复合材料热压-注塑一体成型技术综述

纤维增强的树脂基复合材料具有比强度较高、比模量较高、质量较轻等特点,在汽车、航天航空、建筑、新能源开发领域中得到广泛应用。在保证零部件使用性能及行驶安全性的前提下,开发汽车轻量化技术,实现整车减重是整个工业领域共同追求的目标。结合连续纤维增强的树脂基热压件与注塑件组合成型,提出了一种热压-注塑一体的成型新工艺。综述了纤维增强的热塑性树脂基复合材料热压-注塑一体成型技术的研究进展,简要介绍了一体成型工艺不同于传统两步成型法的优势与应用,详细阐述了热压-注塑一体成型关键技术的研究现状,最后,对热压-注塑一体成型技术的发展前景进行展望。

热压型煤成型条件优化试验研究方法

针对当前煤矿瓦斯动力学物理模拟试验中型煤材料存在低强度和高渗透率问题,建立了一套热压型煤成型条件优化试验研究方法。首先,自主研发了热压型煤试验系统,并对试验系统优势和今后改进方向进行了汇总,同时基于Horsfield致密堆积理论创建了型煤材料最优配制方案,最后形成了以马氏距离度量法和黄金分割法相结合的成型条件优化方法。为了验证试验方法的效果,通过控制成型温度为311.8℃、升温速率为5℃/min和保温时间为5.3 h,开展了不同成型压力条件下热压型煤试验研究,研究了不同成型压力条件下的热压型煤微观结构、物理力学特性和渗透特性等响应特征。结果表明:增加成型压力,总孔隙度逐渐减小,单轴抗压强度呈先增大后减少的变化趋势,破坏形式以块状剥落和纵向破裂为主,初始渗透率呈先减小后增大、最小渗透率则呈先减后增再减的变化趋势。以各成型条件的具体数值为试验点、热压型煤和原煤的关键参数为评价参量构建样本矩阵,计算各成型条件下热压型煤和原煤之间的马氏距离,再结合黄金分割法对试验区间进行优化求解,优化后的最佳成型压力为80 MPa,在此成型条件下制作的热压型煤密度、单轴抗压强度和初始渗透率分别为1.137 g/cm^(3)、12.21 MPa、1.32×10^(-15)m^(2),与原煤的1.132 g/cm^(3)、12.83 MPa、1.08×10^(-15)m^(2)相似性极高,达到了提高型煤强度、降低型煤渗透率的目的。

复合材料热压罐成型模具结构参数对温度场的影响

固化过程中热压罐内温度场分布的均匀性对于复合材料的结构性能、强度等方面具有重要影响。本文以目前航天制造业中广泛使用的用于制作复杂大型结构件的框架式模具作为研究对象,在COMSOL中建立了热压罐框架式模具在固化过程中的非定常三维温度场,研究了模具的不同筋板厚度和通风孔尺寸的情况以及型面下方半圆形散热孔存在与否的情况对模具型面温度场均匀性的影响。对比支撑筋板厚度分别为10,8,6和4 mm模具的温度标准差曲线发现:减小支撑筋板厚度可增加型面温度场均匀性,但模具整体稳定性随着筋板厚度变薄而迅速降低,更易发生受压失稳现象;对比纵向通风孔尺寸为130 mm×220 mm、150 mm×220 mm、170 mm×220 mm和190 mm×220 mm模具的温度标准差曲线发现:适当加宽筋板通风孔尺寸可提高型面温度场的均匀性,但宽度170 mm与190 mm的曲线基本重合,影响已不明显;同样型面下方散热孔的存在可以提高型面温度场的均匀性。

二次热压实作用对乳化沥青冷再生混合料性能的影响

为了量化分析现场二次热压实作用对乳化沥青冷再生混合料性能的影响,基于常规力学性能试验、Overlay Tester反射裂缝试验、低应变水平下的四点弯曲疲劳试验,对比分析了现场铺筑上覆热拌沥青混合料前后乳化沥青冷再生芯样与室内马歇尔试样的力学性能差异。量化分析了现场二次热压实作用对乳化沥青冷再生混合料力学性能及耐久性能的增强效果,并基于工业CT无损检测技术,分析了现场二次热压实作用对乳化沥青冷再生混合料微细观空隙结构的影响规律。结果表明:现行规范推荐的马歇尔二次击实方法并不能很好地模拟现场实际压实状况,现场二次热压实对乳化沥青冷再生混合料力学性能、抗反射裂缝性能和抗疲劳耐久性能均有明显增强作用;现场压实乳化沥青冷再生混合料内部的大空隙数量和等效空隙直径均小于马歇尔击实成型,二次热压实作用对乳化沥青冷再生混合料空隙级配影响显著;现场二次压实作用对乳化沥青冷再生混合料力学性能和疲劳性能的改善机理在于二次压实作用增强了乳化沥青冷再生混合料密实度,降低了微细观空隙直径,改善了微细观空隙级配。

热压烧结工艺对SmCo_(7)/α-(FeCo)复合永磁材料的结构和磁性能的影响

通过传统粉末冶金技术,结合热压烧结法制备了SmCo_(7)/α-(FeCo)复合永磁材料,研究了热压烧结工艺对其磁性能的影响规律。在固定压力100 MPa下,调控热压烧结温度由800℃升高到1000℃,SmCo_(7)/α-(FeCo)合金的相组成由三相变为两相;其中软磁相含量由31.5wt%降低到5.1wt%。软磁相α-(FeCo)的晶粒尺寸由15μm增加到34μm,其形貌由球形向圆盘状转变。在热压温度900℃时SmCo_(7)/α-(FeCo)复合永磁材料的磁性能最佳。基于优化的900℃热压温度下,我们进一步研究了压力对复合永磁材料的结构和性能影响;烧结压力的增加可以有效促进其硬磁相SmCo_(7)的(002)织构,增强其各向异性和硬磁相SmCo_(7)晶粒的取向度。在优化的热压烧结温度900℃和压力200 MPa下,我们制备出具有较高性能的SmCo_(7)/α-(FeCo)复合永磁材料,其剩磁、矫顽力和磁能积分别为12.6 kG、5.2 kOe和26.0 MGOe。与传统的机械合金化法制备的SmCo基复合永磁材料相比,单轴热压烧结法制备的SmCo_(7)/α-(FeCo)综合磁性能显著提高。本文采用单轴热压法系统研究了高温-高压对SmCo基复合永磁体结构和磁性能的影响,获得了性能优异的复合永磁体,为SmCo基复合永磁体性能提升和工业应用提供了理论依据和技术指导。

低品位脉石英热压浸出工艺动力学研究

为解决低品位脉石英中杂质元素含量高的问题,采用湖北蕲春灵虬山脉石英为原料,研究了液固比、反应时间和反应温度对杂质去除效果的影响。结果表明,经过热压浸出工艺提纯后,石英砂SiO_(2)含量(质量分数,下同)由97.766%增至99.974%,主要金属元素杂质的去除率显著提高。阿弗拉米动力模型表明,杂质去除过程受内扩散和化学反应共同控制。研究结果为优化脉石英的提纯工艺提供了理论依据和实践指导。

热压法制备多孔氮化硅陶瓷

以CaF_(2)作为α-Si_(3)N_(4)粉末的烧结助剂,同时充当多孔氮化硅陶瓷的造孔剂,采用热压烧结工艺在较低温度下制备多孔氮化硅陶瓷。研究烧结助剂的含量对多孔氮化硅陶瓷显气孔率、抗弯强度的影响,分析材料的组分并观察断口结构。结果表明:在温度1450℃,压力0.55T的条件下,当CaF_(2)添加量为6.0wt%时,多孔陶瓷的性能较为优异,其孔隙率为38.8%,α-Si_(3)N_(4)→β-Si_(3)N_(4)的相变程度为38.5%,抗弯强度为137.1 MPa。

工艺参数对热塑性复合材料热压成型L形构件褶皱缺陷的影响

针对热塑性复合材料构件热压成型工艺产生褶皱缺陷问题,本文基于ABAQUS有限元软件建立了热塑性复合材料L形构件热压成型数值仿真分析方法,通过层合板力学性能和热物性能测试确定仿真分析所需材料参数,并通过试验验证了建立的仿真分析方法能够用于褶皱缺陷研究,在此基础上探究了层合板预热温度、模具初始温度和支撑弹簧刚度3个工艺参数对L形构件热压成型后褶皱缺陷的影响规律。结果表明:(1)层合板预热温度越高,模具初始温度越低,L形构件出现褶皱缺陷的区域越大,层合板预热温度为380℃时,模具初始温度为180℃时,褶皱缺陷的区域最小;(2)弹簧刚度过大或者过小,褶皱缺陷的区域都会增大,弹簧刚度为1.2 N/mm时,褶皱缺陷的范围最小。

植物展览温室热压自然通风降温预测模型应用

展览温室作为植物展示和生长的空间,常常面临温室效应和过热的问题。在展览温室的初步设计阶段,以经验公式得到的开口流量系数,用于展览温室自然通风计算是不严谨的。文中以上海某展览温室为例,结合室内热量平衡与自然通风理论,建立了基于热量平衡的自然通风数学模型,并采用CFD数值模拟方法对窗口流量系数进行校核。最终通过全尺寸数值模拟验证了展览温室的自然通风预测模型。研究结果对于植物园展览温室的自然通风预测具有指导意义。

基于热压罐成型工艺的碳纤维发动机罩制造技术

为了试制合格的碳纤维发动机罩产品,解决制造过程中的技术问题,采用计算机辅助工程(CAE)分析方法对产品进行结构优化与仿真分析,确定制造技术方案,优化产品铺层技术数据、热压罐成型技术参数及模具工装开发方法,获取碳纤维复合材料产品的开发技术规范及工艺试制经验。碳纤维复合材料产品的开发及工艺制造过程复杂,技术规范与试制经验对产品质量有较大影响。

煤基对热压式沥青混合料路用性能探究

本文以70号基质沥青为主要原料,掺加煤基制备热压式沥青混合料,通过车辙试验、浸水马歇尔试验和低温小梁弯曲试验等,测试和评价了热压式沥青混合料的路用性能,分析了煤基对热压式沥青混合料性能的影响。研究结果表明,热压式沥青混合料与AC-20相比,细集料用量更多,结构更加密实,加入煤基后,沥青混合料的高温性能和水稳定性能有所提高,低温性能有所降低。在本次研究中,热压式沥青混合料最佳油石比为5.2%,煤基掺量为25%。

真空热压烧结铌酸锂压电陶瓷研究

采用真空热压烧结法对铌酸锂粉体进行烧结制备铌酸锂压电陶瓷,通过改变烧结温度、保温时间来确定最佳烧结方案;对烧结样品的密度、显微结构、物相组成、压电和介电等性能进行了测试。研究表明:在烧结温度900℃、保温时间120 min、压力35 MPa条件下制备的铌酸锂压电陶瓷致密度最高(4.62 g/cm^(3)),同时其压电常数d_(33)达最大(8.7 pC/N),相较于传统固相烧结法及CO_(2)激光烧结法,其压电常数分别提高7.9 pC/N和2.7 pC/N。当测试频率介于1 kHz~1 MHz时,不同制备条件下铌酸锂压电陶瓷的介电常数均呈现迅速下降后趋于稳定的趋势。

热压处理对气相合金化法制备的镁锌合金显微组织和耐蚀性的影响

为了有效改善镁合金的性能,探究在冷凝和热压2种状态下,锌对镁合金的显微组织和腐蚀行为的影响,采用气相合金化法制备出Mg-Zn二元合金,并通过光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、电子扫描显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDX)以及电化学工作站等手段进行研究和分析。结果表明:冷凝态和热压态的合金的物相均由α-Mg,MgZn,Mg_(7)Zn_(3)以及MgZn_(2)相组成。经300~360℃、压力为10 MPa条件下热压40 min后,合金的显微组织更均匀化、更致密,且逐渐形成条状组织;随着热压温度的升高,合金的腐蚀电流密度下降,耐蚀性增强。当热压温度为320℃,时间由4 h延长到12 h后,合金的塑性变形程度明显增大,析出细小的Mg_(7)Zn_(3)相增多,且分布均匀,合金的耐蚀性降低。

硼/碳热还原结合热压烧结原位制备ZrB_(2)陶瓷及其性能研究

为降低制备成本,提高ZrB_(2)陶瓷的性能,以ZrO_(2)、B_(4)C、炭黑为原料,按n(ZrO_(2))∶n(B_(4)C)∶n(C)分别为2∶1∶3、2∶1.1∶3、2∶1.2∶3、2∶1.3∶3配料,采用硼/碳热还原结合热压烧结法原位制备了ZrB_(2)陶瓷。利用反应热力学计算了不同CO分压(10^(5)、10^(2)、1和10^(-2)Pa)下ZrO_(2)-B_(4)C-C体系中各反应发生的概率和起始反应温度。研究了原料配比和热处理温度(1800、1850、1900和1950℃)对ZrB_(2)陶瓷试样性能、物相组成和显微结构的影响。结果表明:1)低CO分压显著降低该体系中各反应的起始温度;2)随B_(4)C加入量的增加,ZrB_(2)相含量增多,当n(ZrO_(2))∶n(B_(4)C)∶n(C)=2∶1.2∶3时,制备出氧含量仅为0.333%(w)的ZrB_(2)粉(以B_(2)O_(3)和ZrO_(2)的形式存在);3)随热处理温度的升高,试样的致密度和硬度逐渐增大,弯曲强度和断裂韧性呈先上升后下降的趋势。当热处理温度为1900℃时,试样的综合性能最佳,其相对密度、断裂韧性、弯曲强度和硬度分别为91.75%、4.87 MPa·m^(1/2)、525 MPa、18.6 GPa。

Mg_(0.27)Al_(2.58)O_(3.73)N_(0.27)透明陶瓷的热压/热等静压烧结制备与性能

MgAlON透明陶瓷具有优良的光学与机械性能,在军用和民用领域均具有重要的应用潜力。本研究探索了MgAlON透明陶瓷的热压/热等静压工艺,使用BN材料解决热压烧结碳污染的问题,制备了光学性能优异的Mg_(0.27)Al_(2.58)O_(3.73)N_(0.27)透明陶瓷,并进一步表征了其直线透过率、维氏硬度、断裂韧性以及室温弯曲强度等性能。BN包裹样品有效隔离了高温烧结中的碳污染,Mg_(0.27)Al_(2.58)O_(3.73)N_(0.27)透明陶瓷在650 nm处的直线透过率从36.51%提高到73.74%。与无压烧结相比,热压结合热等静压烧结Mg_(0.27)Al_(2.58)O_(3.73)N_(0.27)透明陶瓷具有更加优异的力学性能,其弯曲强度为387.12 MPa,断裂韧性为(3.31±0.20)MPa·m^(1/2),硬度为(15.3±0.7)GPa。本研究可为MgAlON透明陶瓷的性能提升和工程化制备提供重要参考。

聚合物微针阵列热压印成型仿真与试验研究

【目的】针对聚合物微针阵列热压印成型过程中充型不完整、脱模后继续变形和应力集中等问题,将成型仿真与试验相结合,探究热压印成型参数对残余应力与平均填充深度的影响,以满足高精度批量制造聚合物微针阵列的需求。【方法】在聚合物材料热-机械性能研究的基础上,建立微针阵列的有限元模型,分析热压印温度、热压印速率和下压量等成型参数对残余应力及其分布的影响,进行热压印成型试验,探讨相关成型参数对微针成型的影响,对比分析了平均填充深度仿真与试验值。【结果】随热压印温度的升高,最大成型应力呈先降后升的趋势;随热压印速率与下压量的增加,最大成型应力均呈增大的趋势;除热压印温度高于125℃之外,平均填充深度的仿真值与试验值变化趋势一致,且仿真值均高于试验值。此外,还获得了适用于聚苯乙烯微针阵列的最佳热压印参数,即热压印温度125℃、热压印速率10μm/s、下压量2.6 mm。【结论】在一定温度范围内,该数值仿真结果具有较高的指导意义,聚苯乙烯微针阵列结构的残余应力与平均填充深度具有较为敏感的温度与时间相关性。

升温速率对热压型煤微结构演化规律及力学、渗流特性的影响

煤矿瓦斯灾害物理模拟实验中,型煤材料制作方法是影响其强度和渗透率的关键因素。引入Horsfield致密堆积理论优化型煤材料的配比,对不同升温速率下热压型煤的力学-渗流特性开展研究,并考察不同升温速率对其分子结构和孔隙结构影响。结果表明:随着升温速率的增加,热压型煤的C1s元素占比、分子结构官能团中醇、醚基(C—O/C—OH)和芳香烃、脂肪碳(C—C/C—H)含量呈先增后减再增规律;单轴抗压强度呈先增大后减小规律,而初始渗透率呈先减小后增大的趋势;最优升温速率为5℃/min。研究成果对提高型煤与原煤的相似性具有指导意义。

动态再结晶对纯镍热压连接界面结合率的影响

为研究热压连接过程中显微组织演化与连接界面结合效果的关系,以纯镍试棒为载体进行单向热压模拟实验。通过采用不同温度和变形速率的组合,触发不同类型的不连续动态再结晶;对热压后的试棒进行室温拉伸测试和显微组织表征。结果表明:纯镍在动态再结晶过程中,当热压温度高至1100℃和热压变形速率低至0.001 s^(-1)的组合易于触发晶界弓出的再结晶方式,分体试棒连接界面的迁移效应显著,得到高的结合率;而当热压温度低至800℃和热压变形速率高至0.01 s^(-1)时易于产生亚晶合并的再结晶方式,其对界面迁移的影响相对较弱,分体试棒的界面结合率较低。亚晶合并耦合多相场法的界面迁移模型分析同样表明,亚晶合并形核仅能消除小角度晶界,而对大角度晶界(如连接界面)的消除效果较弱。

微热压成形石墨件的快速碳化工艺

针对石墨件在碳化过程中易开裂的问题,基于多材料组装技术原理,提出在石墨粉末微热压成形过程中构造烧蚀性二维有机物网络以形成排气通道、避免开裂的方法。研究了碳化速率、石墨件径向尺寸及网络结构、分布方式对石墨件成形质量和力学性能的影响。结果表明:较快的碳化速率会加剧有机物热解,开裂的现象越明显,较大径向尺寸的石墨件气体逸出阻力越大;提高有机物网络密集度有助于改善排气效果,但对石墨件力学性能产生不利影响;在有机物网络沿成形高度方向的布置中,当间距为10 mm时,石墨件不出现裂纹。采用优化的工艺制备的石墨件结构完整,经过浸渍增强后其抗压强度达到15.8 MPa,Z轴导热系数仅为1.894 W/(m·K),综合性能与水玻璃型砂相当,在铸造行业有广泛应用前景。

应用响应面法优化超薄高密度纤维板饰面胶合板的热压工艺参数

为提高超薄高密度纤维板饰面胶合板的性能,利用响应面法(Box-Behnken)优化其热压工艺参数。以杨木单板(替代胶合板)、超薄高密度纤维板为试验材料,以热压温度(120、130、140、150、160℃)、热压时间(50、100、150、200、250 s)、热压压力(0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 MPa)为影响因素,以超薄高密度纤维板饰面表面胶合强度、浸渍剥离长度为评价指标,采用单因素试验分析热压工艺(热压温度、热压时间、热压压力)对超薄高密度纤维板饰面的表面胶合强度和浸渍剥离长度的影响;采用响应面法设计多因素正交旋转组合试验,对试验设计范围内的影响因素进行优化热压参数组合、确定最优工艺参数。结果表明:热压温度对表面胶合强度的影响极显著,热压温度和热压压力对浸渍剥离长度影响极显著,热压时间和热压压力对浸渍剥离长度有显著的协同作用,共同影响板材的性能;试验范围内的最优工艺参数:热压温度150℃、热压时间210 s、热压压力0.8 MPa,板材的表面胶合强度为1.49 MPa、浸渍剥离长度为15 mm。