5.3.1 视频单元慕课视频播放-复合材料设计与成型-MOOC慕课视频教程-柠檬大学

这一节

我们学习“纤维预成型体的渗透特性”

根据达西定律，渗透性与树脂在纤维预成型中的渗流速度成正比

这直接关系制备的成败

渗透特性的主体是多孔介质

所以我们首先要了解什么是多孔介质

多孔介质指的是由多相物质所占据的共同空间

包括固体骨架、孔隙空间和相互连通的有效通道等三要素

那纤维预成型体是不是多孔介质

主要看它是否满足多孔介质的三要素

以碳纤维预成型体为例

固体骨架是碳纤维

纤维束和纤维间有孔隙

孔隙相互连通形成有效通道

满足多孔介质的三要素

因此纤维预成型体是典型的多孔介质

影响其渗透特性的两大因素

分别是纤维体积分数和孔隙率

也就是固体骨架和孔隙空间以及孔隙形成的有效通道

渗透性的大小

可以通过渗透率来表征

因此，渗透率的物理意义是

在一定压力梯度下，多孔介质允许流体通过的能力

渗透率越大，越容易渗透，越小，则越难渗透

根据前面的分析

渗透率主要取决于多孔介质的固体骨架、孔隙空间和有效通道

渗透率的大小只与多孔介质的结构有关

而与流体性质无关，单位为m2

现在我们知道了，渗透率是表征渗透性的重要参数

问题是纤维预成型体的渗透率该如何确定

渗透率的确定方法主要有模型法、数值模拟法和实验法三种

而实验法又可分为单向、径向和三维流动法等等

各种方法各有优劣

其中，最简单的实验方法是单向渗流法

单向渗流法，顾名思义

测试的是预成型体的单向渗透率

其基本原理是：设计可视化的单向渗流实验，记录流动前锋随时间的变化关系

然后根据第三章方程式（3.10）

流动前锋的平方与时间成正线性相关

由直线斜率可求解得到单向渗透率

求解方程（5.8）中

渗流压力差、孔隙率和流体粘度可以设计或直接测量得到

而直线斜率

有了流动前锋的平方与时间的关系曲线

线性拟合就可以得到直线斜率

因此，单向渗透率测试的关键

还是记录流动前锋与时间的关系

测试过程中，尽量保持流体的粘度不变

得到的流动前锋随时间的变化关系是一条规律的曲线

转化为流动前锋的平方与时间的关系曲线后，再线性拟合

得到的拟合直线，如图所示

这里需要注意的是，线性拟合时截距要把他设置为零

这就是单向渗透率的测试原理

根据达西定律，纤维预成型体x、y、z三个方向的渗透率并不相同

而单向渗透率测试方法只能得到一个方向上的渗透率

三维渗透率如何确定

同样道理，我们只要设计三个单向渗流实验分别测试各个方向的渗透率

就可以得到三维方向的渗透率

常用玻璃纤维织物预成型体的面内渗透率

数量级通常是十的负十次方

而面外渗透率也就是厚度方向的渗透率，通常比面内小两个数量级

常用碳纤维织物预成型体的面内渗透率，数量级通常是十的负十一次方

面外渗透率，也比面内小两个数量级

相比之下

玻璃纤维预成型体的渗透率比碳纤维大一到两个数量级

因此，碳纤维更难浸润完全

而真空导入模塑工艺用的导流介质

渗透率又比玻璃纤维大两到三个数量级

这就是为什么导流介质能够极大地提高树脂流动速度的缘故

接下来，我们分析三个主要因素对预成型体渗透率的影响

如图，这是纤维束大小对纤维预成型体渗透率的影响

显然，纤维丝束越大，束件孔隙越大，渗透率越大

这是渗透率随孔隙率变化的曲线图

由图可知，渗透率随着孔隙率的增大逐渐增大

而且呈一定的规律曲线

与这相反的是

渗透率随纤维体积分数的变化曲线

显然

纤维体积分数越大，渗透率越小

随着纤维体积分数的增大，渗透率逐渐趋于临界值

对应的纤维体积分数是最大临界纤维体积分数

除了实验法，模型法也是常用的渗透率确定方法

其中最常用的两个渗透率预测模型是

康采尼-卡曼（Kozeny-Carman）模型和格伯特（Gebart）模型

康采尼-卡曼模型主要适用面内渗透率预测

而格伯特模型既可以预测面内渗透率，又可以预测面外渗透率

这两个模型的共同点是

只适用于纤维规整排列的情况

渗透率的决定因素是纤维体积分数

其中的模型参数需要实验确定

关于纤维预成型体的渗透率以及渗透特性，我们就介绍这么多

这一节

我们一起来了解“真空导入模塑工艺的典型应用”

真空导入模塑工艺的技术优势是大尺寸复合材料构件的整体成型

典型的应用

例如，雷达天线罩，一次吸注，整体成型

大型复合材料船体

如图

三十几米长，宽五米左右

游艇

豪华游艇

下图中的名人号游艇

是我们和湖南太阳鸟复合材料游艇公司一起开发的用于上海世博会的豪华游艇

大型机舱罩

最典型的应用，还是大型风力发电机叶片

通常叶片可分为两瓣

分别用真空导入模塑工艺整体成型

然后采用结构胶将两瓣和中间的剪切腹板粘接起来

得到完整气动结构的复合材料风电叶片

这是我们制备的1.5兆瓦复合材料风电叶片

正在进行德国船级社GL认证考核试验

装机前必须要完成五大工况静力试验和疲劳试验

验证叶片抵抗极限台风和其疲劳寿命

下图是正整装待发的大型复合材料风电叶片

和正在挂机的情况

前面我们提到

目前制备大型复合材料叶片的主流方法是分两瓣

分别采用真空导入模塑工艺成型

然后用结构胶将两瓣和剪切腹板粘接成一个整体叶片

而目前德国博纳斯突破了叶片一次成型的关键技术

整个完整的叶片气动结构直接采用真空导入模塑工艺一次整体成型

这是他们制备的52米整体叶片

这种方法两瓣叶壳和剪切腹板无需粘合

叶片结构整体一次成型

工艺技术含量高，生产效率提高

对树脂、纤维、芯材、模具及设备提出更高要求

目前世界上只有一两家掌握该技术

这就是真空导入模塑工艺的一些典型应用

接下来，本章小结

这一章，我们一起学习了真空导入模塑工艺

也就是VIMP工艺

这是一种适于大尺寸复合材料构件整体成型的工艺方法

结合真空导入模塑工艺的技术特点

我们重点分析了树脂的粘度特性

包括粘温、粘时、粘度变化机制和流变模塑

同时，还学习了纤维预成型体的渗透特性

包括渗透率、渗透率测试及其模型

这就是本章我们学习的主要内容

复合材料设计与成型课程列表：

上篇基础--复合材料的概念与原理 1 引言

-1.1 课程简介及复合材料定义

--1.1.1 视频单元

--1.1.2 作业

--1.1.3讨论

-1.2 复合材料的命名与分类

--1.2.1 视频单元

--1.2.2 作业

-1.3 复合材料的特点

--1.3.1 视频单元

--1.3.2 作业

-1.4 复合材料的应用

--1.4.1 视频单元

--1.4.2 作业

--1.4.3 讨论题

--1 引言课件

2 复合原理及界面

-2.1 颗粒增强原理

--2.1.1 视频单元

--2.1.2 作业

-2.2 短纤维增强原理

--2.2.1 视频单元

--2.2.2 作业

-2.3 界面效应

--2.3.1 视频单元

--2.3.2 作业

-2.4 复合材料界面

--2.4.1 视频单元

--2.4.2 作业

-2.5 复合材料界面表征与分析

--2.5.1 视频单元

--2.5.2 作业

-2 复合原理及界面课件

3 增强材料

-3.1 增强材料概述

--3.1.1 视频单元

--3.1.2 作业

-3.2 玻璃纤维概述、生产工艺、成分与结构

--3.2.1 视频单元

--3.2.2 作业

-3.3 玻璃纤维的性能、制品与规格

--3.3.1 视频单元

--3.3.2 作业

-3.4 碳纤维概述

--3.4.1 视频单元

--3.4.2 作业

-3.5 碳纤维的制备工艺

--3.5.1 视频单元

--3.5.2 作业

-3.6 碳纤维的结构、性能、制品与规格

--3.6.1 视频单元

--3.6.2 作业

-3.7 芳纶纤维

--3.7.1 视频单元

--3.7.2 作业

-3 增强材料课件

4 聚合物基复合材料

-4.1 聚合物概述

--4.1.1 视频单元

--4.1.2 作业

-4.2 聚酯概述、化学结构、合成与交联

--4.2.1 视频单元

--4.2.2 作业

-4.3 聚酯的性能与应用

--4.3.1 视频单元

--4.3.2 作业

-4.4 环氧树脂概述、化学结构、合成与表征

--4.4.1 视频单元

--4.4.2 作业

-4.5 环氧树脂的交联、性能与应用

--4.5.1 视频单元

--4.5.2 作业

-4.6 酚醛树脂及其他热固性树脂

--4.6.1 视频单元

--4.6.2 作业

-4.7 热塑性树脂及聚合物基复合材料的应用

--4.7.1 视频单元

--4.7.2 作业

-4 聚合物基复合材料课件

5 陶瓷基复合材料

-5.1 陶瓷及陶瓷基复合材料概述

--5.1.1 视频单元

--5.1.2 作业

-5.2 陶瓷基复合材料成型工艺

--5.2.1 视频单元

--5.2.2 作业

-5.3 陶瓷基复合材料的界面及强韧化

--5.3.1 视频单元

--5.3.2 作业

-5.4 碳碳复合材料及陶瓷基复合材料的应用

--5.4.1 视频单元

--5.4.2 作业

-5 陶瓷基复合材料课件

6 金属基复合材料

-6.1 金属基体

--6.1.1 视频单元

--6.1.2 作业

-6.2 金属基复合材料成型工艺

--6.2.1 视频单元

--6.2.2 作业

-6.3 金属基复合材料的界面

--6.3.1 视频单元

--6.3.2 作业

-6.4 金属基复合材料的性能与应用

--6.4.1 视频单元

--6.4.2 作业

-6 金属基复合材料课件

中篇理论--复合材料结构设计原理 1 引言

-1.1 视频单元

-1.2 作业

-1 引言课件

2 应力-应变关系

-2.1 应力与应变

--2.1.1 视频单元

--2.1.2 作业

-2.2 广义胡克定律

--2.2.1 视频单元

--2.2.2 作业

-2.3 工程常数、平面应力状态、应力应变转换

--2.3.1 视频单元

--2.3.2 作业

-2 应力-应变关系课件

3 单向板的刚度

-3.1 单向板的正轴刚度、刚度柔度变换

--3.1.1 视频单元

--3.1.2 作业

-3.2 倍角变换、偏轴工程常数

--3.2.1 视频单元

--3.2.2 作业

-3 单向板的刚度课件

4 层合板的刚度

-4.1 层合板的代号、面内刚度

--4.1.1 视频单元

--4.1.2 作业

-4.2 典型层合板的面内刚度

--4.2.1 视频单元

--4.2.2 作业

-4.3 层合板的弯曲刚度

--4.3.1 视频单元

--4.3.2 作业

-4.4 单向层合板、对称层合板及夹芯结构的弯曲刚度

--4.4.1 视频单元

--4.4.2 作业

-4 层合板的刚度课件

5 层合板的强度

-5.1 最大应力与最大应变准则

--5.1.1 视频单元

--5.1.2 作业

-5.2 蔡-希尔、蔡-吴强度准则

--5.2.1 视频单元

--5.2.2 作业

-5.3 层合板的强度分析

--5.3.1 视频单元

--5.3.2 作业

-5.4 层合板的极限强度

--5.4.1 视频单元

--5.4.2 作业

-5 层合板的强度课件

6 复合材料细观力学

-6.1 细观力学引言、平均性质

--6.1.1 视频单元

--6.1.2 作业

-6.2 单向板的工程常数

--6.2.1 视频单元

--6.2.2 作业

-6.3 单向板的强度

--6.3.1 视频单元

--6.3.2 作业

-6.4 热膨胀与湿溶胀系数

--6.4.1 视频单元

--6.4.2 作业

-6.5 层合板的残余应力

--6.5.1 视频单元

--6.5.2 作业

-6 复合材料细观力学课件

7 复合材料一维受力构件分析

-7.1 复合材料结构控制方程

--7.1.1 视频单元

--7.1.2 作业

-7.2 简单构型复合材料一维受力构件的力学分析

--7.2.1 视频单元

--7.2.2 作业

-7 复合材料一维受力构件分析课件

8 复合材料梁

-8.1 复合材料层合梁

--8.1.1 视频单元

--8.1.2 作业

-8.2 复合材料板梁

--8.2.1 视频单元

--8.2.2 作业

-8.3 复合材料薄壁梁

--8.3.1 视频单元

--8.3.2 作业

-8 复合材料梁课件

下篇应用--复合材料成型工艺 1 引言

-1.1 绪论

--1.1.1 视频单元

--1.1.2 作业

--1.1.3 讨论

-1 引言课件

2 手糊成型工艺

-2.1 手糊基本原理

--2.1.1 视频单元

--2.1.2 作业

-2.2 树脂对纤维的润湿（上）

--2.2.1 视频单元

--2.2.2 作业

-2.3 树脂对纤维的润湿（下）

--2.3.1 视频单元

--2.3.2 作业

-2.4 手糊技术进展和典型应用

--2.4.1 视频单元

--2.4.2 作业

-2 手糊成型工艺课件

3 树脂传递模塑工艺

-3.1 RTM基本原理

--3.1.1 视频单元

--3.1.2 作业

-3.2 树脂渗流规律

--3.2.1 视频单元

--3.2.2 作业

-3.3 树脂流动模拟分析

--3.3.1 视频单元

--3.3.2 作业

-3.4 RTM技术发展和典型应用

--3.4.1 视频单元

--3.4.2 作业

-3 树脂传递模塑工艺课件

4 树脂膜熔融浸渍工艺

-4.1 RFI基本原理

--4.1.1 视频单元

--4.1.2 作业

-4.2 RFI树脂膜体系

--4.2.1 视频单元

--4.2.2 作业

-4.3 树脂固化制度的确定和RFI典型应用

--4.3.1 视频单元

--4.3.2 作业

-4 树脂膜熔融浸渍工艺课件

5 真空导入模塑工艺

-5.1 VIMP基本原理

--5.1.1 视频单元

--5.1.2 作业

-5.2 树脂的粘度特性

--5.2.1 视频单元

--5.2.2 作业

-5.3 纤维预成型体的渗透特性和VIMP典型应用

--5.3.1 视频单元

--5.3.2 作业

-5 真空导入工艺课件

6 拉挤成型工艺

-6.1 拉挤基本原理

--6.1.1 视频单元

--6.1.2 作业

-6.2 拉挤内脱模剂

--6.2.1 视频单元

--6.2.2 作业

-6.3 拉挤技术发展和典型应用

--6.3.1 视频单元

--6.3.2 作业

-6 拉挤成型工艺课件

7 缠绕成型工艺

-7.1 缠绕基本原理

--7.1.1 视频单元

--7.1.2 作业

-7.2 缠绕线型规律

--7.2.1 视频单元

--7.2.2 作业

-7.3 缠绕工艺参数、技术发展和典型应用

--7.3.1 视频单元

--7.3.2 作业

-7 缠绕成型工艺课件

8 模压成型工艺

-8.1 模压基本原理和模压料工艺性

--8.1.1 视频单元

--8.1.2 作业

-8.2 SMC片状模塑料

--8.2.1 视频单元

--8.2.2 作业

-8.3 模压关键工艺参数和典型应用

--8.3.1 视频单元

--8.3.2 作业

-8 模压成型工艺课件

9 有机先驱体转化法

-9.1 概述

--9.1.1 视频单元

--9.1.2 作业

-9.2 PIP基本原理

--9.2.1 视频单元

--9.2.2 作业

-9.3 PIP关键步骤

--9.3.1 视频单元

--9.3.2 作业

-9.4 致密化和典型应用

--9.4.1 视频单元

--9.4.2 作业

-9 先驱体转化法课件

考试

-课程考试

5.3.1 视频单元在线视频

5.3.1 视频单元课程教案、知识点、字幕

复合材料设计与成型课程列表：

上篇基础--复合材料的概念与原理 1 引言

2 复合原理及界面

3 增强材料

4 聚合物基复合材料

5 陶瓷基复合材料

6 金属基复合材料

中篇理论--复合材料结构设计原理 1 引言

2 应力-应变关系

3 单向板的刚度

4 层合板的刚度

5 层合板的强度

6 复合材料细观力学

7 复合材料一维受力构件分析

8 复合材料梁

下篇应用--复合材料成型工艺 1 引言

2 手糊成型工艺

3 树脂传递模塑工艺

4 树脂膜熔融浸渍工艺

5 真空导入模塑工艺

6 拉挤成型工艺

7 缠绕成型工艺

8 模压成型工艺

9 有机先驱体转化法

考试

5.3.1 视频单元笔记与讨论

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复合材料设计与成型课程列表：

上篇 基础--复合材料的概念与原理 1 引言

2 复合原理及界面

3 增强材料

4 聚合物基复合材料

5 陶瓷基复合材料

6 金属基复合材料

中篇 理论--复合材料结构设计原理 1 引言

2 应力-应变关系

3 单向板的刚度

4 层合板的刚度

5 层合板的强度

6 复合材料细观力学

7 复合材料一维受力构件分析

8 复合材料梁

下篇 应用--复合材料成型工艺 1 引言

2 手糊成型工艺

3 树脂传递模塑工艺

4 树脂膜熔融浸渍工艺

5 真空导入模塑工艺

6 拉挤成型工艺

7 缠绕成型工艺

8 模压成型工艺

9 有机先驱体转化法

考试

5.3.1 视频单元笔记与讨论

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上篇基础--复合材料的概念与原理 1 引言

中篇理论--复合材料结构设计原理 1 引言

下篇应用--复合材料成型工艺 1 引言