基于新型碳纳米纸传感器对VARI工艺中树脂流动趋势的实时监测

采用喷射吸附过滤成形工艺获得一种高柔性、高灵敏度的碳纳米纸(BP)传感器,碳纳米纸传感器是由碳纳米管在分子间范德华作用力条件下形成的三维介孔结构的薄膜材料。碳纳米纸传感器可嵌入在复合材料预成形体铺层中,与复合材料一体成形,实时监测真空辅助液体复合成形(VARI)树脂的流动情况。结果表明,通过在线监测系统采集在树脂浸润过程中碳纳米纸传感器的电阻,可准确监测树脂流动到相对应的位置的时间,以此来判断树脂浸润过程中的流动趋势。本文证明了碳纳米纸传感器可以实时监测VARI工艺中树脂的动态行为,为避免VARI工艺中由树脂浸润造成的缺陷,改进工艺参数以及优化生产等提供了新的途径。     

CFRP螺旋铣孔加工中的轴向力抑制方法

在碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fibre Reinforced Polymer,CFRP)螺旋铣孔加工过程中,刀具端刃所产生的轴向力过大会造成制孔出口分层、撕裂、毛刺等缺陷问题。为减小CFRP螺旋铣孔加工中的轴向力,从运动学原理上分析了刀具端齿隙角与未变形切屑的关系,提出了使刀具切削线速度较低的中心区域不参与切削的方法;进一步推导出了使刀具中心不参与切削的条件,并对不同端齿隙角和导程组合下的未变形切屑形状进行了模拟;最后在CFRP上进行了螺旋铣孔试验验证。结果表明,通过增大刀具端齿隙角和减小导程,可以使螺旋铣孔加工中端刃中心区域不参与切削,从而有效减小CFRP螺旋铣孔中的轴向力。     

CFRP制孔加工技术的研究进展与发展趋势

碳纤维增强树脂基复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)因具有优异的物理和力学性能已广泛应用于航空、航天和汽车等领域的结构件制造。然而,CFRP材料和金属材料的属性截然不同,具有非匀质性和各向异性,在制孔加工过程中,极易产生分层、撕裂、毛刺等缺陷,严重影响其制孔质量。因此,CFRP-金属叠层结构制孔技术成为飞机连接装配过程中的一大难点。本文归纳了近年来CFRP钻削加工机理的研究现状,总结出CFRP切屑形成机理与纤维方向角的关系,轴向钻削力和钻削温度与刀具形状、工件材料和工艺参数之间的关系;分析了CFRP钻削过程中分层、毛刺、撕裂等典型加工缺陷的产生原因、检测和评价方法及抑制措施;探讨了CFRP制孔刀具材料、几何结构及仿真研究方面的最新进展,提出建立准确可靠的CFRP材料本构模型是钻削加工模拟仿真技术研究的关键;通过对变工艺参数钻削加工、机器人自动制孔加工及吸气式内排屑钻削加工等新型CFRP制孔加工技术的介绍,展望了CFRP制孔技术的发展趋势。     

冷却润滑方式对CFRP/钛合金叠层制孔刀具磨损的影响

碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon fiber reinforced polymer, CFRP）和钛合金组成的叠层结构由于其优良的机械性能在航空航天领域得到了广泛的应用。为了延长刀具寿命,本文在CFRP/钛合金叠层低频振动钻削试验中采用中心吹气、微量润滑技术（Minimum quantity lubrication,MQL）、水基冷却液和液氮冷却方法,研究冷却润滑方式对钻削温度、轴向力与刀具磨损的影响。试验结果表明,使用中心吹气时加工温度最高,使用液氮时加工温度最低,液氮冷却时轴向力最大,而使用水基冷却液时轴向力最小。水基冷却液对延长刀具寿命的效果最好,达到了66个孔,而液氮冷却时最差,只有12个孔。刀具主要的磨损形式为粘结磨损和磨粒磨损。     

CFRP/Al制孔分层临界轴向力研究

针对CFRP/Al在钻削加工中容易产生分层缺陷,而临界轴向力是表征叠层材料制孔损伤的基本参数,本文基于能量法建立了钻削Al/CFRP、CFRP/Al产生分层损伤的临界轴向力模型,并利用Abaqus软件对CFRP/Al钻削过程进行了数值模拟,得到了轴向力变化曲线。     

CFRP钻削制孔分层的形态研究

针对单向碳纤维增强复合材料(UD-CFRP)钻削制孔分层的各向异性行为,以UD-CFRP板的孔出口表层分层缺陷为研究对象,研究制孔分层的形状和大小。结果表明:UD-CFRP板的分层形状呈近椭圆形;随着主轴转速的增大,分层尺寸呈减小趋势,以主刚度方向最为明显,但减小幅度最大仅为0.14 mm;随着进给速度的增大,在主刚度方向极易产生整束纤维的撕裂,尺寸呈增大趋势,以主刚度方向最为明显,增大幅度达0.81 mm,以及由于主刚度方向整束纤维的撕裂,分层形状在主刚度方向出现突变。     

基于ANFIS的CFRP轴向钻削力预测

本文基于CFRP轴向钻削力试验研究,获得ANFIS样本数据通过对ANFIS的训练,建立钻头转速、进给量与轴向钻削力之间的映射关系,并进行验证试验,结果表明了该预测方法的有效性     

铺层顺序对碳纤维复合材料钻削分层制孔的影响

在碳纤维环氧树脂基复合材料的钻削制孔加工过程中会产生很多种类的缺陷,其中分层损伤是最难以控制的缺陷,严重影响机械连接的有效性和材料的使用性能。将铺层规则尤其是防分层规则应用于层合板铺层顺序优化中,使用Memetic算法得出防止碳纤维板分层的铺层顺序,并设计CFRP制孔试验加以论证。试验结果表明,复合材料铺层角度对分层缺陷有重要影响,优化后的碳纤维复合材料可有效减少分层、毛刺缺陷。     

CFRP复合材料超声振动套孔分层抑制机理分析

针对碳纤维增强复合材料在传统钻孔过程易出现分层缺陷,采用金刚石空心套刀和超声振动加工技术进行了CFRP超声振动套孔分层抑制机理分析。理论分析了传统麻花钻钻孔与金刚石套刀普通套孔过程的分层机理及评价,超声振动套孔对分层抑制的机理,并且进行了实验验证。结果表明:相比于CFRP普通套孔,超声振动套孔能够有效提高套刀切削性能和排屑效果,降低钻削力12.5%～19.2%,抑制切屑粉尘黏附套刀和料芯堵塞套刀,抑制CFRP分层缺陷形成,改善孔表面质量。     

SiCp / Al 复合材料低损伤磨削制孔工艺研究

采用研制的椎4 mm 金刚石磨料刀具,研究SiCp / Al 复合材料磨削制孔过程中工艺参数对轴向力和

孔质量的影响规律。结果表明:刀具转速高于6 000 r/ min、进给速度为5 mm/ min 时,可以获得较好的制孔质量。

     

阶梯钻钻削碳纤维复合材料的钻削力及孔质量

根据碳纤维复合材料制孔过程中产生的缺陷,自主磨制专用钻头——阶梯钻对碳纤维复合材料进行钻削实验,研究了在不同加工参数下阶梯钻钻削碳纤维复合材料的钻削力、孔出口质量、孔壁表面粗糙度,并与普通麻花钻头进行对比。结果表明:阶梯钻产生的钻削轴向力是麻花钻的一半,孔壁表面粗糙度值更小,孔出口没有明显的缺陷,阶梯钻适合钻削碳纤维复合材料。     

PTFE/CFRP/铝合金叠层材料钻削试验研究

对PTFE/CFRP/铝合金叠层材料进行了钻削试验研究。结果表明:最高钻削温度随主轴转速的增大而增大,但随进给量的增大反而下降;相同钻削参数下,从铝合金侧钻入能获得更低的钻削温度;采用较大的进给量有利于铝合金形成碎屑状切屑,避免带状切屑排出时划伤已加工CFRP表面;采用较低主轴转速和较大的进给量可获得更好的铝合金孔出口质量。     

碳纤维增强复合材料铣削和钻孔技术研究进展

碳纤维增强复合材料(特别是碳纤维增强树脂基复合材料和碳/碳复合材料)具有比强度和比模量高、耐高温、抗腐蚀等特点,被广泛应用于航空航天等领域.由于碳纤维增强复合材料硬度高、脆性大、层间剪切强度低等特点,使其在加工中容易出现毛刺、分层、撕裂等加工缺陷,并且刀具磨损快、耐用度低.针对碳纤维增强树脂基复合材料和碳/碳复合材料的加工问题,从铣削和钻削两个方面讨论了加工参数、加工刀具、切削力预测以及超声振动钻孔和螺旋铣孔等方面的技术,总结了目前提高碳纤维增强复合材料加工质量的工艺方法.     

碳纳米管/碳复合材料的研究

以多壁碳纳米管和中间相沥青为原料制备了碳纳米管／碳复合材料，主要研究了碳管用量及热处理温度对材料制备的影响，考察了材料的弯曲强度、硬度和热、电传导性能。结果表明：随着热处理温度的增加，材料表现出较大的收缩和失重，碳管用量较少的样品失重、收缩更大，碳管用量15％(质量分数)的样品经2500℃处理后密度可达1．90g／cm^3；复合材料表现了远高于基体碳的弯曲强度和硬度；然而热、电传导性能远远低于基体碳。     

碳纳米管有序增强体及其复合材料研究进展

碳纳米管(CNT)是迄今为止力学性能最高的轻质材料之一,同时兼具优异的导电性和导热性,作为新一代高性能增强材料具有难以估量的发展潜力。特别是以连续碳纳米管纤维和碳纳米管膜为代表与树脂复合制得的连续碳纳米管复合材料,被公认为是具有划时代意义的第3代先进复合材料。本文围绕连续碳纳米管纤维、碳纳米管膜及其与树脂复合形成的复合材料,介绍其制备方法、控制技术、结构特点、力学与功能特性等国内外研究进展,揭示了碳纳米管有序增强体中独特的多级结构特征与多级复合强化机制,阐述了该复合材料应用特色,并展望其应用前景与潜能,以期为碳纳米管纤维复合材料革新未来航空航天超轻结构的多功能化设计与研究提供参考。     

碳纳米管膜层间增韧对碳纤维复合材料力学性能的影响

分别采用两种碳纳米管膜进行层间增韧,应用热压罐工艺成型了碳纳米管膜/碳纤维增强树脂基复合材料,研究了碳纳米管膜的成型工艺、取向、面密度对复合材料力学性能和层间韧性的影响。结果表明:CNT膜平行于碳纤维铺放时复合材料的压缩强度、90°弯曲强度和层剪强度均高于CNT膜垂直于碳纤维铺放时的复合材料性能。面密度较小的CNT膜对复合材料的增韧效果较好。喷涂法成型的碳纳米管膜层间改性的复合材料层间断裂韧性明显优于拉膜法碳纳米管膜层间改性的。CNT无规膜的面密度为0.75 g/m2时,复合材料的GIC和GIIC最优,相比改性前分别提高了21%和42%。     

纤维方向对CFRP钻削温度场分布和孔壁质量的影响

为研究CFRP不同纤维方向对其钻孔温度场分布和孔壁质量的影响,对不同纤维方向角处切削形式进行理论分析和ABAQUS仿真分析,并结合CFRP单向板、正交板和准各向同性板的钻削温度分布测试试验与钻削温度场仿真分析。结果表明,碳纤维方向对钻削温度场的分布规律影响很大;通过电子显微镜和共聚焦显微镜对不同纤维方向角处孔壁质量观测对比,发现纤维方向角在θ=0°、θ=45°和θ=90°处孔壁质量较好,在θ=135°处孔壁质量较差。     

旋转超声钻削碳纤维复合材料钻削力和扭矩的研究

针对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)加工过程中的问题,对金刚石套料钻旋转超声钻削CFRP-T700型复合材料展开了研究。研究发现,钻削力随主轴转速的增加具有减小的趋势,而扭矩则随着主轴转速的增加,呈现增大的趋势;与传统加工相比,旋转超声振动钻削可降低切削力及扭矩达56.6%和39.1%,有效抑制加工缺陷的产生。初步建立了切削力和扭矩之间的数学模型,并通过试验对切削力和扭矩之间的比例常数k加以验证。研究结果表明,旋转超声钻削CFRP在降低切削力和扭矩方面有较大优势。     

CFRP/TC4叠层结构制孔技术对比实验

因CFRP、TC4材料的物理性能差异较大,导致CFRP/TC4叠层构件切削性能匹配性较差,钻削过程中存在界面损伤、CFRP孔壁损伤难以调控的问题。针对上述问题,本文采用变参数啄式钻削工艺、变参数钻削工艺和恒参数钻削工艺对CFRP/TC4叠层结构进行了制孔实验,并对不同工艺条件下的轴向力、界面质量、TC4的切屑形态、CFRP层孔壁质量进行了对比分析。结果表明：相对于其他两种钻削工艺,在变参数啄式钻削工艺条件下,TC4材料层轴向力明显较高,产生短带状和短螺旋状切屑;CFRP层出口和入口处的孔径更接近于名义孔径,孔壁缺陷较少,表面粗糙度相对较小。