先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料是由纖維和樹脂按一定方式復(fù)合而成的一類新型材料。然而復(fù)合材料的制造過程非常復(fù)雜，在其制備過程中由于各種因素以及工藝實(shí)施不完善等造成最終復(fù)合材料制品存在孔隙。孔隙的存在嚴(yán)重地影響材料的質(zhì)量和力學(xué)性能，為外界空氣和水分?jǐn)U散進(jìn)制品提供了路徑，使聚合物降解并引起氧化作用，削弱纖維和基體的界面結(jié)合力El,2]，進(jìn)而影響復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和模量、拉伸強(qiáng)度和模量、壓縮強(qiáng)度和模量、抗疲勞以及高溫性能。許多學(xué)者Is]認(rèn)為，對于環(huán)氧基復(fù)合材料，孔隙含量每增加1 ，材料的剪切性能將下降6 ～8 。因此，為了提高復(fù)合材料的制備質(zhì)量，必須合理地控制制備環(huán)境條件及固化溫度、壓力等工藝參數(shù)，使氣泡在樹脂凝膠之前盡量排出，以便降低孔隙含量。

 在復(fù)合材料成型過程中，氣泡主要隨著樹脂的流動(dòng)而運(yùn)動(dòng)[4 ]，因此，對樹脂流動(dòng)和氣泡運(yùn)動(dòng)關(guān)系的研究是十分必要的。本文中利用自行建立的氣泡運(yùn)動(dòng)可視化裝置，研究了樹脂流動(dòng)對氣泡運(yùn)動(dòng)速度的影響關(guān)系，并在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上建立了氣泡運(yùn)動(dòng)模型，該研究結(jié)果將為復(fù)合材料成型過程中氣泡運(yùn)動(dòng)模型的建立提供依據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)部分

1．1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

       環(huán)氧618：環(huán)氧值0．51，無錫樹脂廠生產(chǎn)；1，4-二氧六環(huán)：分析純，北京益利精細(xì)化學(xué)品有限公司生產(chǎn)；數(shù)碼相機(jī)：尼康C001PIX995，尼康株式會(huì)社；微量進(jìn)樣器(量程為5～100 L)：上海醫(yī)用激光儀器廠。

1．2 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

       為了研究樹脂流動(dòng)對氣泡運(yùn)動(dòng)行為的影響，首先建立了氣泡運(yùn)動(dòng)的可視化裝置，如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由流體裝載、流體接收、氣泡發(fā)生(微量進(jìn)樣器)以及圖像采集等部分組成。主要利用重力差原理，控制裝載部分和流出部分的液面高度差來使樹脂流動(dòng)，并通過調(diào)節(jié)控制閥來改變樹脂的流速。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

 實(shí)驗(yàn)中所用液體為環(huán)氧618樹脂，其粘度通過加入1，4一二氧六環(huán)稀釋劑來調(diào)節(jié)。首先將除凈氣泡的樹脂倒人流動(dòng)系統(tǒng)中并充滿整個(gè)實(shí)驗(yàn)段，然后用微量進(jìn)樣器將一定體積的氣泡注入觀察段底部中央處，同時(shí)用數(shù)碼攝相機(jī)跟蹤拍攝氣泡的上升過程并記錄相應(yīng)的時(shí)間，最后用計(jì)算機(jī)軟件Adobe Pre—miere對圖像進(jìn)行處理，讀取氣泡在每一記錄時(shí)刻所上升到的具體位置，從而計(jì)算出氣泡的運(yùn)動(dòng)速度。

       為了確定該系統(tǒng)的復(fù)現(xiàn)性，實(shí)驗(yàn)對某一設(shè)定流速分不同時(shí)間段進(jìn)行了6次復(fù)現(xiàn)性實(shí)驗(yàn)，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。從圖2中可以看出，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，采用該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果復(fù)現(xiàn)性好，曲線偏移小。經(jīng)過計(jì)算得知，重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散系數(shù)約為3 ，其離散性主要由系統(tǒng)誤差、環(huán)境和人為操作等因素引起。

圖2 系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)性實(shí)驗(yàn)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

       為了考察氣泡在不同外界條件下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，首先對5組不同體積的氣泡在不同粘度、不同流動(dòng)狀態(tài)樹脂中的運(yùn)動(dòng)速率進(jìn)行了研究。氣泡體積分別為20 mm³。、40 mm³。、60 mm³。、80 mm³和100 mm³。
 圖3分別給出了氣泡在靜止樹脂和流動(dòng)樹脂中的運(yùn)動(dòng)位移和時(shí)間關(guān)系曲線。從圖3中可以看出，無論樹脂呈靜止?fàn)顟B(tài)還是流動(dòng)狀態(tài)，氣泡均作勻速運(yùn)動(dòng)，即氣泡在產(chǎn)生后的一瞬間就達(dá)到了受力平衡，速度恒定不變。另外，當(dāng)樹脂粘度和樹脂流速等改變時(shí)，氣泡均呈現(xiàn)上述的運(yùn)動(dòng)行為。

       在復(fù)合材料的成型過程中，氣泡一般是隨著樹脂的流動(dòng)而運(yùn)動(dòng)的。因此實(shí)驗(yàn)主要考察了樹脂流動(dòng)方向和流動(dòng)速率對氣泡運(yùn)動(dòng)速度的影響。圖4為樹脂流動(dòng)速率對氣泡運(yùn)動(dòng)速度的影響。當(dāng)樹脂流動(dòng)方向與氣泡運(yùn)動(dòng)方向相同時(shí)，隨著樹脂流速的增加，氣泡的運(yùn)動(dòng)速度呈明顯的上升趨勢，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樹脂流速，見圖4(a)；而樹脂流動(dòng)方向與氣泡運(yùn)動(dòng)方向相反時(shí)，隨著樹脂流速的增加，氣泡的運(yùn)動(dòng)速度呈明顯的下降趨勢，見圖4(b)。可見，樹脂流動(dòng)方向顯著影響氣泡的運(yùn)動(dòng)速度，且同向時(shí)樹脂流動(dòng)對氣泡的上升有明顯的帶動(dòng)作用，而反向時(shí)樹脂流動(dòng)對氣泡的上升有明顯的阻礙作用[7]。圖5給出了某一恒定流速下，氣泡在同向流動(dòng)樹脂和反向流動(dòng)樹脂的運(yùn)動(dòng)速度對比。由圖5明顯可以看出，對同一氣泡，其同向流動(dòng)的運(yùn)動(dòng)速度明顯大于反向流動(dòng)的運(yùn)動(dòng)速度。

圖3 氣泡運(yùn)動(dòng)位移一時(shí)間關(guān)系曲線



圖4 樹脂流速對氣泡運(yùn)動(dòng)速度的影響



圖5 樹脂流動(dòng)方向?qū)馀葸\(yùn)動(dòng)速度的影響

另外，樹脂流動(dòng)方向與氣泡運(yùn)動(dòng)方向相反時(shí)，樹脂流速以及粘度一定的條件下，隨著氣泡體積的變化，氣泡運(yùn)動(dòng)速度可能降為零甚至反向運(yùn)動(dòng)，其臨界值見圖6。由圖6可知，氣泡運(yùn)動(dòng)方向改變的臨界體積幾乎隨著樹脂流速的增加而增大。樹脂流速越大，其作用在氣泡表面的壓力越大，從而對氣泡運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的阻力越大。因此，只有增加氣泡體積，使浮力增加，才能克服這種阻力的作用而保持靜IE。

圖6 氣泡速度為零的臨界點(diǎn)
 

圖7 理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比


圖8 靜止和流動(dòng)樹脂中氣泡相對運(yùn)動(dòng)速度對比

3 氣泡運(yùn)動(dòng)模型的建立

       3．1 基本理論分析

       假設(shè)樹脂為不可壓縮的牛頓流體，流體密度為定值，則氣泡在運(yùn)動(dòng)過程中主要受到慣性力、重力、浮力和粘滯阻力的作用，依據(jù)力學(xué)平衡原理[8]，滿足式(1)，即

       式中：v_g為氣泡運(yùn)動(dòng)速度；v_r為樹脂流動(dòng)速度；C_D為阻力系數(shù)；p_g、d_g分別為氣泡密度和氣泡直徑；P_r為樹脂密度。

        式(1)中從左到右的各項(xiàng)依次為慣性力、重力、浮力和粘滯阻力。由前面的實(shí)驗(yàn)分析可知，樹脂中的氣泡在產(chǎn)生瞬間立即保持勻速運(yùn)動(dòng)，故慣性力可忽略。同時(shí)由于P_r》P_g ，所以氣泡重力也可忽略，則可得到下式：

 

即

         由于實(shí)驗(yàn)中，氣泡和樹脂的相對運(yùn)動(dòng)速度較小，雷諾數(shù)R <1，故，而
 

  則式(3)變?yōu)?br />  

       其中：為樹脂粘度；為氣泡和樹脂的相對運(yùn)動(dòng)速度。

       3．2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

      由實(shí)驗(yàn)可知，樹脂流動(dòng)速度和流動(dòng)方向不同時(shí)，氣泡運(yùn)動(dòng)速度相差很大。通過方程(5)可得到氣泡與樹脂相對運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同時(shí)，氣泡運(yùn)動(dòng)速度的理論值，并將得到的理論方程計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，如圖7所示。由圖7中可以看出，理論曲線與實(shí)驗(yàn)曲線吻合比較好，這表明用所推導(dǎo)的氣泡運(yùn)動(dòng)模型描述流動(dòng)樹脂中氣泡的運(yùn)動(dòng)行為是適合的。對比結(jié)果所存在偏差主要有以下兩點(diǎn)原因：(1)理論推導(dǎo)假設(shè)氣泡的體積不變，為球形，而實(shí)際情況氣泡并非為理想的球形；(2)人為誤差，造成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。

另外由公式(5)可知，當(dāng)樹脂流動(dòng)速度為零時(shí)，該方程表示氣泡在靜止樹脂中的運(yùn)動(dòng)速度，即當(dāng)樹脂粘度和氣泡體積一定的情況下，流動(dòng)樹脂中氣泡的運(yùn)動(dòng)速度為樹脂運(yùn)動(dòng)速度和靜止樹脂中該氣泡運(yùn)動(dòng)速度之和。因此實(shí)驗(yàn)比較了某一氣泡在靜止樹脂和流動(dòng)樹脂中相對于樹脂的運(yùn)動(dòng)速度，如圖8所示。由圖8中可以看出，兩條曲線基本吻合，即二者運(yùn)動(dòng)速度之差為純樹脂的運(yùn)動(dòng)速度，進(jìn)一步驗(yàn)證了公式(5)的正確性。

4 結(jié) 論

       在純樹脂中，樹脂流動(dòng)方向和流動(dòng)速度對氣泡的運(yùn)動(dòng)速度有顯著的影響。當(dāng)樹脂流動(dòng)方向與氣泡運(yùn)動(dòng)方向相同時(shí)，隨著樹脂流速的增加，氣泡的運(yùn)動(dòng)速度明顯增大，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樹脂流速；而樹脂流動(dòng)方向與氣泡運(yùn)動(dòng)方向相反時(shí)，隨著樹脂流速的增加，氣泡的運(yùn)動(dòng)速度明顯下降，可以低于樹脂流速或降低為零，甚至可以與樹脂同向運(yùn)動(dòng)。另外所建立的氣泡運(yùn)動(dòng)模型較好地描述了氣泡在流動(dòng)樹脂中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果吻合較好。