自动铺放成型热塑性复合材料的非等温结晶动力学研究

利用差示扫描量热仪结合Avrami方程研究玻璃纤维增强聚丙烯复合材料自动铺放成型过程非等温结晶动力学,推导非等温结晶动力学模型,并通过构建冷压辊下方铺层的冷却模型,将结晶动力学模型和传热模型相结合,设定自动铺放成型过程中的冷却条件,探讨冷却速率及冷却时间对基体材料结晶行为的影响,求解出不同冷却速率下的最大铺放速率。研究结果表明:铺层树脂基体的结晶度随冷却速率的增大而依次减小;随着冷却速率的提高,树脂结晶起始温度和结晶完成温度均向低温方向移动,且树脂相对结晶度随温度变化规律接近反S形曲线;自动铺放成型实验件的压缩强度及层间剪切强度随着铺层结晶度的增大基本呈增大趋势,而冲击强度与铺层结晶度的变化趋势完全相反,随着结晶度的增大,材料韧性越差。

NY9200GA树脂体系预浸料自动铺放粘结性工艺研究

为研究NY9200GA环氧树脂体系预浸料的自动铺放粘结性工艺特性,采用自行设计的预浸料粘结性测试装置,通过单因素试验,研究不同铺放工艺条件下预浸料的层间粘结性变化规律;运用正交试验法确定各铺放工艺参数对粘结性的影响程度。结果表明,随着铺放温度的升高,预浸料层间粘结性先增大后降低,在温度为40℃时粘结性出现峰值;铺放压力的增大和速度的减小均会增加预浸料层间的粘结性;温度对预浸料层间粘结性值的影响最大,压力的影响次之。此外,预浸料层间粘结性与放置时间和纤维方向有关,在室温环境中存放的时间越长,预浸料层间的粘结性越低;随着相邻铺层间纤维夹角的增加,预浸料层间粘结性也逐渐增加,其中0°/90°铺层间粘结性是0°/0°的近两倍。

X-cor夹层结构的有限元模型

结合有限元模型中对Z-pin的处理方式,提出整体式、组合式以及分离式3种计算模型,分析其适用性及优缺点。在桥联力实验和Z-pin从泡沫拔脱实验研究的基础上,提出分离式有限元模型,引入双弹簧联结单元来揭示Zpin和泡沫及面板之间相互作用的细观机理;其中平行于Z-pin单元接触面的弹簧(刚度)用来模拟计算界面相对滑移和粘接应力,垂直于单元接触面的弹簧(刚度),用于定义层压板、泡沫与Z-pin法向的接触,实现了X-cor夹层结构力学行为和界面失效的有限元仿真计算。

Fe_3O_4对微波扫描快速成形复合材料固化速率及性能的影响

为实现大型复合材料构件损伤的微波扫描固化快速修补,提出选择吸波性能优异的Fe_3O_4作为环氧E51+DDM体系的微波吸收剂,利用超声设备对Fe_3O_4粉体进行分散,研究了Fe_3O_4添加量对微波扫描固化速度的影响并探索其增速机理;在此基础上制备Fe_3O_4体系的玻纤/环氧复合材料试验件,研究了添加Fe_3O_4对玻纤增强复合材料热、力学性能的影响。研究结果表明:Fe_3O_4的加入提高了体系的吸波能力进而加快体系的反应速率,且在添加量为1%时对体系的增速效率最高,与纯环氧体系相比其固化时间缩短了24%;与未加Fe_3O_4纯体系相比,添加1%Fe_3O_4环氧体系的玻璃化转变温度提高了1.5℃,拉伸模量提高了5.8%,但两者的拉伸强度相当,弯曲强度及短梁剪切强度分别提高了9.0%和6.5%。

干铺丝预制体的液体成型工艺研究

为解决RTM类成型工艺中的预制体制备及定型问题,在国内率先开展对干铺丝-液体成型工艺的研究,主要研究内容为液体成型过程工艺参数影响机制及制件的力学性能。采用单因素法确定液体成型时预制体粘结剂含量、注胶温度、充模时间的影响机制,再通过正交法确定了最佳工艺组合,最后就层间剪切与弯曲性能与模压工艺进行比较。实验结果表明,液体成型过程中,树脂的流动充模会受到工艺参数不同程度的影响,注胶温度的影响最大,充模时间影响甚微,通过正确的工艺组合可以减少孔隙等缺陷,保证复合材料的内部质量。力学性能测试表明,干铺丝-液体成型工艺的力学性能水准与模压工艺持平,其中弯曲强度略有降低。

变厚度树脂基复合材料构件固化变形数值模拟与影响因素分析

通过层间丢层形成的变厚度树脂基复合材料构件具有减材减重、可刚性裁剪等优点,常应用于机翼结构等重要位置。但层间丢层会导致构件内部的不连续性,并使构件在固化后产生不均匀残余应力,脱模后发生复杂固化变形。针对变厚度复合材料构件的固化变形预测问题,现有研究多采用等效材料性能参数的建模方法,尚未考虑其树脂口袋等结构特点。本文基于分层建模方法,在丢层位置引入树脂口袋结构,建立了变厚度构件固化变形数值仿真模型。通过与传统等效建模方法、传统分层建模方法及实验的结果比较,本文模型最大翘曲变形模拟值的误差与实验值误差仅为1.01×10^(-2)mm,且变形趋势一致,验证了模型的有效性和准确性。并分析了不同丢层方式、过渡区斜率、厚薄比对变厚度构件固化变形的影响规律,其中离散丢层的构件变形最小,重叠丢层的构件变形最大,且增加过渡区斜率和降低厚薄比可以有效降低其翘曲变形。

模压工艺对玻璃纤维增强聚丙烯复合材料层合板力学性能的影响

利用热模压工艺制备玻璃纤维增强聚丙烯(GF/PP)复合材料层合板,通过差示扫描量热(DSC)法试验分析,确定相变参数,运用ANSYS有限元分析,将复合材料热力学参数与温度的非线性关系定义到材料特性中,研究模压成型过程中温度场变化情况,为模压成型工艺制度的确立提供理论指导和依据。以压缩强度、层间剪切强度和冲击韧性作为力学性能评价指标,采用响应曲面法探讨和分析制备工艺对GF/PP复合材料层合板力学性能的影响,得到最优模压工艺制备参数,获得最高复合材料层合板力学性能,为GF/PP复合材料自动铺放奠定铺放工艺基础。试验结果表明:模压加热工艺参数对复合材料层合板力学性能的影响度(从大到小)依次为:热压温度、热压时间、热压压力。较优的模压加热工艺参数为:热压温度228℃、热压时间6min、热压压力1.1MPa,在此工艺条件下制备的GF/PP复合材料层合板,层间剪切强度为31.12 MPa,压缩强度为100.96 MPa,冲击韧性为2.27kJ/cm^2。

T700/PEEK热塑性自动铺放预浸纱制备质量控制及性能研究

为满足高性能热塑性复合材料自动铺丝(AFP)成型工艺的原材料需求,研究了粉末悬浮法浸渍制备T700/PEEK预浸纱关键工艺参数及预浸料性能,分析聚醚醚酮PEEK浸渍连续碳纤维过程中不同工艺参数(悬浊液浓度、超声功率、张力、牵引速率、浸渍温度、辊压温度及压辊间隙)对预浸纱质量的影响规律,利用扫描电子显微镜(SEM)观察T700/PEEK预浸纱内部孔隙率及界面结合状态,将粉末悬浮法制备的T700/PEEK预浸纱模压制备了热塑性复合材料单向层合板试样,并测试了其热塑性复合材料层间剪切强度和拉伸强度。研究结果表明:预浸纱含胶量与粉末悬浮液浓度变化线性正相关,且随超声功率的增大而升高;浸渍过程中伴随温度的升高以及牵引速率的减小,预浸纱宽度变小、孔隙率降低,随着张力的增大,预浸纱宽度增大、孔隙率降低;辊压成型过程中随着温度的提高以及压辊间隙的减小,预浸纱宽度增大、孔隙率降低。综合考虑各工艺参数的影响规律,获得优化的热塑性预浸纱制备工艺参数:浸渍温度为360~370℃,辊压温度为330℃,压辊间隙为0.1mm,牵引速率为15~20mm/s,张力为7N。扫描电镜结果显示树脂与纤维界面结合紧密,复合材料的孔隙率可降低至1.8%,复合材料层间剪切强度为73.43 MPa,纵向拉伸强度达1.71GPa。

Z-pin点阵分布对层合板面内压缩性能的影响

Z-pin三维增强技术能显著提高层合板层间性能,但会一定程度上引起层合板面内性能劣化。本文着重研究Zpin植入点阵分布对层合板的面内性能的影响,设计加工了在层合板中植入一定体积分数不同点阵分布的Z-pin增强层合板试样,并进行了面内压缩性能测试,获得了Z-pin的点阵分布对层合板面内压缩强度的影响规律,并利用有限元软件分析了Z-pin点阵分布对面内压缩强度的影响机制。研究表明,Z-pin的植入降低面内压缩强度的原因是其破坏了层合板中的部分承载纤维,层合板的压缩强度与垂直于加载方向截面上的Z-pin分布数量成反比;在层间增强要求允许条件下,Z-pin应尽量平行于面内载荷的承载方向植入。

Z-pin增强复合材料帽型单加筋板弯曲性能

针对复合材料帽型加筋壁板结构弯曲承载性能差的缺点,采用Z-pin增强技术提高弯曲承载性能。为研究Z-pin直径、体积分数、增强区长度对复合材料帽型加筋壁板弯曲性能的影响,制备了不同参数的Z-pin增强帽型加筋壁板试样并开展三点弯曲试验,对Z-pin增强机理及试样失效机制进行了分析。结果表明:随着体积分数的增加,由于Z-pin的桥联作用,Z-pin增强帽型加筋壁板弯曲性能提高,同时由于Z-pin植入产生的损伤增加,通过理论分析得到当Z-pin体积分数为2.6%时,弯曲峰值力达到最大值6.1kN;Z-pin直径对帽型加筋壁板弯曲峰值力影响不显著;当Z-pin增强区长度为总长度的48%时,Z-pin增强帽型加筋壁板弯曲峰值力与全部植入Z-pin时基本相当。

碳纤维增强环氧Z-pin拔脱性能

为了研究Z-pin层间增强的影响因素,采用Z-pin-浇注体拔脱实验分析了Z-pin埋入深度、直径和固化度对其拔脱性能的影响。采用Z-pin-浇注体与层合板的对比拔脱实验验证了Z-pin-浇注体拔脱实验表征Z-pin与被增强体的结合状态的可行性。Z-pin-浇注体拔脱实验结果表明,Z-pin的最大拔脱力随着埋入深度的增加而非线性增加;直径对拔脱力的影响主要体现在总接触面积的改变,最大拔脱力与Z-pin直径呈线性关系,其中直径0.7mm Z-pin的最大拔脱力是直径0.3mm Z-pin的2.35倍;控制Z-pin固化度,利用其与基体的共固化效应可以大幅地提高界面剪切强度,失效模式从界面脱粘转变成界面脱粘和基体树脂的内聚破坏的混合模式,最大拔脱力最高可以提高17倍。

碳纤维/酚醛树脂体系Z-pin加捻拉挤工艺及其性能

为了解决碳纤维/酚醛树脂体系Z-pin拉挤制品中的孔隙缺陷,实现耐烧蚀复合材料三维增强体的制备,在分析孔隙的形成与酚醛树脂的固化过程基础上,利用纤维加捻提高酚醛树脂固化压力进而改善Z-pin中的孔隙缺陷.研究表明:一定范围内,随着纤维捻度的增加,孔隙缺陷的尺寸与数量明显减少,Z-pin中树脂质量分数及可植入深度逐渐降低,而Z-pin抗压性能先提高后降低;碳纤维捻度为80捻/m时,Z-pin制品质量较好,树脂质量分数约为32%,可满足后续超声植入,常温下最大植入深度可达10mm.

Z-pin增强复合材料帽型加筋壁板接头拉伸性能

为了提高复合材料帽型加筋壁板结构中筋条与蒙皮界面处的连接强度,引入Z-pin三维增强技术。制备了Zpin增强帽型接头试样,并对其进行拉伸试验,研究Z-pin对帽型接头界面增强机理及不同Z-pin体积分数、直径及加载跨距对筋条与蒙皮界面处连接性能的影响规律。结果表明：Z-pin直径为0.5mm、植入角度为90°时,在体积分数0%～1.0%范围内,Z-pin增强帽型接头拉伸强度随着体积分数的增加而增加,增长趋势随体积分数增加而减缓,含1.0%Zpin增强帽型接头比未增强接头强度提高了31.2%,在体积分数1.0%～1.5%范围内,Z-pin增强帽型接头拉伸强度呈降低趋势;Z-pin直径对帽型接头拉伸强度影响不显著;随着加载跨距的增加,含0.5%（直径0.5mm）Z-pin增强帽型接头伴随有失效模式转变,拉伸强度呈现降低趋势。

Z-pin增强树脂基复合材料单搭接接头抗冲击性能

为了研究Z-pin增强树脂基复合材料接头的抗冲击性能,制备了Z-pin增强单搭接接头冲击试样。对比不同树脂体系Z-pin/层合板界面裂纹扩展,分别通过Z-pin拔脱试验和接头剪切试验研究Z-pin冲击后拔脱强度和单搭接接头冲击后剪切强度;结合有限元模拟和超声C扫描研究搭接面分层损伤情况。结果表明,相同冲击能量下,环氧Z-pin/环氧层合板界面抗冲击性更强,冲击能量越大,裂纹扩展越显著;Z-pin增强树脂基复合材料显著减小分层损伤面积,提高冲击后剪切强度,体积分数为1.5%、直径为0.5mm的Zpin增强层合板分层损伤面积仅为40%,冲击后剪切强度的下降率仅为24.89%。随着Z-pin体积分数增加,搭接面损伤面积逐渐减小,冲击后剪切强度先增加后降低;随着Z-pin直径增加,层间损伤面积增加,冲击后剪切强度逐渐降低。Z-pin增强接头分层损伤模型模拟结果与试验结果基本吻合。