在机织增强复合材料的成型过程中,渗透率是描述充模过程中机织增强材料渗透性能的一个重要的参数,常用来表征树脂流过机织增强材料的难易程度。同时,渗透率又是成型过程中模具设计和充模工艺参数制定的主要依据,也是复合成型计算机数值模拟所需的关键参数。因此,深入研究机织增强材料的渗透率,将对机织复合材料的成型效率以及成品质量的控制起到十分重要的作用。作为生产复合材料的增强体,采用机织工艺优点很多:近年来设备的高速发展;织机对织造参数的精确控制;对传统二维织机进行改造就可生产多轴织物、多层织物及三维织物等等。更重要的是机织增强复合材料在经纬方向上具有优良的力学性能和尺寸稳定性。目前机织增强材料已经由以往的单层织物,发展为2.5D和三维立体机织物,使厚度Z方向上的各项性能也得到增强。在以往的机织增强材料渗透率的研究中,主要通过理想模型以及实验测量的方法来求解。然而机织增强材料中孔隙的大小和分布通常是随机的和杂乱无章的,运用理想模型来求解渗透率常常和实际情况会有很大的差异:实验测量操作比较复杂,而且客观因素影响较大。同时,用理论解析的方法寻找机织增强材料的数学模型又是“多孔介质输运性质”这一领域最具吸引力和挑战性的课题。为此,本文展开以下几个方面的工作:本课题主要研究机织增强材料的渗透性能,并将分形理论应用到复合材料渗透率的求解过程中,分别建立了平纹、斜纹、2.5D机织增强材料的渗透率分形模型,然后根据修正后的平纹、斜纹、2.5D机织增强材料的单元结构模型进行求解,最后通过实验对求解结果进行了验证。1.机织增强材料单元结构理论模型的修正机织增强材料在织造和复合成型过程中,由于外力的作用,其结构会发生很大的变化,以往的简化模型已不能表征其真实结构。本文利用图像采集的方法分析了机织增强材料的孔隙结构特征,并通过对机织增强材料截面结构的实验观察和对其织造与成型过程的分析,修正了机织增强材料单元结构的理想模型,建立了一个与机织复合材料充模过程相符的单元结构理论模型。在修正的模型当中,机织增强材料经纬截面中没有了以往模型中规则的大孔,同时纤维的分布具有一定的随机性,而且形成的孔隙通道大小和形状是不断发生变化的。2.机织增强材料分形特征验证修正后的模型中没有了可以简单计算的孔洞,孔隙的分布和大小是杂乱无章的,用传统的分析方法已经不能对其进行准确的表述,因此我们引入了一种新兴的科学研究方法——分形几何。首先阐述了分形理论的基本原理,进而推导了物体分形特征的判断依据,然后对机织增强材料的截面图像进行采集和处理,最后利用VC++6.0语言根据计盒法原理编写程序,验证机织增强材料的孔隙结构符合分形特征。这也证明了机织增强材料的孔隙结构可以应用分形理论进行研究。利用分形几何理论研究纤维增强材料结构,为研究增强材料的渗透性能提供了一种比较好的研究思路和方法,使定量描述纤维增强材料的微观、宏观复杂性成为可能,为精确刻画增强材料的机械物理特性,揭示和模拟纤维增强材料的充模规律提供了可靠的参数和理论支持。3.机织增强材料分形维数的求解分形维数度量了分形体填充空间的能力,它从测度论和对称理论方面刻画了分形体的无序性,是描述分形对象的最基本特征参数。由于机织增强材料的单元结构中不同位置的孔隙结构有所不同,截面的孔隙结构分形维数因位置的不同而不同,因此,本文分别求出不同代表平面的孔隙结构分形维数,使得对机织增强材料分形特征的表征更为准确。本文根据修正后的平纹、斜纹、2.5D机织增强材料的模型推导出三种机织增强材料的分形维数求解通式,然后通过其结构参数求出其孔隙结构分形维数和弯曲分形维数。4.机织增强材料渗透率分形模型建立根据毛细管的分形特征,并应用Hagen-Poiseulle方程和达西定理建立了渗透率的分形分析模型,得到渗透率的分形表达式,表达式中渗透率参数是多孔介质的分形维数和织物微结构参数的函数,没有了以往的经验常数。然后利用该模型分别求出平纹、斜纹以及2.5D机织增强材两个代表平面渗透率的理论值,得到三种机织增强材料的渗透率预测范围。5.理论模型的实验验证渗透率的测量验证主要采用RTM充模原理,其主要采用注射设备将专用树脂体系注入闭合模腔,模腔中已铺放好按一定方向和尺寸裁剪好的机织增强材料预成型体,模具周边密封和紧固。根据达西定律,记录压力、树脂粘度、以及树脂流动前沿,从而测出机织增强材料的渗透率测量值,并与分形模型计算出的机织增强材料渗透率进行比较,结果发现两者吻合很好。表明本文所建立的理论模型能够反映机织增强材料真实的渗透性能。最后分析了渗透率预测值与实验测量值之间差异的原因。综上所述,本文根据毛细管分形模型,结合Darcy定律,所建立的机织增强材料渗透率的分形模型,可以很好地预测其渗透率,而且与人们熟知的Kozeny-Carman方程相比,消除了经验常数。因此,应用分形理论和方法来研究机织增强材料的渗透率比Kozeny-Carman方程具有明显的优越性。