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.

单电极电致发光纤维的连续制备及其可视化液体传感应用

随着柔性电子产品、智能传感器、智能穿戴等领域的兴起,柔性电致发光器件得到了蓬勃的发展。柔性电致发光纤维以其便携性、柔软性及可编织性,为可视化传感领域带来了巨大的发展潜力。但受限于其大多为双电极结构,制备工艺复杂,使其在成本、器件均匀性、灵敏性及柔软性方面仍存在不足。本文开发了一种单电极电致发光纤维,通过简单、可扩展和低成本的制造工艺,实现了电致发光纤维的连续制备。且通过无线驱动的方式实现了电致发光,单电极纤维接受无线电场能量,通过接地线与大地、无线发射源形成闭合回路,从而消除了对外部电源的依赖。单电极电致发光纤维由导电层、介质层和发光层构成,发光波长为456 nm,具有良好的力学性能、发光性能及柔软性。单电极电致发光纤维可应用于溶液的可视化传感,其发光强度对于氯化钠浓度的识别度可达到0.001%(质量分数),具有出色的灵敏度,在汗液检测及生物等方面具有重要意义。发光纤维可进一步编织成发光织物,其透气性及力学方面均与普通的商用面料相媲美,并可实现不同浓度氯化钠的可视化传感。在可穿戴设备领域,无线驱动的单电极电致发光纤维具有实现视觉显示和通信功能的巨大潜力。

连续SiC纤维表面铂涂层的制备及抗氧化性研究

采用金属有机化合物化学气相沉积法(MOCVD)在连续SiC纤维表面沉积了约0.8μm厚的Pt涂层,用扫描电镜对涂层的形貌进行观察,用EDS能谱和XRD对涂层的成分进行了分析,并对沉积涂层后的纤维在不同温度和时间下的抗氧化性能进行了测试。结果表明,制备得到的铂涂层光滑致密,与纤维结合牢固,有效弥补了纤维表面缺陷;对沉积涂层后的纤维进行力学表征和抗氧化测试,发现铂涂层不仅增加了SiC纤维的抗拉强度,而且经700~1400℃氧化1h后纤维的抗氧化性能大幅提高。

连续芳纶纤维增强PLA复合材料3D打印技术成型缺陷及工艺优化方法研究

连续纤维3D打印技术结合了复合材料高力学性能和3D打印灵活制造的优点,具有较大发展潜力。然而现有工艺制得的零件存在较多成型缺陷,影响了该技术的大规模应用。本文基于自行研制的3D打印设备制造芳纶纤维增强PLA试验件,研究试验件成型质量并提出了滑移缺陷发生条件,系统研究了纤维束滑移、剥离、断裂和层间孔隙等缺陷,最后提出优化打印速度、路径变化角、冷却系统和喷嘴外形四种工艺优化方法,设计了相关试验进行验证。结果表明,优化打印速度、路径变化角和增设冷却系统可将纤维束滑移距离分别降低45%、81%和50%,优化喷嘴设计可将纤维束断裂率降低90%。本研究为基于3D打印的复合材料设计和制造提供了新的思路和解决方案。

连续法制备短切石英纤维/酚醛树脂预混料的固化反应动力学及其模压制品性能

采用连续浸胶法,使用自制的压辊式浸胶槽制备了短切石英纤维/酚醛树脂预混料,通过红外光谱法(FT-IR)、热重分析法(TG)和差示扫描量热法(DSC)对预混料进行了表征,并研究了其固化反应动力学。结果表明,溶剂乙醇影响石英纤维的浸胶过程,连续法制备的石英纤维/酚醛树脂预混料能够降低乙醇的影响;预混料的固化工艺参数为:凝胶温度108.40℃,固化温度183.04℃,后处理温度264.47℃;固化反应级数为0.95,固化反应动力学模型为:dα/dt=Aexp(-ΔE/RT)(1-α)n=4.3×10^(12)exp(-140.74/RT)(1-α)0.95。使用模压法对所制备的预混料进行压制,得到石英纤维/酚醛树脂复合材料的模压制品,该模压制品在800℃下的质量残留率为82.3%,拉伸强度为58 MPa,断裂伸长率为0.353%,剪切强度为105 MPa,线烧蚀率为0.088 mm/s,烧蚀表面形貌未见异常,结果表明采用连续法制备的石英纤维/酚醛树脂预混料的模压制品具有较好的耐热性、烧蚀性和力学性能。

基于主应力轨迹线的连续碳纤维复合材料3D打印路径规划方法

连续碳纤维复合材料3D打印成型零件的力学性能对纤维的铺设方向有需求,传统的路径规划方法基于零件的形状轮廓进行填充,不能满足零件的实际使用性能。针对这一问题,提出基于主应力轨迹线的连续碳纤维复合材料3D打印路径规划方法。基于连续碳纤维复合材料三维模型的有限元分析数据,通过材料力学计算得到相应的主应力轨迹线;通过连续碳纤维复合材料3D打印的打印参数对得到的主应力轨迹线进行调控,保证每一条轨迹线之间的间距契合3D打印要求;通过坐标变换调整有限元分析坐标系以及打印机坐标系;通过以上调控生成用于连续碳纤维复合材料3D打印的G code规划文件。通过路径规划仿真对比和打印拉伸实验,基于主应力轨迹线生成的连续碳纤维复合材料3D打印路径比传统直线碳纤维复合材料3D打印路径性能提高了4.5%,验证了基于主应力轨迹线的连续碳纤维复合材料3D打印路径规划方法的有效性。

连续碳纤维增强尼龙复合材料的3D打印研究

连续碳纤维增强复合材料具有高强度、刚性、耐磨、耐高温和轻量化等优点,适用于需要高性能且轻量化的领域。将三维(3D)打印技术用于制备连续碳纤维增强复合材料则具有更高效、低成本、高材料利用率和灵活生产等优势。本文开展了连续碳纤维增强尼龙复合材料的3D打印研究,研究了挤出宽度、层厚、打印温度对打印材料拉伸性能以及弯曲性能的影响,并探究了退火后处理对材料力学性能的影响。使用扫描电子显微镜(SEM)观察了3D打印样品的切割横截面和拉伸断裂失效横截面,在不同工艺参数条件下,分析和讨论了打印样品和后处理打印样品的内部结构和力学性能之间的关系。结果表明,当挤出宽度为0.65 mm时打印样品力学性能最佳,拉伸强度和拉伸模量为501.51 MPa和31.70 GPa,弯曲强度和弯曲模量为164.53 MPa和31.91 GPa;当层厚为0.1 mm时打印样品力学性能最佳,拉伸强度和拉伸模量为520.78 MPa和36.59 GPa,弯曲强度和弯曲模量为168.43 MPa和32.31 GPa,之后力学性能随着层厚的增加而减小。打印温度对打印样品的力学影响较小。退火后处理对打印样品的力学性能具有一定的优化效果,拉伸强度提升效果有3.07%,弯曲强度提升了51.27%。

原位聚合法制备连续玻璃纤维增强尼龙6复合材料的改性和性能

尼龙6(PA6)树脂具有优异的性能,其连续纤维复合材料在汽车、航空航天领域具有广泛应用。但是PA6树脂熔融后黏度较高,不易对连续纤维充分浸渍,并且连续纤维与PA6的复合材料界面黏附性较差,限制了其复合材料的性能和应用。针对这些问题,文中对连续玻璃纤维增强尼龙6(CGF/PA6)复合材料开展了研究。首先,采用阴离子开环聚合制备PA6,确定了其最佳制备工艺;其次,用硅烷偶联剂KH550(AP)对连续玻璃纤维(CGF)进行改性,并对其进行了红外光谱表征;最后,通过原位聚合法制备了CGF/PA6复合材料,研究了AP改性对CGF/PA6复合材料力学性能的影响,并对CGF/PA6复合材料的拉伸断口进行了扫描电镜分析。结果表明,AP被键合到了CGF表面,AP改性可以增强CGF/PA6复合材料的界面黏附性,从而使CGF/PA6复合材料的拉伸强度得到改善,当AP用量为2%时,CGF/PA6复合材料的拉伸强度高达88.52 MPa,此时,复合材料的断裂伸长率最低,为4.90%。CGF/PA6复合材料的冲击强度变化不大,均在50 k J/m2左右,说明复合材料的韧性受CGF表面改性影响较小。

四川省连续玄武岩纤维矿石原料研究现状

近年来连续玄武岩纤维凭借绿色的生产工艺和优异的性能得到国内外广泛关注,但玄武岩原料不均一性成为限制其发展的重要原因。四川省玄武岩储量巨大,在会理、峨眉、盐源等地广泛分布,具有极大的应用潜力与经济价值。但各地玄武岩化学组成变化大且当前对玄武岩矿石的质量评价标准尚不统一,影响了玄武岩纤维的开发利用。通过总结省内连续纤维用玄武岩原料研究现状,对不同地区玄武岩矿石的岩石特征、矿物特征与化学组成进行梳理,分析国内外部分生产企业及研究人员采用的玄武岩化学成分指标,为四川玄武岩纤维原料筛选服务。研究表明用作玄武岩纤维原料的矿石以致密块状玄武岩为主,部分斑状玄武岩为辅以及少量细粒辉长岩;多具斑状结构,基质具间粒间隐结构,块状构造;化学成分变化范围大,多具高Fe低碱特征。

基于连续碳纤维3D打印的结构拓扑优化及工艺研究

本文利用3D打印技术制备了“椭圆形跑道”样件来研究不同纤维角度和纤维层分布对样件机械性能的影响,并通过实验考察各种力学测试中样件的断裂模式。然后基于变密度的拓扑优化理论对三点弯曲梁、C形夹和弹架悬臂进行结构拓扑优化,并通过力学性能实验进行验证。结果表明,在所有的测试中都观察到样件具有各向异性的机械性能,其中纤维方向具有最高的强度和刚度,而跨层方向具有较低的强度和刚度。通过有限元分析和压缩试验表明,经过拓扑优化的连续碳纤维3D打印弹架悬臂结构能够经受住极端运行条件的考验。

基于超声调控浸润性的连续碳纤维复材3D打印研究

为解决3D打印连续碳纤维复合材料(continuous carbon fiber reinforced composites,C-CFRP)成型件内部空隙多、应力集中等缺陷,文章提出了基于熔融沉积技术的超声在线调控打印方法。探究了超声振幅在0μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm时,C-CFRP丝的拉伸性能,以及超声振幅在0μm、20μm时,C-CFRP件的拉伸、弯曲性能;并通过超景深显微镜观测了CCFRP丝的横截面形貌,以及采用扫描电镜观察了C-CFRP件断裂面的微观结构,最后对超声调控熔融树脂浸润纤维进行了机理分析。结果表明:C-CFRP丝的力学性能随着超声振幅的增加,先提高后降低,在20μm振幅作用下,失效载荷值最大,为121 N,比无超声状态下提高了16%;复材件在20μm振幅作用下,比无超声状态下拉伸性能提高了11%,弯曲性能提高了23%,为高性能C-CFRP 3D打印技术的发展提供了参考。

多釜连续溶解加料计算模型用于调控醋酸纤维素浆液固形分浓度

建立了多釜连续溶解加料计算模型,用于测算不同生产条件对醋酸纤维素浆液固形分浓度的影响程度,并进一步通过在实际生产过程中的运行监测,表明在进入溶解釜之前掌握醋酸纤维素和回收浆液等主要原料的关键指标后,通过模型可预测目标浆液固形分浓度的变化,从而通过调整相应参数后有效稳定浆液固形分浓度,确保丝束总旦的稳定。

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。

美国赫氏推出24K连续碳纤维新品

2024年3月5日,美国赫氏公司在JEC World复材展上宣布推出新型HexTow■IM924K连续碳纤维,该连续碳纤维适用于航空航天领域的结构件。HexTow■IM924K连续碳纤维是一种中模量小丝束碳纤维产品,平均拉伸强度超6300 MPa,拉伸模量为298 GPa,断裂伸长率为1.9%。该款新品的拉伸强度比目前主攻航空航天高端应用的IM7纤维提高了12%。

先驱体法制备连续Si-Fe-C-O吸波纤维的研究

用聚二甲基硅烷和二茂铁合成聚铁碳硅烷,经多孔熔融纺丝、预氧化、连续烧成,制得电阻率低至10-2Ω· cm,拉伸强度可达2．0GPa,长度大于500m的连续Si—Fe—C-O纤维,这种纤维在8～18GHz范围内具有较好的吸收雷达波性能。研究铁对Si-Fe—C-O纤维电阻率和β-SiC结晶的影响:铁含量的增加有利于β-SiC晶粒的增长和电阻率的降低。

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。

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。

玻璃纤维钢连续墙接头在盾构始发与接收施工技术应用

在承压水层地质条件下,盾构机始发时围护结构连续墙采取传统锁口管接头的形式,会导致基坑出现较大的安全风险。因此采取更为高效安全的连续墙接头形式代替传统接头管已成为地下盾构施工的难题,本文依托福州市滨海快线闽都站项目,采用玻璃纤维工字钢接头来代替传统的锁口管接头,为盾构套筒始发与接收施工创造了有利条件,实现了机械化施工的高效性和安全性。

连续刚构桥聚酯纤维混凝土0号块受力性能研究

为研究聚酯纤维混凝土连续刚构桥0号块箱梁的空间受力,文中以江西省枇杷洲右溪聚酯纤维混凝土连续刚构桥为背景,建立全桥有限元模型及0号块箱梁实体模型,通过对比桥梁施工过程中关键截面的监测应力验证模型准确性,进而分析最大悬臂与成桥工况下0号块箱梁的应力变化规律。结果表明,聚酯纤维掺入后的0号块箱梁在2种工况下,顶、底板顺桥向应力变化规律一致且应力分布均匀;2种工况下,顶板应力变化幅度不超过2.5 MPa,底板变化幅度约为1 MPa;此外,箱梁横隔板部分位置出现拉应力,最大拉应力为0.305 MPa,需加强横隔板位置处配筋。

个体化连续饮食护理对慢性乙肝患者肝纤维化的影响

探讨个体化连续饮食护理对慢性乙肝患者肝纤维化的影响。方法 抽取慢性乙肝肝纤维化患者20例,根据护理时间分为两组,对照组实施常规护理,观察组实施个体化连续饮食护理。结果 观察组实施护理后患者的饮食情况、疾病控制以及生活质量明显优于对照组。结论 慢性乙肝患者肝纤维化实施个体化连续饮食护理后,能够控制患者疾病的发展,促进患者生活质量的提高。