在孔隙是必然的，孔隙率越低，制件性能越好。导流网可促进树脂流动，减小孔隙率，因此，进一步对导流网铺敷区域进行研究。 在B3基础上，将导流网沿芯材短边延长至180mm（B6），将导流网沿芯材长边延长至300mm（B7），模型及模拟结果如表9所示。B6相对于B7，虽填充时间略有缩短，但整体孔隙率得到显著改善，且仅在出胶口处出现最大孔隙率。 表9. B6与B7模型及模拟结果对比 结合B6和B7，将导流网沿长边延长至300mm，沿短边延长至150mm（B8），模型与模拟结果如表10所示。与B3相比，B8的充模时间缩短41.6%，整体孔隙率显著降低，仅出胶口处出现较大孔隙，可通过切割去除，也可延长灌注时间使树脂持续浸润该部位以减少孔隙，从而得到整体性能较好的制件。 表10. B8模型及模拟结果 2.3 孔槽泡沫夹芯复合材料预测模型 工业中，根据复合材料的用途通常会使用不同的树脂体系。基于上述结论，进一步研究了孔槽泡沫夹芯复合材料充模时间与树脂黏度的关系。 在B8基础上，仅改变树脂黏度(0.1~0.6 Pa·s)，将六种模型导入PAM-RTM，并使用Origin对模拟结果进行函数拟合，如图18所示，由图可知，树脂黏度x与充模时间y的函数关系式为y=659.43x，函数拟合度较高(R2=0.9998)。另设树脂黏度为0.7 Pa·s，模拟得到填充时间为462.3s；将x=0.7代入预测函数算得理论填充时间为461.5s，二者误差为0.17%，表明了这一模型的有效性。 图18. 孔槽泡沫夹芯复合材料预测函数 结语 ☑ 选取合适的孔槽泡沫夹芯复合材料模型进行模拟，实验对比结果表明这一模型能较准确地模拟树脂流动过程和孔隙率分布。 ☑ 增加孔槽行间距R和列间距C均会使下面板浸润不均匀而延长填充时间并增大孔隙率，实际中应选择较小的孔槽间距，当R=30mm、C=30mm时较优；增大孔槽尺寸可使下面板充分浸润，缩短总填充时间并降低孔隙率，但制件质量增加，孔槽尺寸为2.5mm时较优；孔槽连通可降低树脂交汇次数，避免树脂流动前沿产生包络并缩短填充时间，本工作中芯材加工方案A1最优。 ☑ 树脂流动前沿梯度越大，孔隙率越高，制件两侧增加注胶口可减小梯度，降低整体孔隙率；增大导流网的铺敷面积可有效促进树脂流动，且铺敷时应远离抽气口，本实验中B8为最优灌注方案。 ☑ 函数y=659.43x可较准确地预测不同树脂黏度下孔槽泡沫夹芯复合材料的充模时间，对实际生产具有一定的指导意义。 来源：《材料导报》（作者：杨张韬；倪爱清；王继辉；冯雨薇）
