灌注工艺的基本原则就是通过真空压力将树脂吸入预先铺好的增强纤维或纤维布中,真空操作降低纤维一面的压力后,大气压力会驱使树脂浸润增强纤维,纤维灌注的速度和距离取决于以下因素:
- 树脂系统的黏度
- 增强纤维的渗透性
- 灌注树脂的压力梯度
树脂黏度
在相同的压力梯度下,黏度越小的树脂,所产生的"拖曳"现象越少,从而浸润效果越好。这样有助于减少大型部件的注胶口,使灌注过程更加简便。树脂的黏度取决于其化学成分。对于环氧树脂——风机叶片最为常用的灌注树脂而言,通常采取加入稀释剂的办法降低黏度。稀释剂的量需要严格控制,否则会降低环氧树脂的机械性能和物理性能(如耐热性)
另外一个提高灌注速度的办法是提高树脂温度,黏度与温度成反比。根据经验法则温度每升高10-15度,树脂黏度就会降低一半。当树脂开始固化时,黏度会以指数级的速度升高,形成凝胶状,最终形成一种呈玻璃态的固态产物。
渗透性
纤维或者层合板的渗透性的影响因素有以下几点:
玻璃纤维和碳纤维的渗透性明显不同,碳纤维难以被树脂浸润。这是因为碳纤维的单丝直径要小于玻璃纤维,平均在5-10μm,而玻璃纤维平均直径在16-24μm。所以碳纤维可以形成更加密实的织物,渗透性也相应降低。
对纤维进行化学定型的目的在于在后续工艺如编织中,对其加以保护,同时起到加大其与树脂系统的结合力,从而使层合板拥有最强的机械性能。增强结合的一个关键在于表面需要有良好的浸润性,因此许多表面处理剂针对浸润性能进行了针对性地改良。在灌注工艺中这一点尤为重要,良好的浸润性可以有效的缩短灌注时间。
压力梯度
在模具和真空袋不存在漏气的情况下,灌注工艺中的压力梯度取决于灌注时的大气压和真空泵压力。在灌注树脂进入纤维层后,在树脂前端产生的"拖曳"效应开始加剧。这种牵引力的大小与灌注的纤维体积和其渗透性成正比。
灌注过程中的最大的压力梯度取决于大气压力,为了增加压力梯度可以选择高渗透性的织物或在重要的注胶口处安装管道。因为部件的结构和厚度多变,从而使注胶口和真空出口的位置和数量的选择变得非常复杂,这种情况下可以采用计算机模拟办法进行辅助设计。
真空和模具要求
对于真空灌注工艺而言,生产中最为重要的一点就是真空系统及模具所能够提供的真空环境的完整性。即使是最细微的漏气也会导致复合材料成品中夹杂气泡,同时因为存在压力梯度,气泡会在织物层中迅速扩散,这将使孔隙率增高,需要进行比较大的修复工作,并降低了产品质量。因此在开始灌注前必须严格检查真空环境和模具,以确保真空袋中没有漏气现象存在。
在很多叶片制造过程中经常用到胶衣底漆,这种底漆在铺放纤维布前先刷在模具表面。主要的作用在于提供一层易于打磨的表面,以便于后续的喷漆作业。同时,胶衣层也会起到密封模具的作用,从而减少模具孔隙造成的漏气现象。
风机叶片灌注
风机叶片因为叶片壳体的几何形状中不存在复杂的结构,而非常适合采用灌注工艺制造。但是灌注工艺也存在一些难点需要特别注意,包括大尺寸的壳体部件的灌注,泡沫芯材的夹芯结构的灌注,梁帽中单向纤维的灌注和模具的利用率。
叶片的主要结构部件是梁帽,梁帽中包含从叶根部至叶尖部的单向纤维。单向纤维高聚集的特性决定了它的渗透性较差,为解决这一问题,通常将单向纤维与其它的高渗透性织物配合使用以达到辅助浸润的目的。或者是采取单独分离生产的方式,即先单独完成梁帽的生产,再将梁帽安装到叶壳中,制成整体的结构壳体。剪切腹板也采取单独下线生产的方式,最后与叶壳和梁帽组装在一起。