碳纤维复合材料高效树脂传递模塑成型中孔隙缺陷的形成机理与超声波调控方法研究

Carbon fibre reinforced plastic (CFRP) composite is an effective way to realize automotive lightweight technology. High pressure compression resin transfer molding (HP-CRTM) process is a promising technology for CFRP manufacturing with higher efficiency and lower cost, and of great important to promote the application of CFRP in the field of automotive lightweight. The existence of void defects restricts the improvement of mechanical properties of CFRP composite. This project aims to explore innovative manufacturing method of ultrasonic-assisted applied to HP-CRTM process. The discipline of ultrasonic vibration exciting the fiber surface properties, resin rheological properties as well as void formation and evolution mechanisms will be revealed. A model regarding the time-varying relation among ultrasonic-assisted HP-CRTM process parameters and curing rate, porosity will be built, and then a control strategy of ultrasonic-assisted method for porosity controlling will be established by coupling the rheological properties as well as ultrasonic and moulding parameters. This project solves the key scientific problems of the ultrasonic excitation effect on rheological properties and void formation, and relation between void evolution and mechanical properties. The research results provide effective theoretical support and an innovation method of ultrasonic-assisted HP-CRTM process for CFRP manufacturing based on the proposed void controlling strategy.

碳纤维复合材料（CFRP）是实现汽车轻量化技术的有效途径，高压压缩树脂传递模塑成型（HP-CRTM）工艺是实现高性能CFRP高效率、低成本制造的先进技术，对推动CFRP在汽车轻量化中的应用具有重要意义。HP-CRTM成型中产生的孔隙缺陷制约了CFRP力学性能的提升。本项目探索将辅助超声波振动应用于HP-CRTM成型工艺的创新制造方法，揭示超声波激励对工艺系统中纤维表面特性、树脂流变特性及孔隙形成与演变的影响机制；构建超声波辅助成型工艺与固化率、孔隙特征之间的时变模型；进而耦合具有时变属性的材料特性参数、超声与成型工艺参数，建立抑制孔隙缺陷的调控策略，解决超声波振动对材料流变特性及孔隙形成的影响、对孔隙的演变机制及力学性能影响等关键科学问题。构建高性能复合材料的超声波激励HP-CRTM成型新方法，为高性能碳纤维复合材料的孔隙调控提供基础理论支持和创新的成型方法。

本项目面向碳纤维复合材料（CFRP）力学性能提升需求，旨在通过研究在高压压缩树脂传递模塑成型（HP-CRTM）工艺中的超声波振动激励对聚合物基体材料流变特性、纤维表面特性以及气泡孔隙的影响规律，揭示在高成型压力和快速成型条件下的超声波振动对CFRP材料孔隙缺陷的形成和演变机制的影响规律。具体而言，本项目对含定型剂织物压缩粘弹性行为进行研究，探究温度以及定型剂含量对织物压缩粘弹性行为的影响规律，揭示定型剂含量以及温度对织物压缩变形的影响机理。进一步，设计了超声辅助渗透率测试模具，研究了不同织物编织类型、纤维体积分数、纤维束截面形状和超声振动状态下树脂浸润过程中的流动前沿和织物的渗透率特性。通过数值仿真，分析不同纤维束截面形状和织物结构下织物束间流动特性。本项目分析不同超声波功率振动环氧树脂体系的基团成分和黏度变化，研究了超声振动对环氧树脂体系固化特征的影响规律。探讨了超声振动功率对环氧树脂体系的固化热特征温度，玻璃化转变温度和活化能的影响规律。本项目采用不同超声参数对环氧树脂体系进行预处理，并通过真空导流工艺制备了碳纤维复合材料层合板。探究不同超声功率和处理时长作用于环氧树脂体系，对其制备的碳纤维复合材料的拉伸、弯曲和剪切强度的影响规律。开发了超声辅助VARTM实验装置，通过在树脂浸渍多层织物的过程中施加超声激励，并制备碳纤维复合材料层合板，研究超声时间和功率密度对复合材料层合板的层间剪切性能及孔隙缺陷的影响规律。此外，本项目研究通过制备连续玻璃纤维增强无规共聚聚丙烯(CGF/PPR)复合材料，探索多尺度微晶结构对CGF/PPR准静态和低速冲击性能的影响机制。通过分析揭示不同冲击能量下复合材料的失效机制，探索本征增韧前后微晶结构的差异性导致的抗冲击性能异同，建立微结构参数与CGF/PPR复合材料准静态低速冲击性能之间的关系。本项目研究成果为汽车轻量化应用中CFRP复合材料的高效高性能制造提供基础理论与创新方法支持。