|
碳纤维增强聚合物（CFRP）因其轻质、高强度的特性在航空航天、汽车等领域得到广泛应用。树脂传递模塑（RTM）作为一种常见的CFRP制造工艺，其制品中的孔隙缺陷一直是影响材料性能的关键因素。近年来，超声波振动被引入RTM工艺中，以期通过其空化效应改善树脂对碳纤维的浸润，进而减少孔隙的形成。 尽管超声波辅助RTM工艺在实验室阶段已展现出一定的潜力，但其对CFRP中孔隙形成与分布的具体影响机制尚不明晰。此外，现有研究多关注于超声波对树脂流动性的影响，而对其在孔隙抑制方面的深入探讨相对缺乏。 2024年，Top期刊《Composite Structures》发表了湖南大学研究团队有关超声波振动在CFRP层压板制造过程中对孔隙形成与抑制作用的研究。论文标题题为“Void formation and suppression in CFRP laminate using newly designed ultrasonic vibration assisted RTM technique”。该研究主要集中在超声波振动对碳纤维增强聚合物（CFRP）在树脂传递模塑（RTM）过程中孔隙形成与分布的影响上。探讨了不同超声波功率下CFRP试样的孔隙变化，分析了超声波振动对树脂浸润性、孔隙形态及分布的影响，并评估了CFRP试样的力学性能。图 1. (a) 超声波辅助 VARTM 装置，(b) VARTM 型腔的 3D 建模，(c)超声系统示意图，(d) VARTM 叠层的横截面视图。研究人员在不同超声波功率下，采用树脂传递模塑（RTM）工艺制备了CFRP试样。试样尺寸统一，以便进行后续的对比分析。利用3D X射线显微镜（XRM）对CFRP试样进行了高精度的孔隙检测。通过图像处理和数据分析软件，对孔隙的形态、大小、分布等特征进行了详细表征。对CFRP试样进行了弯曲强度和断裂能量的测试，以评估超声波振动对CFRP力学性能的影响。
图 2. (a) X 射线显微镜设备和 (b) 成像原理 建立了考虑超声波传播、树脂流动和孔隙形成的多物理场耦合数值分析模型。该模型能够模拟超声波在树脂中的传播过程，预测孔隙的形成和演化趋势，并通过与试验结果的对比验证模型的准确性。 图 4. 不同超声功率条件下孔隙的(a)当量直径和(b)球形度分布。 图 5.100 μs时空腔位移时域响应图及树脂内部最靠近声源位置处第一周期声压时域响应曲线 对试验和模拟过程中产生的大量数据进行了系统的整理和分析。通过统计分析方法，定量评估了超声波功率与CFRP试样中孔隙数量、大小及分布之间的关系。同时，结合力学性能测试结果，分析了超声波振动对CFRP力学性能的影响规律。 试验结果表明，超声波振动能够显著减少CFRP中的孔隙数量，并使其分布更加均匀。同时，随着超声波功率的增加，CFRP的弯曲强度和断裂能量均有所提高。数值模拟结果也验证了超声波振动在改善树脂浸润性和减少孔隙形成方面的有效性。 该研究通过试验与模拟相结合的方法，深入探讨了超声波振动在CFRP树脂传递模塑过程中对孔隙形成与分布的影响机制。结果表明，超声波振动能够显著改善CFRP的孔隙缺陷，提高其力学性能。这一发现对于优化超声波辅助RTM工艺、提升CFRP制品质量具有重要意义。 Peng, Y., Li, M., & Yang, X. (2024). Void formation and suppression in CFRP laminate using newly designed ultrasonic vibration assisted RTM technique. Composite Structures, 329, 117796. [https:///10.1016/j.compstruct.2023.117796]https:///10.1016/j.compstruct.2023.117796
|
