层联衬经斜纹机织预制体细观结构几何建模

为分析层联衬经斜纹机织预制体的细观结构,通过X射线显微镜(Micro-CT)观测复合材料中的纤维,基于Micro-CT观测的纤维横截面形状和空间走向,提出矩形衬经纱横截面、矩形接结经纱横截面、凸透镜形纬纱横截面、直线型衬经纱路径、直线型纬纱路径和抛物线形接结经纱路径等假设,推导了纤维预制体厚度和纤维体积含量与纤维参数之间的关系,建立了预制体细观结构模型,通过纤维宽度和厚度计算纱线横截面变异系数、预制体厚度和纤维体积含量。为验证模型的准确性,以芳纶纤维和超高分子质量聚乙烯纤维为原材料制备了2种相同结构、不同纤维的层联衬经斜纹机织复合材料,并与提出的预制体模型对比分析。结果表明:理论值与实测值在合理误差范围之内,预制体厚度误差小于1.5%,预制体纤维体积含量误差小于1.5%。

防弹头盔用三维机织预制体的曲面成型性研究

三维机织预制体(Three Dimensional Woven Preforms,3DWP)因其较好的成型性和显著的层间承载能力,有望实现头盔曲面一体化成型,减少裁片与原材料浪费。因防弹头盔多曲面、高曲率的结构特点,研究3DWP在曲面成型时的变形机制对于指导头盔的一体化成型至关重要。一种衬经层层角连锁3DWP在高曲率、大变形时的曲面成型性被系统地研究,从面内与层间维度、宏细观尺度全面地阐述了3DWP的变形机理和褶皱缺陷的形成机制。实验结果表明:3DWP在成型过程中同纬度下沿45°方向的面内剪切变形最明显,凹面的最大面内剪切角为38°,大于凸面的35°;3DWP经纱列和纬纱列的最大层间剪切角分别为34.83°和27.76°;成型后3DWP已达到其面内剪切锁紧角62°,细观上诱发了纱线的屈曲,宏观上形成了脊形的褶皱;在褶皱区域,面内剪切角最大值仅为4.8°,层间剪切角最大值为18°。对实际应用中防弹头盔增强织物结构选择以及成型工艺具有指导意义。

碳纤维三维编织预制体渗透特性实验研究

针对航空发动机风扇机匣用碳纤维三维编织复合材料,开展了预制体材料渗透特性的实验研究。实验模具为厚度可调的长方体中空结构。通过分析液体在厚度和孔隙率不同的4种三维编织预制体内的渗透过程,结果表明,所有预制体在面内的渗透主向与编织的轴/横向平行,且轴向渗透率约为横向渗透率值的3.2倍。液体在A预制体内的渗透性最好,其轴向、横向和厚度方向的渗透率值分别为1.136×10^(-10)、4.259×10^(-11)和5.900×10^(-12)m^(2),厚度方向上的渗透率远小于面内渗透率,差距在1~2个数量级。液体在预制体内3个方向上的渗透是相互影响的过程,预制体厚度方向上的渗透特性影响了面内的渗透特性。

SiC纤维预制体结构对SiC_(f)/BN/SiC复合材料致密化和力学性能的影响

为了研究碳化硅(SiC)纤维预制体的结构对SiC基体的化学气相渗透(CVI)工艺致密化过程的影响,利用模拟计算方法分析了2D叠层、2.5D和3D正交三种编织结构SiC预制体在SiC致密化过程中的孔隙结构演变规律,并采用三氯化硼-氨气-氢气-氮气(BCl_(3)-NH_(3)-H_(2)-N_(2))混合气体和三氯甲基硅烷-氢气-氮气(MTS-H_(2)-N_(2))混合气体作为前驱体,利用CVI致密化工艺制备出三种预制体结构的SiC_(f)/BN/SiC复合材料。结果表明,SiC纤维预制体结构不同,SiC_(f)/BN/SiC复合材料的致密化效率不同,其中2.5D纤维预制体的致密化速率最快,3D正交预制体的致密化速率最慢。致密化120 h后,三种预制体结构的复合材料密度均达到2.3 g/cm~3以上,开孔率为10%左右。三种结构的SiC_(f)/BN/SiC复合材料拉伸强度为130~170 MPa。在层间剪切过程中,2D结构SiC_(f)/BN/SiC复合材料与2.5D结构SiC_(f)/BN/SiC复合材料样品都出现了XY面的纤维剥离现象,而3D结构SiC_(f)/BN/SiC复合材料样品发生了正交Z向纤维的断裂。由此可知,SiC纤维预制体结构影响了所形成复合材料的致密化过程和力学性能。

预制体结构对SiC_(f)/SiC复合材料力学和热性能的影响

本文采用化学气相渗透法制备了具有二维多层、三维角联锁机织和多轴三维编织三种预制体结构的SiC_(f)/SiC复合材料。在综合分析纤维排列、SiC基体和孔隙分布的基础上,详细讨论了预制体结构对SiC_(f)/SiC复合材料力学性能和热性能的影响。结果表明,复合材料的力学性能和热导率受纤维排列方式和复合材料密度的综合影响,而热膨胀系数主要受纤维排列方式的影响。此外,二维多层复合材料、三维角联锁机织复合材料和多轴三维编织复合材料的热导率可以分别用串联模型和平行模型来解释。多轴三维编织复合材料由于内部具有连续的可以作为热流快速通道的三维网状SiC基体层,因此具有较高的室温热导率。而随着温度的升高,SiC声子间的散射逐渐增强,SiC基体层在多轴三维编织复合材料中作为声子传播快速通道的作用逐渐减弱,热导率随温度降低的趋势更明显。

纤维预制体渗透率测量技术研究进展

纤维预制体渗透率张量作为复合材料液体成型工艺过程中树脂流动数值模拟的决定性输入参数,与树脂流动以及最终成品质量密切相关,是实现复合材料高质量和大批量制造的关键。本文根据流动状态(饱和或非饱和)、流动维度和测量方向(面内或面外)将渗透率测量技术分类,论述了相应条件下的渗透率测量技术以及研究进展,总结归纳了非饱和流动中流动前沿实时监测技术,分析了造成渗透率测量结果分散性大的影响因素,并阐述解决办法,最后提出未来发展趋势。

风扇叶片三维预制体织造控制系统设计与研究

三维(3D)预制体织造设备需提升自动化、数字化水平来满足在航空航天、军事、建筑等领域的织造工艺需求。以3D织造工艺为基础,利用PLC逻辑控制器及上位机对送经、牵引、开口、引纬和打纬五大系统的进行调控、数据采集、参数更改、数据反馈等。系统采用分布式结构,从底层设备到上位层利用RS-485和TCP/IP数据交换构建设备总体框架,实现3D预制体自动化生产控制。通过3D预制体视觉检测设备检测出织造的预制体主要指标,经密与工艺设定值误差在根±0.06根/cm,纬密与工艺设定值误差在根±0.1根/cm,能够实现织造过程中的经纬密等工艺参数的稳定控制。

三维编织异型碳纤维预制体的研究

新一代武器装备的快速发展和战略技术指标的不断提高,迫切需要在高性能纤维增强复合材料生产工艺和制备技术方面加速攻关突破。三维编织碳纤维预制体由于其可设计性强,特殊的耐腐蚀性能,耐疲劳性好等优点,在各种武器装备的轻量化、小型化和高性能化上起到了至关重要的作用。以三维编织异型碳纤维预制体为对象,研究数字模拟三维编织动程,分析分散减纱工艺及不等层设计工艺原理,为三维编织异型碳纤维预制体的净近成型的实现作理论参考。

基于CT扫描成像的三维编织预制体内部质量检测方法研究

研究了基于CT扫描成像的纤维预制体内部质量检测方法。通过工业micro-CT成像得到预制体的三维模型,通过对比阈值分割和梯度分割的技术,阈值分割的方法效果优于梯度分割的方法,实现了预制体内部不同方向纱线的分割。基于CT软件的后处理模块开展纤维体积分数计算,可以准确评估纤维体积分数。提出了一种可靠、高效的纤维预制体内部质量检测方法,对三维编织复合材料的质量控制、结构设计和生产制造的进一步研究提供借鉴和参考。

碳纤维立体穿刺预制体成型技术发展现状与思考

为了推动碳纤维立体穿刺预制体成型技术的发展和应用,从穿刺机的性能优化、穿刺成型材料性能、高温下穿刺成型技术、穿刺成型技术仿真模拟等方面综合分析碳纤维立体穿刺预制体成型技术的研究现状,总结其关键特点和不足;分析碳纤维立体穿刺预制体成型技术在钢针阵列、自动化程度等方面存在的问题,并提出改进建议和思考。指出:碳纤维立体穿刺预制体成型技术可从减少钢针与布层间的相互损伤、提高穿刺效率、深入理论研究、针对异型立体织物的穿刺工艺优化、拓展应用领域等方面着手,加强设计优化和工艺改进,深入探索具体应用场景和改进方法,提高穿刺精度和产品质量。

类回转预制体针刺机器人系统设计

类回转复合材料预制体外形结构复杂,目前的4轴针刺系统和6关节机器人针刺成型系统难以满足其成型织造要求,提出一种基于机器人平台的7轴联动针刺成型系统,用于类回转预制体的针刺成型。开展了7轴针刺成型系统的机械结构设计、控制系统设计,以及针刺轨迹规划方法研究,并通过运动仿真和实验验证系统的可行性。结果表明:针刺实验轨迹和理论设计轨迹高度一致,针迹均匀,预制体表面平整,7轴联动针刺成型系统成功实现了类回转预制体的高质量针刺成型;采用Powershape和Powermill软件成功实现了连续轨迹线设计和针刺机器人6轴程序输出;自主开发的6轴程序转换成7轴程序的算法是可靠的,基于Python和QT Designer开发的7轴针刺机器人程序后处理软件成功实现了7轴针刺机器人可执行程序的高精确输出。本文系统可用于高速飞行器天线罩、舱段等复合材料预制体的高质量针刺成型。

三维机织法板管直交预制体的编织研究

采用三维机织方法,将经向平板状预制体与垂直于经向的圆管状预制体结合起来,进行板管直交预制体的组织结构设计、编织参数设计、成型重点分析等,编织了可作为通用构件增强材料的板管直交预制体,并分析了板管直交预制体的优点和应用方向,该板管直交预制体改善了连接部位的力学性能,可应用于在太空领域。

碳纤维增强碳/碳坩埚预制体柔性缠绕成形系统设计与实验研究

为解决目前手工增强缠绕碳/碳坩埚预制体无法保证产品一致性及生产效率低下的问题,设计了一种碳纤维增强坩埚预制体柔性缠绕成形系统。基于非测地线法提出了适用于一端平面封头一端椭球封头特殊回转体结构坩埚芯模的线型设计流程,介绍了计算机辅助线型设计的各个模块及实现方法,并对设计线型进行了仿真;根据缠绕特性设计了四自由度专用缠绕机运动机构,基于可编程控制器和触摸屏设计了四自由度缠绕机控制系统,并进行了碳纤维增强缠绕实验。实验结果表明:缠绕机运行稳定,纤维可连续稳定地缠绕在芯模表面,所设计的系统可实现碳纤维增强碳/碳坩埚预制体的自动化缠绕。

碳纤维预制体结构对CVI-GSI C/C-SiC复合材料微观结构与力学性能的影响

采用不同面密度和丝束大小的碳纤维布,通过不同z向缝合方式编织了两种碳布叠层结构的碳纤维预制体,再经化学气相渗透法(chemical vapor infiltration,CVI)与气相渗硅法(gaseous silicon infiltration,GSI)联用制备了C/C-SiC复合材料。研究了碳纤维预制体结构对CVI-GSI C/C-SiC复合材料微观结构与力学性能的影响。结果表明,由纤维体积分数与C/C素坯密度都相同的预制体所制备的两种复合材料的密度、各相组成、结构与性能均大不相同。较小的碳纤维丝束(1K)和碳布面密度(92 g/m^(2)),以及锁式缝合留下的较大孔隙为GSI反应中Si蒸气的渗透提供了更加充足的通道,最终制备的T1复合材料孔隙率低、结构均匀、性能更高,其弯曲强度、模量和断裂韧度分别为300.97 MPa,51.75 GPa,11.32 MPa·m^(1/2)。初始预制体结构和C/C中间体结构的综合调控是CVI-GSI联用工艺制备高性能C/C-SiC复合材料的关键。

三维四向碳/碳复合材料预制体压实致密多影响因素分析与研究

为提高预制体纤维体积含量,基于三维四向碳/碳复合材料预制体成型工艺,设计正交试验分析每循环压实次数、保压时间和助剂含量对纤维体积含量的影响规律,结果显示助剂含量对最终纤维体积含量影响最大,每循环压实次数影响次之,保压时间影响最小;纤维体积含量随助剂含量的增加先增大后降低,随保压时间及每循环压实次数的增加而增大。通过设计BBD响应面优化试验,建立相应纤维体积含量数学模型并验证了模型的可靠性,进而优化工艺参数并进行了试验验证。结果表明:每循环压实3次,保压7 s,两束含助剂纤维为最优压实工艺参数。在最优参数下编织的预制体最终纤维体积含量与预测值仅相差0.24%,与原工艺参数相比提高4.54%。最后通过显微观测发现最优参数下所编织的预制体更加密实。

碳纤维增强坩埚预制体缠绕线型轨迹研究

本文针对针刺碳/碳坩埚整体连续纤维不足和周向力学性能较差的问题,采用碳纤维增强缠绕碳/碳坩埚预制体。基于非测地线理论建立稳定缠绕方程,以切点法为基础,结合标准线法总结了非轴对称封头壳体的缠绕线型规律,推导出纤维均匀布满时的中心转角计算公式,建立了优化求解封头段滑移系数和圆柱段滑移系数的计算模型,提出了碳/碳坩埚预制体增强碳纤维缠绕的线型设计流程,基于等悬长约束条件,对四轴缠绕机各轴运功轨迹方程求解。对缠绕线型和缠绕机运动轨迹进行仿真,研究了切点数对缠绕线型及运动轨迹的影响。进行缠绕试验,结果表明:计算模型设计合理,纤维可以实现连续稳定缠绕,并且经过一定循环后实现均匀布满,验证了各轴运动轨迹方程的正确性和线型设计方法的可行性。

三维异型纺织复合材料的预制体织造技术及材料力学性能研究进展

近年来,三维纺织复合材料因其整体性能优异、结构丰富和净成形等特点,被广泛地应用于国防重大工程领域。其中,三维异型纺织复合材料理论研究仍远落后于应用。从三维异型纺织复合材料构件的应用出发,根据各种构件的典型特征分类归纳了三维异型纺织结构件的应用现状,总结了三维异型纺织复合材料预制体的主要织造工艺和织造装备的发展现状,并从不同的层级分析国内外对三维异型纺织复合材料的力学性能、细观结构建模、数值模拟等方面的研究进展,提出了三维异型纺织复合材料研究面临的关键问题,以期为三维异型纺织复合材料在未来的应用提供支撑。

基于多维度建模的碳/碳软硬混编预制体孔隙分析与单胞模型

为探究碳/碳软硬混编预制体在压实过程初始和最终密实2个阶段中孔隙分布及变化,解决成型后孔隙率无法预测的问题。基于碳/碳软硬混编预制体成型工艺构建一种三维四向孔隙模型,在无压缩载荷和施加压缩载荷2种工况下,从单胞模型的xoy平面和xoz平面2个维度、4个方向观测孔隙;从介观和微观2个尺度研究载荷下纤维形态与截面形状变化对单胞孔隙的影响,建立了纤维尺寸截面变化与孔隙率映射关系,提出影响孔隙率的尺寸系数,使预制体最终孔隙率具有可设计性;通过单胞孔隙模型计算得到预制体在压实阶段最小孔隙率。利用万能拉伸试验机对不同尺寸的预制体进行压实致密实验,得到不同尺寸预制体所受压缩载荷与高度变化曲线,揭示了预制体高度与孔隙率的关系并得到压实致密阶段最小孔隙率。实验结果表明最小孔隙率与理论模型误差小于3%,验证了软硬混编单胞孔隙模型表征预制体孔隙率的正确性。

机器人针刺成型异形预制体的路径规划

针对机器人针刺成型异形预制体路径规划难题,提出了一种基于切片法的机器人针刺路径规划方法。将多个平行切平面与预制体STL(STereoLithography,立体光刻)模型文件中包含的三角面进行求交运算,利用交点冗余信息建立交点之间的拓扑关系,获得了有序的针刺路径型值点;采用NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines,非均匀有理B样条)方法将针刺路径型值点进行拟合,从而实现了异形预制体CAD模型到机器人针刺路径的自动生成。基于四阶Runge-Kutta(龙格-库塔法)预估校正法进行插补参数计算以得到针刺点位置信息,保证了插补效率和插补精度;以相邻路径型值点的方向向量和相邻路径型值点所在三角面的法向量建立直角坐标系,结合机器人RPY姿态描述方式,得到了机器人针刺点的姿态信息。最后,通过仿真和实物实验验证了所提出路径规划方法的正确性,为异形预制体机器人针刺成型路径规划提供了一种简便有效的方法。

复合材料缝合预制体的研究

缝合技术作为复合材料预制体成型的主要方法,在航空领域应用广泛。临缝、链式缝合和锁式缝合是缝合技术中较为常用的3种缝合方式,不同的缝合方式对缝合复合材料预制体的渗透特性和压缩特性产生的影响不同。同时缝合参数包括针距和行距对缝合复合材料预制体的渗透特性和压缩特性会也产生不同的影响。本文通过试验分别研究了临缝、链式缝合和锁式缝合3种缝合方式以及不同的针距和行距对缝合复合材料预制体渗透特性和压缩特性的影响。试验结果表明,缝合预制体的渗透率均大于未缝合织物的渗透率,且链式>锁式>临缝,链式缝合预制体随着缝合针距的增加,渗透率显著增大,临缝预制体的渗透率随行距的增加而减小;缝合预成型体厚度压缩率的大小关系为:临缝>链式>未缝合;链式缝合预制体的厚度压缩率随着缝合密度的增加而增加;临缝的压缩率随着针距的增大而减小。