热塑性复合材料自动铺放工艺参数分析与优化

热塑性复合材料自动铺放原位成型（AFP）技术是高效低成本制造大型复合材料构件的关键,而自动铺放过程中工艺参数的选取及控制精度对成型构件的性能有较大影响,因此为保证原位成型后成型构件的性能,需分析自动铺放工艺参数对成型构件性能的影响并对其进行优化。本文基于热塑性复合材料自动铺放平台,以连续玻璃纤维增强聚丙烯（GF/PP）预浸纱为原料制备复合材料层合板,以层合板的力学性能为优化目标,根据响应曲面法原理设计试验,分析热气温度、热压辊压力及冷压辊压力各工艺参数及其耦合作用对层合板力学性能的影响,建立各工艺参数与层合板力学性能的二次多项式回归方程预测模型,通过预测值与实际值对比等检验分析,验证回归模型的有效性和可靠性,进而获得热塑性复合材料AFP最优工艺参数组合为热气温度为385℃、热压辊压力为0.3 MPa、冷压辊压力为1.1 MPa。     

碳纤维织物增强聚苯硫醚复合材料的制备及性能

采用薄膜叠压法制备碳纤维织物增强聚苯硫醚(CFF/PPS)复合材料层压板,研究了热压温度、热压压力和热压时间对复合材料层压板力学性能的影响,确定了制备CFF/PPS复合材料的理想工艺参数为:热压温度320～330℃,热压压力0.15～0.20MPa,热压时间8～10min。在该参数下制得的层压板拉伸强度为652MPa,弯曲强度为711MPa,层间剪切强度为43MPa;在6.7J/mm的冲击能量下,层压板的冲击后压缩剩余强度为116MPa。     

碳纤维增强聚醚酮酮模压复合材料结构与性能调控

为探究模压工艺参数对碳纤维增强聚醚酮酮复合材料(CF/PEKK)结构与性能的影响规律,采用真空模压工艺制备CF/PEKK复合材料层压板,系统讨论了模压温度和压力对树脂与纤维的界面结构、PEKK凝聚态结构及复合材料力学性能的影响,通过扫描电镜分析了复合材料的微观结构,讨论了复合材料的失效形式,采用X射线衍射观察了复合材料中PEKK的晶体结构,使用动态热机械分析研究了复合材料界面阻尼与模压成型工艺的关系。研究结果表明,在365℃的模压温度和5.0～6.0 MPa模压压力下,CF/PEKK复合材料的综合力学性能最优,其中拉伸强度达到965 MPa,弯曲强度849 MPa,层间剪切强度59 MPa,复合材料的断裂失效形式以树脂开裂与层间Z形断裂为主。     

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%。     

高强高模聚酰亚胺纤维/环氧树脂复合材料力学性能与破坏机制

以高强高模聚酰亚胺（PI）纤维为增强体,以航空级环氧树脂（EP）为基体,通过热熔法制备预浸料并采用热压罐成型技术制备了PI/EP复合材料层合板,对其力学性能和破坏形貌进行了分析。结果表明:高强高模PI纤维与EP具有良好的界面结合力,PI/EP复合材料的层间剪切强度为65.2 MPa,面内剪切强度为68.6 MPa;良好的界面结合状态能充分发挥PI纤维优异的力学性能,PI/EP复合材料的纵向拉伸强度达1 835 MPa,弯曲强度为834 MPa;PI/EP复合材料纵向拉伸破坏模式为散丝爆炸破坏,同时由于高强高模PI纤维还具有优异的韧性和较高的断裂伸长率,PI/EP复合材料从受力到失效断裂的时间较长;PI/EP复合材料纵向压缩破坏模式为45°折曲带破坏。高强高模PI/EP复合材料为航空航天先进复合材料增加了一个全新的选材方案。      

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.     

自动铺放工艺制备罐外固化复合材料的力学行为

针对碳纤维增强树脂基复合材料IM7/CYCOM5230-1罐外固化预浸料,研究了自动铺放（AFP）罐外固化（OOA）预浸料的制备过程并优化了铺放工艺参数,采用热分析手段研究了CYCOM5230-1树脂固化动力学及黏度特性,在此基础上开发了一种短时固化工艺,并评价了基于此工艺制备的OOA复合材料力学性能。结果表明,AFP铺放过程中预浸料间缝隙会影响OOA复合材料的成型质量,采用铺放压力为180 N、加热温度为50℃、铺放速率为0.20 m/s的铺放参数,可获得表面平整、成型质量优异的复合材料样件。热分析结果表明,罐外固化CYCOM5230-1树脂室温黏度大,满足OOA工艺中真空压实排气需求。短时固化工艺可达到与典型固化工艺相同水平固化度,提升了固化效率,且制备的复合材料可以达到59%的纤维体积分数及低于0.5%的孔隙率,其力学性能与典型固化工艺制备的复合材料相当,并且能够达到热压罐复合材料的水平。     

制备工艺对单向连续碳纤维增强聚醚砜复合材料层间结合强度的影响

采用溶液浸渍和热压成型制备了以聚醚酚为基体的单向连续碳纤维增强复合材料,研究了不同树脂浓度和热压工艺参数下复合材料的层间剪切强度。结果表明:成型温度高的复合材料具有较高的层间剪切强度,适当延长保温时间能够大幅度提高复合材料的性能。扫描电镜和热重分析表明树脂基体与碳纤维之间结合紧密,不同树脂含量的复合材料在热压成型过程中,界面处有不同的作用机理。     

碳纳米管/碳纤维环氧树脂复合材料的制备及力学性能

对多壁碳纳米管(MWCNTs)进行改性处理,得到表面接枝1,3,5-苯三甲酸的碳纳米管(B-MWCNTs)。分别将MWCNTs和B-MWCNTs分散在环氧树脂基体及上浆剂中,通过缠绕成型法制备含有MWCNTs的碳纤维增强环氧树脂预浸料,并采用热压成型工艺制备MWCNTs/碳纤维环氧树脂复合材料层合板。结果表明,B-MWCNTs在环氧树脂基体和上浆剂中的分散状态明显优于MWCNTs。添加B-MWCNTs后复合材料的玻璃化转变温度(Tg)和失重5%时对应的温度均有所提高。而且,添加B-MWCNTs可以明显提高碳纤维环氧树脂复合材料的力学性能。当MWCNTs含量为0.5%(质量分数)时,B-MWCNTs/碳纤维环氧树脂复合材料层合板的压缩强度、层间剪切强度和冲击后压缩强度(CAI)分别提高了14.3%,37.1%和23.4%。     

PEK-C膜层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料的力学性能

为探究热塑性酚酞基聚醚酮（Polyaryletherketone with Cardo,PEK-C）树脂薄膜及膜厚对层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的影响,利用浸渍提拉法制备了三种不同厚度（分别约为1 μm、10 μm、30 μm）的PEK-C膜,通过热压成型制备了层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料层合板,对其进行了Ⅰ型层间断裂韧性、冲击后压缩强度、层间剪切及弯曲性能测试,并利用SEM观察微观形貌及AFM扫描微观相图。结果表明:不同PEK-C膜厚增韧碳纤维/环氧树脂复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性、冲击后压缩强度及层间剪切强度有不同程度提高,Ⅰ型层间断裂韧性及层间剪切强度以膜厚为10 μm最佳,分别增大了157.17%和17.57%,冲击后压缩强度以膜厚为30 μm最佳,达到了186.67 MPa,这是由于PEK-C与环氧树脂在热压固化过程中形成了双相结构,改善了材料韧性;但弯曲性能持续下降,强度及模量由未增韧的1 551 MPa、106 GPa分别降至30 μm时的965 MPa、79 GPa,这是由于PEK-C树脂扩散进入环氧树脂中,降低了纤维体积分数及材料刚度。      

Resistance welding of carbon fibre reinforced thermoplastic composite using alternative heating element

The focus of this work is the use of a metal mesh as an alternative heating element for the joining of carbon fibre fabric reinforced polyetherimide composite laminate. A more homogeneous temperature distribution was generated by the metal mesh at the bonding surface. Glass fibre fabric reinforced PEI (GF/PEI) was used as an electrical insulator between the heating element and adherend laminates. Experimental results show that the GF/PEI prepreg could effectively prevent current leakage and enlarge the welding area. Welding parameters, such as input power level, welding time and pressure, were optimized according to the results of mechanical and microstructure characterization. Mechanical performance of composite specimens joined using metal mesh, in terms of lap shear strength and Mode I interlaminar fracture toughness, was equivalent to that of compression moulded benchmarks. Fracture surfaces of welded specimens showed mostly cohesive failure or intralaminar failure, indicating that good bonding between the PEI matrix and metal mesh was achieved.     

纳米Al2O3-碳纤维多尺度增强聚酰胺基复合材料的制备及力学性能

采用叠层模压法制备了纳米Al₂O₃-碳纤维织物多尺度增强聚酰胺基（nano Al₂O₃-CFF/PA6）复合材料层压板。借助场发射扫描电子显微镜（FESEM）、同步热分析仪（TGA/DSC）和FTIR,研究了模压温度、压力和纳米Al₂O₃加入量等因素对nano Al₂O₃-CFF/PA6复合材料力学性能的影响。研究表明：在模压温度为230℃、模压压力为3 MPa和保压时间为15 min时,CFF/PA6层压板的弯曲强度为250.3 MPa,层间剪切强度为87.6 MPa,平行层厚方向的冲击强度为41.2 MPa,垂直层厚方向为9.6 MPa。当基体中的Al₂O₃含量达到6wt%时,nano Al₂O₃-CFF/PA6层压板的弯曲强度为387.6 MPa,层间剪切强度为35.7 MPa,平行和垂直层厚方向的冲击强度分别为80.3 MPa和25.6 MPa。     

RTM成型玻璃纤维增强阴离子聚合尼龙6复合材料及其性能

针对己内酰胺阴离子聚合反应特性,通过自行设计的适合该反应体系的树脂注射成型机和搭建的热塑性树脂传递模塑(T-RTM)成型实验平台,在恒压注射条件下,成功地制备了玻璃纤维(GF)体积分数高达48vol％的GF增强阴离子聚合尼龙6(APA-6)复合材料.研究了不同进料方式和压力、模具温度和纤维含量等工艺条件对GF/APA-...     

Mode I and mode II fracture toughness of E-glass non-crimp fabric/carbon nanotube (CNT) modified polymer based composites

In this study, mode I and mode II interlaminar fracture toughness, and interlaminar shear strength of E-glass non-crimp fabric/carbon nanotube modified polymer matrix composites were investigated. The matrix resin containing 0.1 wt.% of amino functionalized multi walled carbon nanotubes were prepared, utilizing the 3-roll milling technique. Composite laminates were manufactured via vacuum assisted resin transfer molding process. Carbon nanotube modified laminates were found to exhibit 8% and 11% higher mode II interlaminar fracture toughness and interlaminar shear strength values, respectively, as compared to the base laminates. However, no significant improvement was observed for mode I interlaminar fracture toughness values. Furthermore, Optical microscopy and scanning electron microscopy were utilized to monitor the distribution of carbon nanotubes within the composite microstructure and to examine the fracture surfaces of the failed specimens, respectively.     

纳米SiO2/聚苯硫醚和SiO2-玻璃纤维/聚苯硫醚复合材料的性能

利用纳米SiO₂改性聚苯硫醚（PPS）树脂及玻璃纤维（GF）/PPS复合材料,探究纳米SiO₂对PPS树脂及GF/PPS复合材料性能的影响规律。采用熔融共混工艺制备纳米SiO₂/PPS树脂,并采用热压成型方法制备纳米SiO₂-GF/PPS复合材料,利用SEM、DSC、DMA和力学测试表征不同纳米SiO₂含量的SiO₂/PPS和SiO₂-GF/PPS复合材料。结果表明：纳米SiO₂通过熔融共混工艺能够均匀分散在PPS基体中,并提高PPS结晶度和弯曲性能。添加1wt%纳米SiO₂有效提高了GF/PPS复合材料的力学性能：层间剪切强度提高49.4%,弯曲强度提高30.6%,弯曲模量提高14.6%。纳米SiO₂的添加可以提高GF/PPS复合材料的玻璃化转变温度,同时纳米SiO₂能够改善树脂基体韧性并阻碍裂纹的扩展。     

Interlaminar fatigue crack propagation in continuous glass fiber/polypropylene composites

The mode II interlaminar fatigue crack propagation behavior of unidirectional continuous glass fiber (GF) composites with a polypropylene (PP) matrix obtained under three different molding conditions has been studied with the use of the end-notch flexure (ENF) geometry. The microstructure and mechanical performance, especially the interlaminar fatigue crack propagation, are strongly affected by the molding conditions. Comparative results reveal a major influence of the fiber–matrix interface and the matrix morphology on the crack propagation resistance. The distribution of the ductile amorphous PP phase in the semi-crystalline PP matrix appears to be the controlling parameter determining the fatigue crack propagation resistance of the PP/GF composite. Fractographic observations clearly showed the role of this phase.     

玻璃纤维/环氧乙烯基酯树脂复合材料的层间增韧及其低温下低速冲击性能

采用真空辅助成型工艺(VARI)制备了四种无纺布(聚酰胺(PA)、聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、共聚酯(PEs))层间改性的玻璃纤维/环氧乙烯基酯树脂(GF/EVER)复合材料层合板.在温度为20℃下进行落锤冲击实验,对比分析了不同层间改性的GF/EVER复合材料层合板的低速冲击响应特性和...     

Mechanical Properties and Interlaminar Fracture Toughness of Glass‐Fiber‐Reinforced Epoxy Composites Embedded with Shape Memory Alloy Wires

The effects of the content and position of shape memory alloy (SMA) wires on the mechanical properties and interlaminar fracture toughness of glass‐fiber‐reinforced epoxy (GF/epoxy) composite laminates are investigated. For this purpose, varying numbers of SMA wires are embedded in GF/epoxy composite laminates in different stacking sequences. The specimens are prepared by vacuum‐assisted resin infusion (VARI) processing and are subjected to static tensile and three‐point‐bending tests. The results show that specimens with two SMA wires in the stacking sequence of [GF₂/SMA/GF₁/SMA/GF₂] and four SMA wires in the stacking sequence of [GF₄/SMA/GF₂/SMA/GF₄] exhibit optimal performance. The flexural strength of the optimal four‐SMA‐wire composite is lower than that of the pure GF/epoxy composite by 5.76% on average, and the flexural modulus is improved by 5.19%. Mode‐I and II interlaminar fracture toughness tests using the SMA/GF/epoxy composite laminates in the stacking sequence of [GF₄/SMA/GF₂/SMA/GF₄] are conducted to evaluate the mechanism responsible for decreasing the mechanical properties. Scanning electron microscopy (SEM) observations reveal that the main damage modes are matrix delamination, interfacial debonding, and fiber pullout.

     

用共编纱制备热塑性复合材料

介绍了一种制备增强纤维/热塑性纤维混杂纤维束的新方法——共编法,通过改变编织工艺参数、纤维丝束大小、纤维种类、编纱和轴向纱的数量等制备了一系列GF/PP共编纱。以此共编纱,成功地制备出GF/PP复合材料板材,并研究了成型压力、成型温度以及保温时间等对复合材料的预浸及板材质量的影响;同时,对增强纤维种类、丝束大小及其含量等对复合材料中空隙含量的影响也进行了研究;采用圆形模型探讨了GF/PP共编纱中树脂对玻璃纤维的预浸过程,提出了影响预浸效果的主要因素。