[工程应用]纤维增强树脂基复合材料增材制造技术与装备研究

在综述纤维增强树脂基复合材料增材制造技术的国内外研究现状基础上,分析了短纤维、长纤维、连续纤维增强树脂基复合材料的成形方法、工艺及性能。针对高性能的连续纤维增强树脂基复合材料的增材制造成形,研究了连续纤维增材制造成形机理及工艺,揭示了其成形性能的影响规律。指出了纤维增强树脂基复合材料增材制造技术与装备的未来发展趋势：亟需开展纤维增强复合材料的增材制造成形机理、成形工艺及装备研究,更好地推进纤维增强树脂基复合材料的广泛应用。     

基于激光原位预热的连续纤维增材制造层间强化机理研究

连续纤维复合材料增材制造具有成形自由度高、材料利用率高、模具依赖度低等优点,能够实现复合材料的快速低成本一体化制造,满足航空航天等领域复材构件短周期高性能的成形需求。但基于层层堆积成形原理的连续纤维复合材料制件层间性能较差,在长期使役过程中极易出现分层失效,严重限制其广泛应用。本研究提出了基于激光原位预热的连续纤维增材制造成形方法,通过建立基于“生死单元”技术的有限元仿真模型,揭示了激光预热对增材制造成形温度分布及其演变规律,并通过实验验证了其对改善成形制件层间性能的有效性,最终获得了激光预热的层间强化机理。结果表明,激光预热能够快速加热样件表面温度,促进层间树脂的熔合粘接,并进一步促进成形丝材的重熔浸渍,相较于未经预热样件,激光预热后层间剪切强度最大提升115%。     

连续碳纤维增强尼龙6复合材料3D打印装备与参数调控

为实现高性能纤维增强树脂基复合材料低成本、一体化快速制造,本文研究了一种连续纤维增强热塑性复合材料3D打印技术。借鉴熔融沉积成形工艺,建立了其成形原理,设计了集成打印头模块并搭建原理样机,采用二级喷嘴对打印工艺参数进行调控,建立了工艺参数对纤维含量与力学性能的影响关系,在纤维体积含量达到44.1vol%时,连续碳纤维增强尼龙6复合材料的拉伸强度与模量达到405MPa与80.6GPa,弯曲强度与模量达到565.8MPa与62.1GPa。     

连续纤维自增强复合材料3D打印及其回收性能研究

连续纤维增强复合材料3D打印工艺的出现,为复合材料构件低成本快速制造提供了一种新方法,为了充分利用3D打印连续纤维增强热塑性复合材料成形快,易成形复杂零部件的特点,结合自增强复合材料具有良好界面结合性,可循环利用的优势,分析了自增强复合材料3D打印技术研究的发展现状,提出一种利用过冷熔体成形连续纤维自增强复合材料的3D打印方法,设计了基于过冷的自增强复合材料熔融挤出打印喷头,采用聚苯硫醚(Polyphenylene sulfid,PPS)纤维与PPS树脂作为自增强复合材料原材料,探究自增强复合材料成形打印温度窗口、复合材料力学性能、微观界面结合性,以及对连续纤维自增强复合材料完全可回收性能研究分析。     

湿热老化对纤维增强树脂基复合材料性能的影响及其机理

总结了纤维增强树脂基复合材料湿热条件下的吸湿行为及影响吸湿的因素;综述了湿热老化对复合材料耐热性能和力学性能的影响,分析了其作用机理。多数树脂基复合材料吸湿的初期阶段符合费克定律,吸湿会造成树脂基体的塑化、水解,产生裂纹以及纤维/树脂基体界面破坏,从而降低材料的性能。最后对纤维增强树脂基复合材料湿热老化研究提出了几点建议。     

玄武岩纤维增强树脂基复合材料的最新研究进展

玄武岩纤维复合材料是近年来备受关注的一种纤维增强复合材料,其相对玻璃纤维、碳纤维增强复合材料来说具有可降解、无毒、对环境无污染等特点,在航空航天、军工、道路交通等领域具有较高的应用价值。结合近十年以来的最新研究成果,首先对玄武岩纤维的制造工艺进行了简单的介绍,对比了玄武岩纤维和其他纤维的性能差异;其次从树脂基复合材料的角度归纳了玄武岩纤维热固、热塑性树脂基复合材料的突出性能及相关研究成果,阐述了玄武岩纤维树脂复合材料的最新研究进展,对目前研究存在的不足提出建议,并做出总结;最后对其未来的发展前景进行了讨论。     

七、非热压罐成型技术在航空航天大型复合材料结构件中的应用取得重大突破

固化工艺作为树脂基复合材料构件最终成形必要的工序之一,对树脂基复合材料最终性能和其制造成本起着至关重要的作用。近几年,为克服热压罐固化工艺在成型复合材料构件时存在的能耗高、成形时间长、固化过程难以控制等工艺问题,以及复合材料构件大小受热压罐容积限制,且热压罐设备成本很高等设备问题,国外积极研发成本低廉、周期时间短的非热压罐固化成型工艺及装备技术。2014年,非热压罐固化成型技术在航空航天大型复合材料构件中的应用取得重大突破：非热压罐成型的直径5.5m运载火箭复合材料液氢贮箱成功通过性能测试;非热压罐成型技术首次用于飞机机身、机翼等主承力构件的批生产;开发出新型的自动铺带+非热压罐固化复合的工艺装备。     

碳纤维增强树脂基复合材料钻孔技术研究进展

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)因性能优异,在航空航天领域的应用越加广泛,对其二次成形加工质量要求越来越高。本文综述了近年来碳纤维复合材料切削机理与钻孔工艺方法、刀具磨损机理、钻孔缺陷和损伤产生机理及其控制等方面的研究现状和进展,分析了存在的问题和新的挑战,并对CFRP钻孔技术的研究进行了展望。     

3D打印连续纤维复合材料丝材的成形规律

针对3D打印连续纤维增强热塑性树脂复合材料,研究了热塑性树脂在螺杆挤出过程中的流动机理和在纤维界面的浸渍行为,揭示了螺杆转速和牵引速度对复合丝材成形直径和纤维含量的影响规律。提出使用实际浸渍时间和理论完全浸渍时间来共同表征树脂对纤维的浸渍程度,观察复合丝材断面的形貌可知,高浸渍程度的丝材内部空隙较少,树脂和纤维结合更紧密。进行3D打印成形测试,当丝材的浸渍程度从17.25%提高到40.02%,样件的拉伸强度可从132 MPa提高到160 MPa,提高约21%。对样件进行动态力学性能分析(DMA)测试,试验结果表明浸渍程度高的复合材料成形件具有高的存储模量和损耗模量,表明其纤维和基体间的界面结合程度得到了提高和改善。     

纤维增强铝基复合材料研究进展

综述了纤维增强铝基复合材料研究进展，概述了纤维增强体的性能特点和制备方法，简介了纤维增强铝基复合材料的主要制造方法，并对几种典型的纤维增强铝基复合材料的特性、制造工艺和研究应用现状进行了论述。     

连续纤维增强复合材料变刚度结构3D打印与性能研究

连续纤维增强复合材料变刚度结构可以通过调控纤维含量和方向分布以最大化利用纤维的性能优势。然而现有制造工艺难以实现纤维含量的精确调控,基于连续纤维增强复合材料3D打印工艺,建立了工艺参数与纤维含量的映射关系,通过动态调控打印过程中纤维与树脂的进给比例,实现了连续纤维增强复合材料变刚度结构的一体化无模快速制造。系统研究了纤维含量变刚度分布对制件弯曲与冲击性能的影响,在相同平均纤维含量下,3D打印变刚度结构的抗弯模量与冲击强度分别比均质结构提高了70%和65%。通过建立3D打印连续纤维增强复合材料变刚度结构的本构及有限元分析模型对其失效行为进行了分析,结果表明将较高纤维含量设置在制件的背侧,可以增加制件对纤维拉伸破坏的抵抗能力,大大提高制件的承载能力和纤维的使用效率。研究为航天航空、轨道交通等领域复合材料的设计制造提供了新的思路。     

复合材料预制体成形制造工艺与装备研究

从制造工艺和装备研制的角度总结了复合材料预制体成形技术发展历程,分析了复合材料预制体成形制造工艺的技术特点,列举了国内外复合材料预制体成形制造典型的工艺与装备现状以及存在的问题及差距,并分析展望了复合材料预制体成形技术的未来发展方向及趋势。发展高性能复合材料构件数字化精确成形制造技术及装备,能更好推动我国复合材料技术进步,并实现更加广泛的推广应用。     

玻璃纤维增强不饱和聚酯基复合材料的力学性能

采用质量分数为20%的连续玻璃纤维和质量分数为10%的短切玻璃纤维以模压工艺制备不饱和聚酯基复合材料,研究了纤维类型对复合材料模压工艺以及力学性能的影响,并与质量分数为30%连续纤维增强的不饱和聚酯基复合材料进行了对比。结果表明:与连续纤维增强不饱和聚酯基复合材料相比,连续纤维与短切纤维混合增强复合材料的拉伸性能和弯曲性能略有下降,但模压工艺性能和压缩性能有所提高,纤维在基体中分布较为均匀,纤维相互交叉,散乱分布。     

碳纤维复合材料板热冲压成形试验研究

材质轻量化和结构轻量化是降低汽车整质重量的有效途径。其中,质轻且比强度高的纤维增强树脂复合材料已经越来越多的应用于汽车设计和制造中。为解决传统复合材料件成形效率低、制造成本高等问题,进一步扩展复合材料在汽车制造业中的应用,提出一种采用非等温模具对复合材料板直接进行热冲压的复合材料成形新方法。该方法对模具进行非等温加热,使用非等温模具通过接触传热将复合材料中需要发生变形的区域进行局部加热,借助复合材料加热到一定温度下软化的特点,随着模具的运动逐步成形工件,工件在模具作用下固化。进行复合材料板球面形件的热拉深成形试验研究,分析成形温度对试件拉深过程的影响。试验结果表明,碳纤维增强树脂基复合材料具有良好的热冲压性能,成形效率高,成形的球面件质量好,表面光洁。由于树脂软化,拉深过程载荷随着成形温度升高而降低。     

连续碳纤维增强聚乳酸复合材料3D打印及回收再利用机理与性能

纤维增强树脂基复合材料具有轻质高强的优异特性,但传统成型工艺具有成本高、过程复杂、难以回收的缺点限制了复合材料的广泛应用,介绍了一种新的连续纤维增强热塑性复合材料3D工艺(CFRTPCs)及其回收再利用策略,建立成型过程与界面性能、力学性能的内在联系,打印连续碳纤维增强聚乳酸(CF/PLA)样件抗弯强度与模量分别达到390MPa与30.8GPa,实现了复合材料低成本一体化快速制造,其回收再利用过程无污染,材料利用率为75%,二次打印样件抗弯强度提高25%左右,实现了复合材料高效高性能绿色回收再利用,二者结合形成一种全生命周期复合材料应用模式。     

一种电弧增材制造系统及沉积层性能研究

为了跟上国内外电弧增材制造技术迅猛发展势头,采用从设备研制到实验验证的方法路线,介绍了一种基于机器人的增材制造系统的硬件选择及软件设计,并利用该增材制造系统增材制造出耐磨钢直臂件,对增材件性能进行测试。结果表明,该制造系统具有修改增材制造工艺参数方便、成形效果良好、成型精度较高等优点。项目开展的基础性研究对于金属丝材电弧直接制造系统的开发和技术的推广及应用具有重要的理论参考和实际指导意义。     

树脂基复合材料的增强材料性能突显异军崛起

树脂基复合材料也称纤维增强塑料,是由以有机聚合物为基体的纤维增强材料,这种材料是用短切的或连续纤维及其织物增强热固性或热塑性树脂基体经复合而成。是目前技术比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料。应用广泛的树脂基复合材料通常采用增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。     

BC-MIG焊在铝/钢异种金属增材制造工艺中的应用

增材制造技术已广泛应用于电子产品、汽车、航空航天、医疗国防等领域,增材制造技术可以大幅度缩短生产周期,降低制造成本,节省材料消耗和加工制造费用。本文阐述了BC-MIG焊工艺的特点,利用BC-MIG焊工艺进行了增材试验,得到了成形美观、性能优良的T型材结构,对其增材成形情况、微观组织特点和力学性能进行了深入分析。     

碳纤维表面电镀铜改性工艺方法研究

针对碳纤维增强金属基复合材料增材制造过程中，由于纤维与金属基体间的结合强度较差，从而影响复合材料物理性能的问题，开展碳纤维表面改性工艺研究。首先采用高温煅烧的方法，对碳纤维进行表面有机胶膜去除和氧化处理，然后将处理后的碳纤维置入电镀溶液中进行表面镀铜，并采用计算碳纤维质量损失率和SEM观察的方法，对改性处理结果进行对比分析。研究结果表明：通过合理调控煅烧温度、煅烧时间、电镀电压，可以有效去除碳纤维表面的有机胶膜，增强纤维表面活性，并在纤维表面形成连续且均匀的铜镀层，为复合材料增材制造过程中碳纤维与金属基体间的有效结合提供研究基础。     

直接能量沉积成形技术质量控制的研究现状

金属增材制造过程中,直接能量沉积成形(DED)技术面临着成形质量较差的问题。在生产加工的各个阶段,基体、粉(或丝)材的温度状态及变化规律都直接影响着成形件的加工质量,探究工艺参数与温度因素之间的规律及影响机理具有重要的作用和意义。在技术应用过程中,不同的加工工艺类型直接决定了工件的加工质量,而能量输入、温度控制、扫描路径、成形形状等工艺参数对成形质量也具有十分重要的影响。因此,开展工艺参数研究、探究成形过程机理,加深对增材制造微观层面的理解,将成为重要的研究内容和发展方向。