CN113059827B - 一种调控多孔材料中液体流动的方法 - Google Patents
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Abstract
一种调控多孔材料中液体流动的方法，其特征是在多孔材料表面或上方覆盖带孔的薄膜，对薄膜施加压力后，与薄膜孔接触的多孔材料产生凹形结构，引导多孔材料中其他位置的液体向凹形结构流动，同时凹形结构阻断其周围液体的互流，实现主动调控多孔材料中的液体流动。压力作用下，凹形结构自动形成，压力去除后，凹形结构恢复至初始状态，不会对材料产生不利影响。本发明操作简便、成本低、效果突出，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料成型技术，尤其是多孔复合材料成型技术，具体地说是调控多孔材料中液体流动的方法。
背景技术
纤维增强树脂基复合材料作为典型的饱和多孔材料，由液体树脂浸渍增强纤维后混合而成，具有高比强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀等优异特性。经过近40年的发展，复合材料广泛应用于航空等领域，大大减轻飞机的结构重量，缩短制造周期，且从最初的应用于次承力构件发展到应用于机身隔框、机翼翼梁等大型主承力构件，目前先进飞机复合材料结构重量占比达50％以上。
在实际生产中，尤其是针对复杂形状复合材料构件，普遍存在着固化厚度难以精确控制的问题。根本原因是：由于各位置曲率差异，当在多孔材料表面施加均匀压力后，多孔材料内会产生非均匀的液体压力场，液体在连通的固体骨架间隙发生复杂的流动，产生非均匀的液体分布，进而影响材料的性能。
发明人经过悉心实验和理论研究，提出调控多孔材料中液体流动的方法。在多孔材料表面或上方覆盖带孔的薄膜，对薄膜施加压力后，与薄膜孔接触的多孔材料产生凹形结构，具有引导流向和阻断互流的功能，通过设计孔的大小和分布，实现对多孔材料中复杂的液体流动进行调控。
发明内容
本发明的目的是针对复杂形状的多孔材料使用过程中液体流动难以控制的问题，发明主动调控多孔材料中液体流动的方法。
本发明的技术方案是：
调控多孔材料中液体流动的方法，其特征在于：在多孔材料表面或上方覆盖带孔的薄膜，对薄膜施加压力后，与薄膜孔接触的多孔材料产生凹形结构，阻断液体互流或调控液体流动；薄膜上开孔个数可以从一个增加至多个，调控多孔材料中多个位置的液体流动。
所述的多孔材料由固体骨架和液体组成，液体可以在固体骨架中流动。
所述的凹形结构完全阻断液体互流时薄膜上开孔大小需满足以下条件：液体在凹形结构处的速度偏转角度不小于凹形结构的几何偏转角，速度偏转角为液体沿多孔材料厚度方向的速度与横向速度比的反正切值，几何偏转角为多孔材料厚度与薄膜上孔等效直径比的反正切值。
所述的孔可以为圆孔或非圆孔，非圆孔的等效直径为待调控方向上的最大尺寸。
所述的多孔材料具有复杂的形状时，薄膜上孔的布置策略是：以曲率半径的连续性作为第一分区准则，对多孔材料型面进行初步区域划分，再以曲率半径阈值作为第二分区准则，进行第二次区域划分，在划分的区域边界位置布置薄膜上孔。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提出调控多孔材料中液体流动的方法，该方法只需在多孔材料表面或上方放置一张带孔的薄膜，压力作用下多孔材料中自动形成凹形结构，实现主动调控材料中的液体流动。该方法操作简便，结构简单，成本低。
(2)本发明提出的调控方法基于多孔材料自身结构，可以广泛应用于多种流动控制领域。本方法不引入其他结构、物质或物理场，结构简单，不受空间的制约，因此具有适用范围广的特点。
附图说明
图1薄膜孔下形成的凹形结构微观形貌图。图中：1-1凹形结构，1-2多孔材料。
图2复合材料整流罩构件型面曲率分布及区域划分。
图3薄膜不同孔尺寸下树脂流经凹形结构的树脂流向分布。
图4复合材料构件固化前真空袋封装示意图。图中：4-1脱模布，4-2无孔隔离膜，4-3薄膜，4-4开在薄膜上的孔，4-5真空袋，4-6复合材料制件，4-7挡胶条，4-8模具。
图5 L型复合材料构件固化时薄膜孔布置示意图；图中：5-1复合材料成型模具，5-2密封胶条，5-3开在薄膜上的孔，5-4复合材料构件。
图6 L形复合材料构件采用本发明方法和常规方法固化后沿曲率变化方向的厚度分布。
图7 U形复合材料成型模具示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-7所示。
调控多孔材料中液体流动的方法，如图1，通过在薄膜上开一定数量、大小的孔，与薄膜孔相邻的多孔材料1-2在压力作用下产生凹型结构1-1，引导其他位置的液体流向凹型结构，且凹型结构阻断周围液体互流。
下面以纤维增强的树脂基复合材料为例来说明发明内容，但不限于该例：
薄膜上的孔位置由构件中需要阻断互流的位置决定，孔的大小主要由复合材料的厚度、预浸料铺层方向、树脂的粘度以及复合材料的属性综合来确定。压力作用下，液体树脂在纤维间隙流动，薄膜上孔的大小应满足一定条件，凹形结构才能阻断其周围树脂的互流。以下针对常见的圆孔为例进行设计，其他形状的孔可以等效为圆孔。
由于复合材料中增强纤维间距小，且树脂的流率低，纤维间的树脂流动是低雷诺数层流。树脂流动受到的流动阻力R与微流通道半径、流道长度、树脂粘度的关系可以通过下式计算：
其中r是多孔材料中微流通道半径、L是流动长度、η是树脂粘度。可以看出，流动阻力与微流通道半径的四次方成反比，说明微流通道半径对流动阻力的影响最大。
复合材料受压时，纤维与树脂共同承担外部的压力，二者分别承担的压力由下式表示：
Pa＝PR+Pf
其中Pa为施加的压实压力，PR为树脂承担的压力，Pf为纤维承担的有效压力。与薄膜孔接触的微量树脂流出，纤维承担更多外部施加的压力，局部树脂压力减少，形成低压区。
凹形结构限制其周围的树脂互流需要满足以下条件：树脂沿增强纤维方向的速度在凹形结构处的偏转角度θ1不小于凹形结构的几何偏转角θ2，即
其中b和a分别为复合材料的厚度和薄膜孔的直径，Ux1和Uy1分别为凹形结构处沿纤维和垂直纤维方向(厚度方向)的树脂流动速度。
当树脂流经微流阀所在位置时，沿纤维方向的平均流动速率Ux1可由下式得出：
其中，Rh为微流通道的等效半径，可以由下式导出：
其中，rf为增强纤维的半径，
为凹形结构处的纤维体积分数，R1为相邻两根增强纤维的中心距。
当树脂流经凹形结构所在位置时，垂直于纤维方向(厚度方向)的平均流动速率Uy1可由下式得出：
其中，kt是Carman-Kozeny常数，且kt＝0.2。
对于一块平板复合材料，根据材料属性和厚度计算薄膜上孔的直径，在中线开一排孔，则复合材料被划分为两个相互独立的区域，压力作用下两个区域的树脂流动相互独立，不再互流。
对于复杂型面的复合材料构件，根据需要将构件划分为多个区域，在区域边界上布置薄膜孔，阻断各个区域之间树脂的互流，构件中复杂的流动转变为多个区域内的独立流动。薄膜上孔的布置策略：以曲率半径的连续性作为第一分区准则，对多孔材料型面进行初步区域划分，再以曲率半径阈值作为第二分区准则，进行第二次区域划分，在划分的区域边界位置布置薄膜上孔。
薄膜上孔可以采用任意形状的孔，在需要阻断的方向上孔径大于设计的等效圆孔直径，在需要流通的方向上孔径小于或等于设计的等效圆孔直径，实现单个凹形结构调节多个方向的流动。
实例一。
以型面曲率半径从80～280mm的整流罩复合材料构件为例，来说明本发明的具体实施方法，本发明不限于该实施例。本发明的具体步骤包括：
整流罩构件原材料为碳纤维/环氧复合材料T800/YPH-26，设计厚度为2mm、铺层方向[0，45，90，-45]3s。分析型面曲率半径分布，以曲率半径的连续性作为第一分区准则，初步划分区域，进一步以曲率半径间隔容差40mm作为第二准则再次划分区域，将型面划分为5个区域，如图2所示，在各区域的边界上布置薄膜孔。多个凹形结构配合阻断各个区域之间树脂的互流，每个区域中心的微量树脂在压力作用下流向边界上的孔，充分压实复合材料。
为了保证凹形结构完全限制区域之间的树脂互流，需要满足以下条件：树脂在凹形结构处的速度偏转角度θ1不小于凹形结构处的几何偏转角θ2。根据发明内容的公式计算可得本实例中的构件θ1为33.7°，孔直径应不小于a＝2.998mm(θ2＝33.7°)。如果取孔直径为2mm，即θ1＝33.7°＜θ2＝45°，从图3可以看出，孔下的树脂不能完全偏转方向，凹形结构周围的互流仍存在。如果取孔直径2.998mm，孔下方的树脂刚好能完全偏转。考虑到构件制造中随机因素的波动性，应选用更大的直径如4mm。对于大厚度复合材料，理论开孔直径会更大，可以替换为两个或者多个直径较小的孔，实现树脂流动速度的多级偏转。
确定了薄膜上孔的直径、分布和个数后，采用二氧化碳激光雕刻机在薄膜上开孔。将复合材料预浸料按照设计顺序铺叠于模具4-8表面，如图4所示，将开孔4-4的薄膜4-3、脱模布4-2、无孔隔离膜4-1依次放置于复合材料构件4-6表面，在构件边缘放置挡胶条4-7，封装真空袋4-5，预抽真空15min后，在热压罐中固化。固化压力为0.6MPa，温度工艺为从室温以1℃/min升温至55℃，保温1h，然后以1.9℃/min升温至120℃，保温2h，最后自然冷却降温。固化后的零件多点测量厚度，厚度误差可以控制在±2％以内，满足高性能航空航天复合材料构件的最高误差标准±5％的要求。
实例二。
本实例与实例一的区别是复合材料构件的形状为L形带拐角型面，如图5所示，构件直边区域曲率半径无穷大，圆弧区域半径10mm，在直边与圆弧连接处切线连续，根据分区准则划分区域，该构件划分为三个区域:两个直边区域和圆弧区域。在L形成型模具5-1上进行铺层，薄膜5-3上开两列孔，开孔位置为复合材料构件5-4的圆弧与直边区域相切处，即曲率不连续处。孔的半径为4mm，相邻两孔间距为1mm，其余与上述实例一相同。设置一个不开孔的对照组，其余与本实例相同。
固化完成后，有无薄膜孔主动调控的复合材料构件厚度分布对比如图6所示。常规工艺制造的复合材料构件中间位置，即拐角区域，厚度明显增大，产生树脂堆积，厚度偏差高达约30％；而在固化过程中使用本发明中的方法调控构件内部树脂流动后，厚度分布均匀，最大厚度偏差仅为0.01mm(即±0.5％)。
实例三。
本实例与实例一、二的区别是复合材料构件为U形复杂型面，零件厚度3mm,图7为U形复合材料成型模具，在模具上铺层，U形模具下半部分为半圆，半径R为100mm，上半部分为与半圆相切的直边，长度H为300mm，模具厚度为5mm，薄膜上孔设计直径7mm,将其设计为两阶孔，即分别在圆弧和直边的两边切点上各布置两列微孔，微孔直径2.5mm,微孔间距2mm，为进一步缩短圆弧区域树脂达到压实平衡的时间，可在圆弧最低点加一列直径2mm，间距1mm的孔。其余与上述实例一、二相同。
实例四。
本实例与实例一、二、三的区别是带孔的薄膜覆盖在多孔材料上方，多孔材料与薄膜之间放置一层或多层具有渗透性的柔性材料，如脱模布。其余与上述实例一、二、三相同。
实例五。
本实例与实例一、二、三、四的区别是将本发明的方法应用于复合材料构件微波高压固化成型工艺中，其余与上述实例一、二、三、四相同。
实例六。
本实例与实例一、二、三、四、五的区别是薄膜上孔的形状非圆形，如六边形。在需要阻断的方向上最大尺寸大于设计的等效圆孔直径，在需要流通的方向上最大尺寸小于设计的等效圆孔直径，实现单个凹形结构调节多个方向的流动。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (3)
1.一种调控多孔材料中液体流动的方法，其特征在于：在多孔材料表面或上方覆盖带孔的薄膜，对薄膜施加压力后，与薄膜孔接触的多孔材料产生凹形结构，阻断液体互流或调控液体流动；薄膜上开孔个数可以从一个增加至多个，调控多孔材料中多个位置的液体流动；所述的凹形结构阻断液体互流时薄膜上孔的大小需满足以下条件：液体在凹形结构处的速度偏转角度不小于凹形结构的几何偏转角，速度偏转角为液体沿多孔材料厚度方向的速度与横向速度比的反正切值，几何偏转角为多孔材料厚度与薄膜上孔等效直径比的反正切值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：多孔材料由固体骨架和液体组成，液体可以在固体骨架中流动。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的多孔材料具有复杂的形状时，薄膜上孔的布置策略是：以曲率半径的连续性作为第一分区准则，对多孔材料型面进行初步区域划分，再以曲率半径阈值作为第二分区准则，进行第二次区域划分，在划分的区域边界位置布置薄膜上孔。
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