在复合材料的成型过程中,如RTM充模过程,渗透率是描述充模过程渗透性能的一个重要的参数,可以用来表征树脂流过纤维集合体的难易程度。同时,渗透率也是计算机模拟树脂传递的重要参数,有助于对纤维增强复合材料的工艺设计。树脂对纤维集合体的渗透性能往往决定着复合材料部件的质量和生产效率。因此,深入研究纤维集合体的渗透率,弄清其影响因素,做到能够设计和控制这些因素,将对RTM的广泛工业化应用起到巨大的推动作用。本文应用分形理论对渗透率进行研究。分形理论产生与上世纪七十年代,主要描述一些非常不规则的对象,对于一些不规则、无序的物体分析具有独特的优势。本文的研究内容主要包括以下几个方面:(1)根据纤维集合体的结构特征以及分形几何的基本理论,验证纤维集合体的孔隙结构符合分形特征,并应用分形理论来研究孔隙结构。(2)利用计盒法原理,首先对纤维集合体的截面图像进行处理,并利用VC++6.0编程语言编写程序求解几种纤维集合体的分形维数。(3)根据分形毛管模型,并应用Hagen-Poiseulle方程和达西定理建立渗透率的分形分析模型,得到渗透率的分形分析解通式。并通过实验得到纤维集合体渗透率的实际值,与理论值进行对比,验证渗透率分形模型的正确性。通过分析,得出结论:(1)在纤维集合体中,包括宏观孔隙和微观孔隙。这些不规则孔隙的大小和分布与沙滩的孔隙的微观结构以及地球上的岛屿和湖泊的分布十分相似,因此我们认为纤维集合体中的孔隙的大小和分布具有分形特征,也可以应用分形理论来计算。根据计盒法,通过VC++6.0编程语言编写程序,求解出几种纤维集合体的分形维数。(2)根据毛细管分形模型,结合Darcy定律,所推导出渗透率的分形模型通过与试验数据的比较表明,渗透率的分形模型可以很好地预测渗透率。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纤维集合体的渗透率比Kozeny-Carman方程明显地优越。论文的最后对课题今后发展方向进行了展望。
