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。     

树脂基复合材料自动铺放技术进展

扼要介绍了树脂基复合材料自动铺放成型技术的原理、特点和国外技术及应用概况,详细介绍了国内复合材料自动铺放成形技术的研究进展,提出了国内自动铺放技术研究的关键问题及研究建议.     

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。     

干纤维自动铺放-液体成型技术进展研究

相较于传统预浸料预制体需要热压罐固化,干纤维自动铺放结合液体成型技术可以实现非热压罐制造复合材料,从而降低制造成本、缩短制造周期。本研究针对干纤维自动铺放-液体成型技术,从干纤维铺放材料、干纤维自动铺放设备以及干纤维自动铺放工艺技术进展三个方面进行概述,并对其未来在船舶领域的应用进行展望。     

红外辅助自动纤维铺放工艺对连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料结构与性能影响

与激光、热风加热相比,红外加热具有低成本、低污染等突出优势,是低熔点热塑性复合材料自动纤维铺放(Automated fiber placement,AFP)成形的理想热源。但是,红外辅助AFP工艺参数耦合性强,对成形精度、缺陷形成与宏观性能的影响尚不清晰,缺乏相关工艺的数据积累。本文针对红外辅助AFP原位成形工艺,通过调控铺放压力和速度制备了连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料单向层合板,研究了铺放温度与压力对减薄效应、翘曲变形、结晶度和孔隙率的影响,进一步探究了结构和缺陷对弯曲强度、层间剪切强度等宏观力学性能的影响规律。研究结果表明：温度过高会导致严重的减薄效应,过低则会导致高孔隙率;成形压力过高会造成严重的翘曲和纤维变形,降低层间剪切强度。通过对温度和压力的合理控制,可使孔隙率降至1%,满足民机复合材料构件2%阈值的要求;试样弯曲强度高达466 MPa,与热压成形相比仅降低6%。     

碳纤维复合材料自动铺放关键技术的现状与发展趋势

碳纤维复合材料具有耐高温、耐摩擦、耐腐蚀等诸多优异性能,被广泛应用于航空航天、汽车制造等相关领域.鉴于碳纤维复合材料的广泛应用,制备碳纤维复合材料构件的自动铺放设备及技术也得到了快速发展.近年来,复合材料自动铺放技术也取得了非常显著的成绩.碳纤维复合材料自动铺放技术的研究是铺放设备、铺放轨迹、铺放工艺及铺放软件技术的综合性研究.其中,研究人员将铺放头与纤维纱架结合实现了碳纤维复合材料铺放设备的一体式结构,为完全自动化铺放奠定了基础.碳纤维复合材料的铺放轨迹起初采用相对简单的定角度铺放,但是近些年变角度铺放成为研究热点,采用变角度铺放可以提升铺放构件的力学性能.另外,工作人员针对复合材料的铺放温度、铺放速度和铺放压力等铺放工艺进行了研究,实现了铺放工艺参数的优化并提高了铺放构件的成型质量.此外,在复合材料自动铺放软件技术的研究中,研究人员以铺放工艺及构件形体要求为基础,开发了与铺放设备相匹配的CAD/CAM软件系统,实现了复合材料的自动化、智能化铺放.本文主要从自动铺放设备结构、纤维铺放轨迹规划与控制、铺放工艺参数优化和自动铺放软件系统几个方面对国内外自动铺放技术的研究进展进行了综述.基于自动铺放技术的发展现状,总结了国内自动铺放技术存在的问题,并对国内自动铺放技术的发展方向进行了探讨.     

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FRP自动铺放成型缺陷的多尺度研究进展

纤维增强型复合材料(FRP)自动铺放成型缺陷形成过程涉及多个时空尺度,仅依靠宏观失效理论及实验分析等方法无法实现对FRP铺放成型缺陷机理的研究。为了解决以上问题,本文针对热塑性FRP,分析了其铺放制造过程中常见的缺陷类型及其形成的基本原因,并结合气泡成核、热力耦合、界面增强理论及原位固结技术的国内外研究成果,指出现阶段FRP铺放缺陷机理研究方法的不足,根据现有的多尺度分析法及材料设计的嵌套式关系,提出反串行嵌套式多尺度分析方法,并讨论了基体的流动性、结晶度、黏弹性及吸湿性等微观力学参数的分析和计算方法。最后,采用灰色关联及多目标优化法,提出FRP铺放成型工艺的多尺度协同设计方法。未来研究重点是在铺放样机应用化的基础上,分析工艺参数、成型缺陷与力学性能的关联特性,揭示缺陷形成机理并优化工艺参数。     

热塑性纤维铺放构件的层间剪切强度及孔隙率

热塑性纤维(AS4/PEEK,熔点温度343℃)铺放采用的是原位固化工艺技术,铺放成型后热塑性纤维铺放构件层间性能直接影响构件的力学性能.本工作根据均匀试验法原理设计并进行铺放试验,得到构件的剪切强度和孔隙率,分析铺放工艺参数对铺放构件的层间剪切强度和孔隙率的影响规律,采用SEM对构件的断面层间进行观测,同时优化热塑性纤维铺放构件的剪切强度和孔隙率.结果表明:在铺放试件性能检测数据的基础上,随着加热温度和铺放压力的升高和增大,层间剪切强度也增大,而随着铺放速度的加快,层间剪切强度反之降低;孔隙率与铺放速度及加热温度呈正相关,随铺放压力的增大而降低.当铺放速度为6.00 mm/s、加热温度为699.35℃、铺放压力为539.94 N时,预测构件层间剪切强度最高为52.15 MPa;当铺放速度为6.00 mm/s、加热温度为630.04℃、铺放压力为530.00 N时,预测构件孔隙率最小为1.98％,最后试验测试得到的结果与预测结果基本一致.本工作的研究结果在我国制造业领域中热塑性纤维的应用方面具有一定的实用价值.     

纤维铺放压紧力及预浸带加热温度对复合材料力学性能的影响

采用三因素四水平正交实验与单因素实验相结合, 通过力学性能测试及SEM和光学显微镜微观形貌观察研究了复合材料铺放过程中压紧力、 预浸带加热温度及芯模温度对复合材料力学性能的影响。实验结果表明: 压紧力与加热温度对层间剪切强度(ILSS)影响很大, 而芯模温度影响较小; 当压紧力为600 N、 预浸带加热温度为30℃、 芯模温度为18℃时, 复合材料综合力学性能达到最佳。微观形貌观察结果表明: 随着压紧力和预浸带加热温度升高, 纤维与树脂接触充分, 树脂与纤维分布均匀性较好, 层间富树脂区的厚度较小, ILSS逐渐增加; 但当预浸温度上升到40℃以后, 压紧力作用导致树脂与纤维的分布均匀性变差, 层间富树脂区的厚度较大, 从而导致ILSS下降。     

碳纤维复合材料空间反射镜制造技术研究进展

碳纤维复合材料(CFRP)具有比刚度高、热稳定性好,可设计性强等特点,成为轻量化反射镜制造的新型理想材料,特别适合大口径、高分辨率空间反射镜的制造。简单介绍空间光学反射镜的国内外研究应用的现状。根据反射镜的特点介绍了碳纤维复合材料的材料选择要求,以及国外常用碳纤维复合材料预浸料体系。碳纤维复合材料反射镜制造方法与传统光学材料反射镜的制造不同,一般采用高效、快速、制造成本低的复制工艺来实现。总结了碳纤维复合材料反射镜的复制工艺和反射镜复制精度的影响因素,影响因素包括复制模具、预浸料铺层、反射镜变形、纤维印痕现象、尺寸稳定性以及反射镜尺寸等,并对前五项影响因素提出相应的控制措施来减小影响程度。重点阐述了反射镜纤维印痕现象的成因和解决方法,以及控制尺寸稳定性的关键。     

基于仿生技术的高强度复合材料的研究进展

自然界造物的方式是人们制备高强度复合材料的榜样,自然材料的优异特性可以归结为长期自然进化和自然选择条件下所形成多尺度的多级组装结构。阐述了目前研究较多的仿生技术的特点,挖掘了这几类仿生材料的主要组成成分和多级结构实现高强度的机制,重点论述四大类仿生高强度复合材料:基于植物的仿生复合材料、基于动物的仿生复合材料、基于细菌的仿生复合材料、基于天然矿石的仿生复合材料的制备过程和增强机制的研究;揭示了通过仿生手段实现复合材料高强度的原理,并指出其应用领域和目前研究中存在的问题。     

基于复合式微纳光纤锁模器件的单腔多光频梳技术研究

光纤滤波器与锁模器件作为实现波长复用式单腔双光频梳光源的核心组件受到了研究者们的广泛关注。针对传统滤波器对偏振敏感、制作工艺复杂的问题,研制了一种基于微纳光纤的复合式器件,采用熔融拉锥方式进行微纳器件的制作,利用模间干涉产生滤波效应,利用热泳效应实现光沉积。将该复合器件应用于环形腔中,实现了1532,1543,1555 nm 的多波长锁模,且在不同偏振态下,波长漂移均不高于0.2 nm。该复合器件为实现单腔双光频梳、单腔三光频梳提供了新的解决方案,对于促进多光频梳技术在精密测量等领域的应用具有重要意义。     

T-1000碳纤维/环氧树脂基复合材料性能研究

用扫描电镜、红外光谱、X射线光电子能谱仪、NOL环及φ150mm容器等手段,对T-1000碳纤维表面状态、元素组成和复合材料性能进行系统研究.结果表明,该纤维表面光滑,富有树脂涂层,具有高的活性碳基团,与HS19环氧基体匹配具有高的粘接强度,φ150mm容器环向纤维发挥强度达6174MPa,复合高压气瓶具有较高的容重比.     

碳纤维增强镁基复合材料的界面研究进展

综合评述了碳纤维增强镁基复合材料的界面研究进展.介绍了碳纤维增强体的优点和两种不同的去胶方法,比较了不同的碳纤维涂层和基体成分对复合材料界面状态的影响,并对今后碳纤维增强镁基复合材料的研究方向进行了展望.     

碳纤维复合材料抽油杆研究进展

碳纤维复合材料抽油杆是近几年兴起的一种新型柔性抽油杆,具有轻质、高强度、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳及结构功能一体化等优异性能,成为解决传统抽油杆失效问题很有发展前途的重要方法之一。主要综述了3种不同树脂基体的碳纤维复合材料抽油杆,包括:环氧树脂基、乙烯基酯树脂基、酚醛树脂基的制备及应用。由于传统的抽油杆很难满足高腐蚀油井、深井以及超深井的开采要求,对碳纤维复合材料抽油杆的发展方向进行了展望。     

Characteristics of carbon fiber phenolic composite for journal bearing materials

Journal bearing materials are required to have special characteristics such as compatibility with rubbing interface materials, embeddability for particles and wear debris, conformability to accommodate misalignment, thermal and corrosion resistance. Although white metals or babbitt metals used in most journal bearing have almost the required characteristics, they have possibility of seizure between the bearing material and the journal when the oil film is broken.

In this study, a hybrid composite journal bearing composed of carbon fiber reinforced phenolic composite liner and metal backing was manufactured to solve the seizure problem of metallic journal bearing materials because the carbon fiber has self-lubricating ability and the phenolic resin has thermal resistance characteristics. To estimate the wear resistance of carbon fiber phenolic composite, wear tests were performed at several pressures and velocities. The oil absorption characteristics, coefficient of thermal expansion, strength and stiffness of the composite were also tested. Using the measured stiffness values, the thermal residual stresses in the composite were calculated to check the reliability of the composite journal bearing.