3D打印连续纤维复合材料工艺、结构优化研究进展

连续纤维增强复合材料由于优异的比强度、比刚度、可设计性和轻量化特质,日益受到航空航天等高端装备制造领域的青睐.3D打印技术的发展改变了连续纤维复合材料结构的生产制造流程,使复杂结构的自由成型成为可能,为先进结构材料提供了巨大的设计空间.为充分发挥先进材料性能优势和3D打印成型灵活性,研究人员分别从材料性能和结构设计出发,探索与3D打印连续纤维复合材料相适应的设计制造一体化解决方案,实现产品创新设计和性能提升.本文系统性地回顾了面向连续纤维复合材料性能分析、工艺改进和结构优化的研究工作,结合研究实践对连续纤维复合材料的结构多尺度优化方法进行总结分析,并对未来先进材料结构设计实时化、功能化、智能化的发展趋势进行探讨和展望.

连续纤维增强复合材料结构多尺度拓扑优化设计

连续纤维增强复合材料具有重量轻、比强度和比模量高的特点,日益受到航空航天等高端装备制造领域的青睐,同时连续纤维3D打印技术的发展使具有复杂几何构型和纤维分布的复合材料结构制造成为可能。为发挥复合材料多尺度的可设计性及获得更好的结构性能,本文基于独立连续拓扑变量提出了一种连续纤维复合材料结构多尺度拓扑优化方法。该方法引入基于主应力的纤维方向插值策略,解决纤维取向优化过程中易陷入局部最优的问题,实现连续纤维复合材料结构宏观拓扑、微观纤维方向和纤维疏密的并行优化设计。采用移动渐近算法(MMA)进行优化求解,数值算例证明了提出方法的有效性和稳定性,对连续纤维复合材料结构设计和路径规划具有指导意义。

连续纤维增强高孔隙复合材料的抗侵彻性能研究

为开展连续纤维增强高孔隙复合材料的侵彻防护性能,首先,用二级轻气炮发射Q235钢质弹丸,对连续纤维增强高孔隙复合材料开展弹道侵彻实验,计算了弹道极限,归纳和分析了其损伤的形态和模式,并将这种复合材料的侵彻防护性能与其他材料进行了比较;然后,对弹道侵彻连续纤维增强高孔隙复合材料进行了数值模拟,比较了剩余速度、损伤的形态和范围,模拟结果与实验结果吻合较好;进而通过观察有限元模拟的弹孔形态、应力分布和损伤分布等方式,对侵彻过程的损伤机理进行了分析。研究结果可为复合材料在防热、冲击防护与承受外载荷等多功能一体化的应用提供参考依据。

连续纤维增强热塑性复合材料嵌件注射成型研究进展

连续纤维增强热塑性复合材料的嵌件注射成型工艺通过结合连续和非连续纤维增强热塑性复合材料的优势,提升了产品的力学性能和生产效率,广泛应用于航空航天和新能源汽车领域。介绍了连续纤维增强热塑性复合材料嵌件注射成型工艺特点及应用,综述了材料体系、界面改性、工艺参数对嵌件注射成型制件界面结合性能和力学性能的影响。最后总结了嵌件注射成型复合材料目前研究存在的问题以及提升界面性能的方法,并对未来发展趋势进行了展望。

连续纤维增强树脂基复合材料绿色化技术的研究进展

连续纤维增强树脂基复合材料具有轻质、高强、性能可设计等特点,是航空装备轻量化不可或缺的重要结构材料。由于其主要采用热压罐成型技术制备,成型过程能耗高,热固性树脂回收利用难、成本高,难以满足低碳绿色发展的要求,因此开展可回收绿色复合材料、复合材料低能耗制造以及回收再利用等复合材料绿色化技术研究受到了越来越广泛的重视。笔者介绍了目前连续纤维增强复合材料绿色化技术的发展现状,并探讨了连续纤维增强复合材料绿色化技术的发展前景。

氧化铝连续纤维用前驱体溶胶的制备和可纺性研究

以铝(Al)粉和六水合氯化铝(AlCl_(3)·6H_(2)O)为Al源、中性硅溶胶(SiO_(2))为Si源,通过溶胶-凝胶法制备Al溶胶,再经浓缩、老化制得可纺性前驱体Al溶胶,研究物料配比、反应时间、浓缩温度及时间对制备Al溶胶的影响,以及浓缩、老化和稀盐酸(HCl)加入量对前驱体Al溶胶可纺性的影响,并测试了可纺性前驱体Al溶胶的流变性能。结果表明:在80℃水浴、电动搅拌转速为1000 r/min的条件下合成固含量为20%的Al溶胶,较佳的物料配比为Al粉/AlCl_(3)·6H_(2)O质量比11,较佳的反应时间为3 h;将固含量为20%、动力黏度(μ)为20 mPa·s的Al溶胶在80℃下浓缩5.0 h,再在28℃下老化40 h,可得到μ约60000 mPa·s且具有良好可纺性的前驱体Al溶胶;在可纺性前驱体Al溶胶的制备中添加稀HCl可有效抑制溶胶凝胶化,25 g Al溶胶中加入稀HCl 1.5 g较为合适;可纺性前驱体Al溶胶表现为切力变稀的假塑性流体,在温度为25~35℃、剪切速率为0~1000 s^(-1)时,溶胶的μ为50000~70000 mPa·s,具有良好的可纺性。

连续纤维三维打印喷头热流仿真与结构优化

针对连续纤维预浸丝打印过程中出现丝散和堵丝的现象,对典型熔融沉积喷头结构进行优化。利用有限元对喷头结构进行温度场仿真建模,分析加热块的厚度、加热块顶层到散热片底层之间喉管的长度、散热片长度和散热片直径4个核心参数与喷头结构温度场分布的关系模型。结果表明:通过降低加热块厚度和加热块顶层到散热片底层喉管长度,增加散热片直径,可提高散热效率并减少打印所需压力,解决连续纤维预浸丝打印过程中出现的丝散和堵丝问题。

建筑用钢-连续纤维复合筋的单向拉伸力学性能研究

为了研究建筑用钢-连续纤维复合筋的单向拉伸力学性能,以玄武岩纤维为连续纤维原料,缠绕螺纹钢筋制备钢-连续纤维复合筋,用万能试验机对该复合筋施加单调及反复的单向拉伸力,测试其应力-应变关系,以及抗压强度与弹性模量等性能。结果表明:钢-连续纤维复合筋的塑性变形能力良好,且在玄武岩纤维的质量分数为35%时,复合筋的内芯屈服后外包纤维呈现出显著二次刚度,说明其单向拉伸性能最优。在高温下钢-连续纤维复合筋仍能保持较高的抗拉强度与弹性模量,说明其高温单向拉伸性能较优,可作为建筑的重要用材。

风电叶片连续纤维环氧拉挤板力学性能评价方法

风电叶片连续纤维环氧拉挤板就是叶片主梁用到的连续纤维环氧体系拉挤板,增强用连续纤维包括玻璃纤维、碳纤维和碳/玻混纤维。针对风力发电叶片连续纤维环氧拉挤板力学性能方法进行了总结分析和探究,提出了连续纤维环氧拉挤板力学性能评价方法。介绍了拉伸、压缩、弯曲、层间剪切、面内剪切、拉剪和断裂韧性试验样品的制备方法,并按相关标准进行力学性能测试。试验数据和理想的试样破坏状态表明,这是一套很有效的评价连续纤维环氧拉挤板力学性能的方法。

连续纤维复合材料3D打印纤维排布影响分析

连续纤维增强热塑性复合材料(CFRTPCs)3D打印技术可以缩短CFRTPCs部件的开发周期并提高生产效率。为研究不同纤维排布对CFRTPCs 3D打印样件拉伸性能的影响,设计了三种增强层分布的CFRTPCs拉伸样件和六种层内纤维铺设角度不同的拉伸样件,并对样件拉伸损伤失效过程进行实验和仿真。实验结果表明,样件刚度和极限抗拉强度随纤维体积分数的增大均有提升,载荷方向与纤维排布间角度增大时样件弹性模量急剧下降;在设计连续纤维复合材料构件过程中,需适当提高纤维含量,减小纤维与载荷间夹角以提高性能。

连续纤维增强陶瓷基复合材料在航空发动机上的应用

阐述了连续纤维增强陶瓷(SiC)基复合材料的优势与存在的问题,重点介绍了国内外对与其相关的增强纤维、构件制备工艺、构件制备的研究进展。

连续纤维复合材料电池包上盖的设计研究

轻量化技术可有效提高新能源汽车续航能力和驾驶性能,已被广泛应用于汽车的生产制造中。连续纤维复合材料在比强度、比刚度、热膨胀系数与抗疲劳性能等方面比传统金属更具有优势,开启了轻量化新时代。文章以新能源汽车核心部件电池包为研究对象,基于高压树脂传递模塑成型(HP-RTM)工艺,根据碳纤维复合材料与玻璃纤维复合材料的材料特点,对电池包上盖进行了轻量化设计。通过结构优化、工艺优化、连接方式优化等技术手段完成了电池包上盖的轻量化量产方案。电池包样机测试结果表明,采用碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料制作的电池包上盖可以有效提升电池包结构的强度、刚度以及耐疲劳性,综合减重达50%以上。文章所述的连续纤维复合材料轻量化设计方案也可为汽车其他零部件设计提供指导。

连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料研究

采用化学气相浸渗法制造了连续碳纤维和碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料 ,并对复合材料的显微结构和力学性能进行了研究 .C/SiC和SiC/SiC复合材料的密度分别为 2 .1g/cm3和 2 .5 g/cm3,在断裂过程中表现出明显的非线形和非灾难性的断裂行为和规律 .C/SiC和SiC/SiC弯曲强度分别为 45 0MPa和 860MPa ,从室温至 160 0℃强度不发生降低 ;断裂韧性为 2 0MPa·m1 / 2 和 41.5MPa·m1 / 2 ,断裂功为 10kJ·m- 2 和 2 8.1kJ·m- 2 ,冲击韧性为 62 .0kJ·m- 2 和 3 6.0kJ·m- 2 .C/SiC和SiC/SiC复合材料具有优异的抗热震性能 ,经 13 0 0℃ 3 0 0℃ ,5 0次热震后 ,强度保持率高达 96.4% ,热震不是材料性能损伤的控制因素 .而SiC/SiC复合材料优异的抗氧化性能 ,对温度梯度不敏感 .

连续纤维补强增韧碳化硅基陶瓷复合材料研究进展

连续纤维补强增韧碳化硅基陶瓷复合材料具有密度低、强度和韧性高、抗氧化、耐高温等综合性能,已在国外宇航领域得到了广泛的应用。综述了国内外连续纤维补强增韧 C/SiC 陶瓷复合材料的研究进展,主要包括国内外在增韧机理、基体复合技术、界面技术以及应用等方面的研究进展情况。

连续纤维增强热塑性树脂预浸料的研究进展

本文总结了连续纤维增强热塑性树脂预浸料的发展及应用,分析了热塑性预浸料可选择的增强纤维和基体树脂,以及国外商业化热塑性预浸料的进展;讨论了热塑性预浸料不同制备技术的优缺点,重点阐述了熔融浸渍工艺实施的难点,并指出熔融浸渍和薄膜层叠法相结合的工艺是比较适合制备热塑性预浸料的成型方法。

由醋酸锆前驱体制备ZrO_2连续纤维的过程及研究

为了制得耐高温、高强度的氧化锆连续纤维，利用新制醋酸锆作为前驱体，通过溶胶－凝胶法合成含有Ｚｒ－Ｏ长链的溶胶，干法纺丝，制备ＺｒＯ２连续纤维．研究了醋酸锆的光谱和热学性质，并对烧结后的纤维做扫描电镜观察、ＸＲＤ分析和纤维抗拉强度的测试．测试结果表明醋酸锆前驱体溶胶中含有以Ｚｒ－Ｏ为骨架的长链，具有良好的可纺性和稳定性．直径在十几个微米以下的连续纤维具有一定的强度和韧性，添加 ５ｍｏｌ％的 Ｙ２Ｏ３可将 ＺｒＯ２的晶相稳定在四方相．

连续纤维增强热塑性复合材料制备与熔融浸渍机理研究

介绍了4种连续纤维增强热塑性复合材料制备技术及这些方法的优缺点,针对具有工业化前景的熔融浸渍法,根据流体力学理论和Darcy定律,建立了基于物性参数、工艺参数和结构参数的连续纤维束熔融浸渍模型,并对模型进行了求解;结合理论研究和实验研究,分析了物性参数、工艺参数和结构参数对纤维浸渍效果的影响。分析结果表明,聚合物黏度和模具结构参数是影响纤维浸渍效果的关键参数。

玄武岩连续纤维的产业化开发

全面介绍了国内外玄武岩连续纤维开发与生产的进展.对我国当前玄武岩连续纤维产业化过程中的工艺、设备、原料的开发,玄武岩连续纤维的性能、应用前景及其技术经济指标等问题进行了分析.

连续纤维增强陶瓷基复合材料概述

八十年代以来 ,连续纤维增强陶瓷基复合材料以其优异的性能特别是高韧性 ,得到世界各国的极大关注和高度重视 ,并取得令人瞩目的发展。纤维增强陶瓷基复合材料已开始在航空、航天、国防等领域得到应用。本文从复合材料的增韧机制、制备方法。

PP-g-MAH对连续纤维增强聚丙烯复合材料性能影响的研究

采用熔融浸渍方法制备了连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料。通过材料孔隙率、弯曲与层间结合强度、动态热机械性能(DMA)以及扫描电子显微镜(SEM)观察,分别研究了不同聚丙烯接枝马来酸酐(PP-g-MAH)含量预浸料的浸渍情况、力学性能以及界面结合状况。实验结果表明:PP-g-MAH的加入能够有效改善纤维与树脂的界面结合,提升材料性能。