先进热塑性复合材料的制备工艺研究

为了探索高性能热塑性复合材料的制备方法,本文使用薄膜层叠法制备了碳纤维编织布增强聚苯硫醚(CFF/PPS)热塑性复合材料层合板。通过控制变量法研究了不同成型压力和制备温度对CFF/PPS复合材料层合板的成型质量的影响。通过弯曲试验和层间剪切试验表征不同工艺参数下的CFF/PPS复合材料层合板的力学性能,从而确定了成型压力及制备温度两个关键参数在不考虑耦合效应下的优化取值范围。研究结果表明,采用成型压力为5 MPa,制备温度为340℃制备的CFF/PPS复合材料层合板,其性能最佳。     

真空成型与热压罐成型复合材料的性能对比

针对一种碳纤维单向预浸料ZT7G/LT-03A及碳纤维平纹织物预浸料ZT7G3198P/LT-03A,采用热压罐成型工艺和真空成型工艺各制备了3批次复合材料,测试预浸料的物理性能以及复合材料层合板的力学性能,通过对两种制备工艺得到的复合材料力学性能、纤维体积含量及孔隙率的对比分析发现,该体系真空成型复合材料性能的保持率均在75%以上,有的甚至超过100%。对于碳纤维单向预浸料来说,层间剪切的保持率最低,0°拉伸强度的保持率最高;对于织物复合材料来说,0°压缩强度的保持率最低,0°拉伸的保持率最高。同时真空成型复合材料纤维体积含量较低,孔隙率较高,是影响其性能的主要原因。     

复合材料非热压罐工艺设计与力学性能研究

纤维增强树脂基复合材料具有比强度/比模量高、可设计性强、耐疲劳等优点,在航空航天领域获得了广泛的应用,但也面临着生产成本和效率问题。针对热压罐工艺高成本和高消耗的缺点,综合分析了热压罐工艺和真空辅助树脂灌注成型(Vacuum Assisted Resin Infusion, VARI)工艺的优缺点,对两种成型工艺进行优势整合后,在VARI工艺的基础上进行升级,设计了一种新的低成本非热压罐成型工艺,并对该工艺成型制件的性能进行评价。结果显示,与VARI工艺制件相比,在非热压罐工艺下成型的玻璃纤维层合板制件,其纤维体积分数提高了6%,拉伸模量提高了2.24GPa,拉伸强度提高了61MPa,层间剪切强度提高了2.96MPa。该设计显著改善了VARI工艺制件的力学性能,具有一定应用前景。     

高性能纤维增强树脂基复合材料3D打印

3D打印技术是一种逐层成形的增材制造技术,而纤维增强树脂基复合材料是一种力学性能优异的先进结构材料,结合3D打印的工艺先进性和纤维的材料性能优势,提出新型的纤维增强树脂基复合材料3D打印工艺,为进一步促进两者共同发展与应用提供了可能。综述并分析了纤维增强树脂基复合材料3D打印技术的研究现状与瓶颈,提出了一种连续纤维增强热固性树脂基复合材料3D打印工艺,将3D打印丝材制备、3D打印预成型体、3D打印预成型体固化分隔成3个独立的模块,并根据不同模块设计搭建了不同的试验平台及设备,成功制备得到了连续纤维增强热固性树脂基复合材料3D打印构件,还测试得出其(纤维含量为52%)拉伸强度及拉伸模量分别达到1325.14MPa和100.28GPa;弯曲强度及弯曲模量分别为1078.03MPa和80.01GPa;层间剪切强度为58.89MPa。大幅提高了纤维增强树脂基复合材料3D打印成型构件的力学性能。     

一种VARI工艺成型用树脂及其复合材料的研究

以一种VARI(Vacuum Assisted Resin Infusion)成型工艺用环氧树脂RTM6-2为基体,研究了其固化特性,并使用VARI工艺制备了碳纤维增强复合材料层合板,对其性能进行了研究。结果表明:RTM6-2的工艺操作温度为100±10℃,工艺温度下的适用期可达7~9h,树脂浇铸体的经过180℃固化后的玻璃化转变温度为203℃~207℃;层合板的纤维体积含量在56%~57%之间,孔隙率小于1%,玻璃化转变温度为160℃~167℃。同时,通过试验得到了层合板的力学性能。     

碳纤维/环氧树脂超薄预浸料成型工艺及胶膜匹配性研究

采用DSC分析了超薄碳纤维预浸料CF832/T700所用树脂体系的固化反应动力学参数,通过正交试验研究了预吸胶工艺参数及固化工艺参数对超薄碳纤维复合材料层合板力学性能的影响规律,选用EA9696NW、LWF–2B和FM73M 3种不同胶膜对超薄预浸料面板与蜂窝芯共固化以确定最匹配的胶膜。结果表明,CF832/T700预浸料的固化反应活化能为85.98k J/mol,反应级数为一级反应,固化反应较慢,前固化温度、固化温度和后固化温度分别为115℃、135℃、171℃;通过弯曲及拉伸性能确定出的最佳预吸胶工艺参数为预吸胶温度60℃、预吸胶压力0.3MPa、预吸胶时间10min,最佳固化工艺参数为固化温度130℃、固化压力0.4MPa、固化时间2.5h;EA9696NW胶膜对超薄预浸料面板及蜂窝芯的共固化效果最好。     

原位光固化复合材料纤维铺放制造工艺

通过调整紫外光参数和铺放速度参数,制备了相应的NOL环测试件和层合板样件。研究结果表明紫外光原位固化纤维铺放制造工艺是可行的。复合材料具有比强度高、比模量高、抗疲劳性能和耐腐蚀性能优良等优点。随着复合材料的广泛使用,各种高效低成本的制造方法也不断出现。如纤维铺放成型技术、树脂     

短切碳纤维增强聚酰亚胺复合材料性能

以短切T700(C–T700)碳纤维为增强材料,HT–350RTM聚酰亚胺为树脂基体,采用模压成型工艺制备了短切碳纤维增强热固性聚酰亚胺复合材料(C–T700/HT–350RTM),研究了短切纤维体积分数对短切纤维聚酰亚胺复合材料线膨胀系数和力学性能的影响规律。结果表明,短切纤维聚酰亚胺复合材料的线膨胀系数随着短切纤维体积分数的增加而降低,拉伸、压缩、弯曲模量均随着短切纤维体积分数的提高而增加,而拉伸强度和弯曲强度先增加后降低,压缩强度则呈现随纤维体积分数缓慢增加的趋势。     

高效湿法缠绕用环氧树脂配方及其复合材料性能

针对高质固体火箭发动机壳体高效的生产要求对不同官能度环氧树脂复配体系的工艺性进行研究,重点开展了多官能团环氧树脂复配体系配方设计及力学性能研究,分别采用DSC(差示扫描分析)、黏度测试进行固化特征温度、固化反应动力学及工艺适用期研究,并最终制备单向层合板及NOL(the Naval Ordnance Laboratory)环进行复合材料性能的测试分析。研究结果表明:三官能度复配的环氧树脂能满足高效湿法缠绕要求。当三官能度的TDE-85质量分数为25%时,综合性能达到最优,适用期仅为120 min,拉伸强度为973 MPa,弯曲强度为115 MPa,玻璃化转变温度高达466 K,较最低值分别提高363%、159%、258%。该树脂体系与纤维匹配性好,复合材料性能优良,NOL环拉伸强度与层间剪切强度分别为256 GPa、744 MPa,纤维强度利用率达766%,适用于固体火箭发动机湿法缠绕成形。     

新型含硅芳炔树脂复合材料制备工艺

以含硅芳炔树脂为基体、高强玻璃布为增强材料制备了新型含硅芳炔树脂复合材料,探讨了树脂的固化工艺,研究了树脂含量、成型温度和成型压力对复合材料性能的影响,确定了含硅芳炔树脂复合材料成型的工艺参数:树脂质量分数31%、升温程序170℃/2h+210℃/2h+250℃/4h、成型压力1.0MPa。优化工艺条件下制备的复合材料弯曲强度达278MPa。     

CF/PEEK超声原位固结铺放及其复合材料力学性能

热塑性复合材料自动铺放（ATP）原位固结成型是未来航空复合材料结构件的发展趋势,缩小其制件与热压制件性能的差距具有工程实践意义。基于超声原位固结成型工艺,制备碳纤维增强聚醚醚酮树脂基复合材料（CF/PEEK）层合板,并与铺放后热压和直接平板热压试样比较力学性能差异,为热塑性复合材料的自动铺放提供参考。结果表明,超声热源能够满足CF/PEEK铺放的能量要求,功率的增加和铺放速度的降低有利于铺层结合;与平板热压试样相比,铺放成型试样的孔隙率高,纤维存在部分损伤;在节省了平板热压后固化周期的情况下,超声铺放单向层合板试样拉伸强度、拉伸模量和层间剪切强度分别为1.32、113.8 GPa和39.2 MPa,达到了直接热压试样的80.4%、84.8%和65.1%,在经过热压后固化后,分别提高到直接热压的92.1%、92.6%和82.5%。超声原位固结成型试样的简支梁摆锤冲击失效形式为分层,其经过热压后,孔隙率下降,铺层结合强度提高,试样的冲击失效形式为断裂,与直接热压的相同。     

薄壁曲面复合材料层合板成型工艺参数与形面精度影响规律

为了得到高形面精度复合材料层合板适用的成型工艺控制方法,本文针对典型的Φ500 mm直径曲面球冠结构复合材料层合板,设计了6组不同工艺参数的成型对比实验,分析出边缘效应、铺放方式、固化温度等参数对层合板固化变形量的影响规律。研究表明,增加碳纤维模量和降低预浸料单层厚度可提高层合板形面精度;层合板铺放尺寸超过直径的5%可降低边缘效应的影响;自动铺丝技术铺放质量一致性高,手工铺层可以制造出高形面精度的层合板,但相对发生概率低;降低层合板固化温度和降温速率能够有效地提高层合板的形面精度。实验结论对复合材料高精度成型具有一定的指导意义。     

高性能PBO纤维复合材料成型工艺参数研究

研究了PBO纤维与环氧树脂复合成型工艺参数如树脂配方、浸渍张力、缠绕张力对PBO纤维缠绕成型复合材料力学性能的影响,同时优化了这些工艺参数。研究结果表明,PBO纤维复合材料的拉伸性能很好,但其纤维表面呈惰性,对树脂系统的拉伸性能、韧性和弯曲性能均要求较高,缠绕张力大约占其股纱强力的3 5%左右时,PBO纤维的NOL环层间剪切强度达到最高（29MPa）,才能发挥PBO纤维的高强特性。     

铺层结构对复合材料层合板拉伸性能的影响

设计并制备了6种不同铺层结构的层合板,通过对其进行拉伸试验,研究了不同铺层角度及不同铺层比例对层合板拉伸性能的影响。通过试验获得了6种复合材料层合板在拉伸试验中所能承受的极限拉伸强度,损伤特征以及载荷-位移曲线。结果表明:随着偏轴角增大,复合材料层合板拉伸强度逐渐降低,当45°和90°铺层体积分数相同时,45°铺层的层合板拉伸强度高于90°铺层的层合板;[0°/45°]铺层在表面可有效减小分层面积,由于内部剪切作用[0/90°]铺层更易出现分层。验证了复合材料层合板可通过改变铺层角度设计其力学性能。     

固化工艺参数对聚酰亚胺复合材料性能影响

采用热压罐成型工艺制备了MT300/902聚酰亚胺复合材料,测试了加压温度、加压大小和固化温度下复合材料的力学性能,分析了不同固化工艺参数对复合材料力学性能的影响规律。结果表明:MT300/902聚酰亚胺复合材料固化时的最佳加压时机为240～260℃、加压不小于1.2 MPa、固化温度在310～330℃为最佳。按照最优的成型工艺参数制备的复合材料构件质量高,缺陷能够控制在2%以下,力学性能进一步提高。     

MT300/603复合材料工艺仿真与缺陷控制

从热传导/固化反应和树脂流动/纤维密实两方面对MT300/603复合材料热压罐成型工艺进行仿真分析,研究固化温度、保温时间、加压时机及成型压力对先进网格结构纤维体积含量与内部质量的影响规律,建立工艺改进与缺陷控制措施。通过?1 m网格试件无损检测及轴压破坏实验验证,结果表明:提高成型压力、强化预压实等工艺优化与缺陷控制措施有效,试件的内部质量及承载能力明显提高。     

热压压力对B/Al复合材料组织结构及力学性能的影响

使用表面覆有B4C涂层的硼纤维，采用大气等离子喷涂法制备连续硼纤维增强铝基复合材料预制片，结合真空热压扩散焊制备了纤维均匀分布的B／Al复合材料。探讨在接近铝基体熔点温度的条件下热压压力对复合材料力学性能与B／Al界面结合的影响，分析了B／Al界面结合状态与断口形貌及力学性能之间的关系。研究表明：热压压力对制备的B／Al复合材料的纤维体积分数、B纤维与Al基体的界面结合状态和拉伸强度有显著的影响；纤维表面的B4c涂层有效地防止了B纤维与Al基体间的界面反应，在温度6500C、压力10MPa的条件下，制备的纤维体积分数为42％的B／Al复合材料拉伸强度达到968MPa，达到了纤维理想强度的77％。     

一种交织铺层结构层合板性能

结合复合材料自动纤维铺放(AFP)技术,提出了一种交织铺层结构层合板成型方法,制备了非交织、交织正交层合板、非交织、两向交织和四向交织准各向同性层合板复合材料,并对交织铺层结构复合材料的层间结构和性能进行了分析研究。结果表明:交织正交层合板的拉伸、压缩、弯曲性能较非交织板性能均有所下降,但其层间剪切性能有明显提高,提高幅度约为16%;随着交织铺层组厚度的增加,交织层合板的拉伸性能呈下降趋势;交织层合板的开孔后拉伸、开孔后压缩和冲击后压缩强度保持率均高于非交织板,且冲击后分层损伤面积明显低于非交织板。交织铺层结构层合板相对于普通非交织层合板具有更好的损伤容限能力。     

7501 氰酸酯树脂及其复合材料性能

研究了7501 氰酸酯树脂的工艺和耐热性能,以EW220 布为增强材料,采用RTM 成型工艺制备
了EW220/7501 复合材料层板,研究了其室温和高温力学性能。结果表明:7501 氰酸酯树脂的最低黏度为87
mPa·s,开放期大于10 h,300℃固化后,热分解温度为431℃,Tg 可达421℃;EW220/7501 复合材料室温下具有
良好的力学性能,其中拉伸强度为393 MPa,压缩强度为356 MPa,弯曲强度为602 MPa,层间剪切强度为43
MPa,在300℃下,各项力学性能保持率均≥80%。     

CCF300/5228A复合材料RFI成型工艺参数

采用经过改性的低成本树脂膜熔渗工艺(RFI)用5228A高温环氧树脂体系,以国产纤维CCF300碳纤维为增强材料,对改性后的RFI专用5228A环氧树脂体系的RFI工艺参数进行研究。对5228A树脂体系RFI成型的全部过程中渗透浸渍纤维和树脂固化成型两个基本工艺的树脂体系的黏温性能、浸渍压力、CCF300纤维预制体的压缩特性以及固化动力学和固化工艺参数等因素的研究表明:改性后的RFI专用5228A环氧树脂体系能够完全满足RFI工艺的要求。RFI专用CCF300/5228A碳纤维复合材料的最佳浸渍工艺为(125±3)℃,(0.1±0.02)MPa下,保温90min;树脂固化成型的最佳工艺参数为:加压至(0.5±0.02)MPa,然后升温至(190±3)℃,恒温90min。整个工艺过程中的升温速率保持在1~1.5℃/min之间。