碳纤维机织物增强热塑性树脂复合材料热冲压叠层模型

针对碳纤维增强热塑性树脂复合材料(CFRTP)在热冲压成型过程中涉及到大变形、各向异性和多场耦合的现象,为了表征CFRTP在成型中的力学特征,基于有限元方法与连续介质力学理论提出了一种热塑性树脂基体与碳纤维机织物的叠层模型。与单独采用碳纤维机织物超弹性本构模型预测CFRTP成型性能的方法相比,提出的叠层模型能够表征成型温度、压边力和纤维取向对CFRTP成型缺陷的影响,并能优化热冲压成型工艺参数。这一叠层模型具有简单实用和材料参数容易确定的优点,为碳纤维机织物增强热塑性树脂复合材料成型的数值模拟和成型工艺优化奠定了理论基础。     

碳纤维增强热塑性复合材料的制备与性能研究进展

碳纤维增强热塑性复合材料(CRTP)因其具有众多优点而在航空航天、轨道交通、国防军工和风力发电等领域受到广泛的关注。本文总结了近年来国内外关于CRTP制备技术的研究进展，主要从预浸料制备工艺、碳纤维(CF)表面改性技术及CRTP成型工艺3个方面进行阐述，并详细介绍了不同预浸料制备工艺、CF表面改性技术和CRTP成型工艺的优缺点及对所制备CRTP性能的影响；最后对预浸料制备工艺、CF表面改性技术和CRTP成型工艺的发展方向进行了展望。     

复合材料用机织物非正交本构模型的半球形冲压成型验证

为了描述复合材料用机织物在大变形下由于经纱和纬纱之间角度变化所引起的非线性各向异性材料行为, 前期工作中建立了一个非正交本构模型。利用半球形冲头对复合材料用平纹机织物进行冲压模拟, 并将非正交本构模型和正交本构模型的模拟结果与实验结果进行对比, 对非正交本构模型进行验证, 以充分说明该模型的有效性和正确性。结果表明: 采用非正交本构模型模拟的复合材料用平纹机织物变形后的边界轮廓与实验结果基本一致, 并且剪切角都在实验结果的误差范围内; 而采用正交本构模型, 复合材料用机织物变形后的边界轮廓和剪切角与实验结果相差较大。研究表明, 与正交本构模型相比非正交本构模型能更好地描述复合材料用机织物在大变形下的材料属性。      

热塑性纤维复合材料综述

本文简单综述热塑性纤维复合材料的发展，国内外简况，预浸料的制备方法，制品的成型工艺、性能和轻量化指数，以及应用和展望。     

自动铺放过程双马树脂预浸料温度与黏度

通过对自动铺放成型工艺的分析,探索了自动铺带成型过程中预浸料温度对复合材料黏性的影响规律。对影响预浸料温度的热风温度和铺放速度两个因素进行了研究,从理论上建立了热风加热温度和铺放速度与预浸料温度之间的关系,提出了控制预浸料温度的具体实施方案,指导自动铺带成型过程。根据双马树脂预浸料黏度和温度曲线,分别在不同的热风温度和铺放速度条件下进行实验,得到在热风温度为90℃、铺放速度为10~20m/min时,预浸料黏度满足铺覆性要求,验证了预浸料热风温度和铺放速度对复合材料制品质量的影响,为自动铺带工艺提供参考。     

热塑性复合材料自动纤维铺放装备技术

基于热塑性复合材料(TPC)自动纤维铺放(AFP)原位固结技术,开展热塑性复合材料AFP装备技术研究,分析AFP平台的功能需求,提出平台总体规划方案,设计开发热塑性复合材料自动铺丝头,并提出预浸纱张力控制方案、精确送纱及温度闭环控制方案。在此基础上,设计AFP系统可行性验证实验,证明方案的可行性和平台的实用价值。结果表明:本实验平台针对热塑性复合材料铺放特点,优化张力与铺放速度匹配,实现预浸纱动态恒张力铺放,确保成型构件质量;实验平台调控铺放速度与送纱协调,实现精确定位,保障成型构件尺寸;建立了铺放速度与加热功率、热流分布关系,实现高精度温度场分布控制。虽AFP成型构件的力学性能比热模压成型构件的力学性能低约20%,但为热塑性复合材料AFP装备技术的广泛应用奠定了基础。     

YPH-23环氧树脂/预浸料的等温固化动力学研究

针对预浸料碳纤维树脂基复合材料成型的特点,采用差示扫描量热法(DSC)研究了碳纤维/YPH-23环氧树脂预浸料的DSC曲线,并与纯树脂的DSC曲线进行对比分析。研究结果表明:预浸料的DSC曲线与纯树脂存在差异;预浸料在130~160℃范围内的固化反应符合自催化固化反应模型,固化反应活化能为45.560kJ/mol;预浸料的动力学研究结果更能反映实际复合材料制造成型过程中的特征,可为实际复合材料的成型工艺优化提供参考。     

热塑性复合材料自动铺放过程中温度场研究

自动铺放成型技术可以实现热塑性复合材料逐层"原位固结",在加工制造大型零部件、提高生产率、降低制造成本方面具有巨大的潜力。由于温度历程对复合材料构件成型质量有较大影响,本工作通过ANSYS软件模拟热源随铺放头移动、铺放过程中预浸料不断被铺叠到底层预浸料上,获得复合材料铺层的温度场分布情况。同时构建基于WinCC flexible的温度场在线测量系统,对铺层温度进行在线采集和存储。实验结果表明,在铺放成型过程中,每一层预浸料的温度曲线出现多个峰值,且随着热气温度的升高,每层峰值温度逐渐增加,热气温度越高,铺层间峰值温度差越大,热电偶测量结果与仿真结果相差越小。通过对实验结果中的峰值温度与有限元模拟结果进行对比,证明了有限元仿真模型的正确性。研究结果表明,随着铺放速率的加快,每层峰值温度逐渐降低,为满足成型要求,当热风枪出口处热气温度最高为600℃时,最大铺放速率为1.2m/min。     

热塑性复合材料自动铺放过程中红外加热技术研究

为保证热塑性预浸料树脂基体在自动铺放(automated fiber placement, AFP)过程中充分熔融,实现热塑性复合材料(thermoplastic composites,TPC)逐层"原位固结"成型,自动铺放成型过程中需精确控制预浸料的加热温度。针对自动铺放过程中铺放速率会在较大范围内变动的特点,本工作提出一种高速率响应的红外线辐射加热技术。通过对红外热源与铺层间能量传输过程的分析,提出红外加热过程中动态恒温控制方程,建立热源辐射强度与铺放速率之间的匹配关系。基于热塑性复合材料自动铺放实验平台,构建红外加热恒温控制系统,该系统采用前馈控制方式,根据动态恒温控制方程,制定相应控制策略,实现对预浸料加热过程中温度的精确控制。实验结果表明自动铺放过程中使用红外加热恒温控制系统满足变速工况下恒温加热要求,且铺放成型实验件的压缩强度及层间剪切强度均接近模压成型实验件。     

热塑性预浸带缠绕工艺参数及加热方式对成型质量及内应力的影响

采用热塑性预浸料带APC-2/AS4 进行了热芯和火焰两种方法的缠绕研究, 分析了两种方法成型时预浸料带的温度2时间过程和两种方法下工艺参数对成型质量及内应力的影响。结果显示: 热芯缠绕时制件的厚度受芯模温度限制, 而火焰缠绕则不受限制。热芯缠绕时, 缠绕张力和预浸料带的树脂含量是影响制件质量的主要因素。      

热模压预成型工艺参数对复合材料帽型长桁质量的影响

本文采用热模压预成装置将碳纤维单向预浸料层板制备成帽型结构长桁预成型体,通过对不同工艺条件下制备的帽型长桁预成型体的表观质量、厚度和纤维偏转角度进行检测,考察和分析了成型温度和速度对预成型体质量的影响规律。当成型温度较低时,由于树脂的黏度较高,预浸料层间摩擦力较大。预成型体表面出现褶皱现象,并且纤维由于受到层间剪切的作用而出现角度偏转。当成型温度较高时,树脂受到压力作用更易流动。这不仅降低了预成型体的厚度,同时也减弱了树脂束缚纤维的能力,使纤维偏转角度增加。而当成型速度增加时,预浸料层间的摩擦力使纤维的偏转角度增大。因此在预成型过程中,为了提高预成型质量,工艺温度和成型速度应控制在一定范围内。      

纤维增强热塑性树脂预浸料的制备工艺及研究进展

热塑性复合材料因冲击韧性高、环境适应性强、可回收利用等优点,被广泛应用于汽车制造、航空航天、国防军工等领域。但因热塑性树脂加热熔融后较高的黏度使其很难与纤维充分浸渍。预浸料作为制造复合材料的中间材料,现阶段制备工艺已相对成熟,预浸料中纤维已被树脂浸润,因此通过预浸料制备的复合材料孔隙率较低。本文介绍了现阶段常用的热塑性预浸料制备方法及各自的优缺点,包括溶液浸渍法、熔融浸渍法、粉末浸渍法、薄膜叠层法、纤维混杂法以及反应链增长浸渍法。阐述了热塑性树脂熔体浸润纤维的浸渍机理,对浸渍机理的部分研究成果进行了概括。概述了浸渍温度、浸渍压力和牵引速率对预浸带性能的影响。最后指出了国内预浸料生产中存在的主要问题,未来可采用多学科结合、纤维树脂改性、对浸渍过程进行计算机模拟等方法促进热塑性预浸带的产业化发展。     

PEEK基体热塑性树脂基复合材料的研究

介绍了热塑性树脂基复合材料用ＰＥＥＫ树脂的性能，静电粉末法制备热塑性树脂预浸料的设备和工艺，用该工艺制备的预浸料规格和性能以及ＡＳ４Ｃ单向织物／ＰＥＥＫ复合材料的力学性能，韧性，耐环境性能，同时还介绍了将这种材料用于宇航工业而进行的基础研究工作。     

零吸胶炭纤维增强高温固化环氧复合材料预浸料研制

针对大尺寸、大厚度复合材料构件对“零吸胶”预浸料的需求,对低树脂含量炭纤维增强高温固化环氧复合材料预浸料进行了研制,并对预浸料的外观和物理性能、复合材料基本力学性能及成型工艺性能进行了研究.通过对预浸料制造工艺参数的优化,研制出了低树脂含量炭纤维增强高温固化环氧复合材料预浸料,其外观和物理性能满足要求;采用低树脂含量预...     

碳纤维增强聚醚砜的工艺、性能和断裂形貌研究

本文介绍了连续碳纤维增强聚醚砜复合材料(CF/PES)的制造工艺与性能.阐述了一种改进的连续纤维增强热塑性复合材料预浸料的制造方法,给出了CF/PES复合材料的最佳模压成型工艺条件,制得了低孔隙率、高机械性能的复合材料.最后,分析了CF/PES的断裂模式和断口形貌.     

玻璃纤维增强热塑性复合材料在航空领域的应用进展

玻璃纤维增强高性能热塑性复合材料具有抗冲击损伤、高韧性、耐电化学腐蚀、低成本等优点,近年来在民航客机、军用运输机等航空领域得到了应用和发展。文中首先概述了目前国外玻璃纤维增强高性能热塑性复合材料在航空领域的应用实例,并分析了国内从原料到复合材料制造技术之间存在的差距。对比了国内制备的HS6高强玻璃纤维增强聚芳醚酮热塑性预浸料同国外同类型S2/PEEK预浸料的表观质量和力学性能。通过对比发现,国产预浸料的浸渍质量和力学性能跟国外仍有一定的差距,需对预浸料的制备工艺做进一步探索改善。     

单向碳纤维/环氧树脂预浸料叠层的面内变形行为

为了充分了解热隔膜成型过程中预浸料的变形行为，通过偏轴拉伸测试探索了热固性单向碳纤维/环氧树脂预浸料在高温条件下的面内变形机制。研究参数包括试验温度、拉伸速率、预热时间和铺层顺序等。利用数字图像相关技术，在测试过程中监测单向碳纤维/环氧树脂预浸料的变形和纤维的旋转情况。结果表明，提高试验温度或降低拉伸速率均有利于促进单向碳纤维/环氧树脂预浸料的变形。铺层顺序对单向碳纤维/环氧树脂预浸料铺层的变形行为有很大影响，[45/–45/90]_S铺层方式比 [45/90/–45]_S铺层方式更有利于纤维旋转，且[45/–45/90]_S铺层方式变形阻力更小。采用铰链连接网(Pin-joined net, PJN) 理论对单向碳纤维/环氧树脂预浸料铺层变形过程中纤维角度变化进行预测并与实验结果进行对比，结果表明，用PJN理论预测的纤维旋转角度值与测试值存在较大偏差，说明其并不适用于预测热固性单向碳纤维/环氧树脂预浸料变形过程中纤维角的变化。同时，80℃预加热可以提高单向碳纤维/环氧树脂预浸料的变形阻力。      

先进格栅增强复合材料结构在软模共固化成型过程中工艺参数研究

先进格栅增强复合材料结构(AGS)软模共固化工艺成型过程是一个包括固化度、温度和应力场等相互耦合作用的复杂历程,工艺参数的选择将直接影响AGS产品的性能.该文以一简单正交AGS板为例,采用有限元分析方法对其软模共固化成型工艺过程进行数值仿真,讨论了工艺间隙、工艺环境和固化制度等对成型工艺过程中预浸料内部固化度,温度和应...     

光纤布拉格光栅监测复合材料固化

复合材料层合板在固化成型过程中形成的残余应变和应力是影响材料质量的重要因素,它与预浸料铺层在固化工艺过程中产生的应变密切相关。在研究和测试了光纤布拉格光栅应变和温度传感器传感特性的基础上,将二者埋入复合材料预浸料铺层,在热压釜成型工艺过程中监测了材料内部的温度和应变发展历程,由此获得对称正交层合板的宏观残余应变。监测结果表明,单向和对称正交层合板在固化结束后都将产生收缩,对称正交层合板铺层内的残余应变平行于纤维方向为压应变,垂直于纤维方向为拉应变。光纤光栅传感器为复合材料固化监测及层合板残余应力分析提供了一种新的工具,为实现复合材料从制造到服役的全寿命、一体化监测提供了可能。      

航空液态成型复合材料关键技术研究

我国的大飞机计划用复合材料将包括预浸料和液态成型复合材料两类。一代新材料，一代新飞机。目前，依托我国军机的研究与发展，预浸料复合材料已初具规模和应用经验，而液态成型复合材料技术在我国还刚刚起步。