连续碳纤维增强聚苯硫醚复合材料模压成型的表面质量研究

模压是热塑性材料制备产品时的一项重要工艺,而模压成型的表面质量是产品整体质量评估的重要参考。本文通过对聚苯硫醚碳纤维预浸料基本特性研究,采用自行设计的直角模具及温控系统对缎纹织物预浸料、单向预浸料进行了模压试验,综合考虑了加热温度、模具温度、冷却时间、压力、铺层与折弯角对塑型表观的影响。结果表明,预浸料在特定的温度范围内更利于树脂的浸渍,同时可保持在一定的黏度下还不发生外流;降温与压力的合理配合能使成型表面更加平整光亮,单向预浸料铺层形式会影响模压成型的表面质量,而织物预浸料影响较小;模压成型时,产品的局部形状变化更容易产生质量缺陷,应尽量避免尖角或大曲率过度设计。     

热熔法制备连续纤维增强热塑性预浸料的浸渍模型和研究进展

力学性能优异、使用温度区间广、可二次加工等独特性能使得连续纤维增强热塑性预浸料得到长足发展。热熔法是一种精确高效的热塑性预浸料成型方法,而如何实现PPS、PEEK等高黏度树脂熔体对连续纤维束的均匀、充分浸渍是亟待解决的工程难题。首先,基于Darcy定律提出了4个浸渍理论模型,充分考虑了工艺温度、压力、加工阶段及纤维束形状对浸渍程度的影响,为连续纤维增强热塑性预浸料生产线的搭建和工艺参数的制定提供了理论指导。然后,对国内外连续纤维强热塑性预浸料的研究及产业化现状进行对比:国外相关产业发展成熟,预浸料种类繁多且在军机、民机等领域广泛应用,但对国内实行严厉的限购政策;国内,高性能连续纤维增强热塑性预浸料具有广阔的应用空间和急切的需求,介绍了北航热塑团队自主研发的热熔法制备连续纤维增强高性能热塑性预浸料的中试生产线,其从一定程度上缓解了国内的需求。     

自动铺带中红外加热技术研究

为保证复合材料预浸带始终处于适宜铺放成型的工艺窗口内,自动铺带( ATL)成型过程中需要对预浸带的铺放温度进行精确控制.为适应高速率自动铺放,需要研究新的高效加热及精确控制方法.本文提出高加热效率、高响应速率的红外辐射加热方案.通过对红外热源与预浸带能量传输过程的分析,提出了红外加热过程中各传递系数的计算方法和公式.基...     

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0.1 mm,牵引速率为15~20 mm/s,张力为7 N。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1.71 GPa。     

面向高速铺放预浸料层间粘结性能研究

为了研究自动铺放过程中预浸料层间粘结性能与铺放工艺的关系,自行设计了一套模拟高速铺放过程的预浸料粘结性能测试系统,采用自动铺放和剥离实验分开进行的"两步法"作为粘结性能的测试方法。利用该测试方法研究了CCF300/BA9916-2环氧树脂预浸料的自动铺放粘结性能工艺特性,采用单因素实验,研究了不同铺放工艺参数对预浸料层间粘结性能的影响规律,并运用正交实验,确定了各铺放工艺参数对预浸料层间粘结性能的影响程度。实验结果表明,预浸料层间粘结性能随着铺放压力和铺放温度的增大而增大,随着铺放速度的增大而减小。铺放温度对预浸料层间粘结性能影响最为显著,其次为铺放压力,铺放速度影响最小。     

单晶硅超精密切削工艺参数优化与实验研究

为提高单点金刚石车削单晶硅的表面质量,以表面粗糙度为优化目标,设计正交切削实验,过方差分析、响应曲面分析和极差分析研究主轴转速、进给速度和切削深度对表面粗糙度的影响。结果表明：主轴转速对表面粗糙度影响显著,其贡献率最大,主轴转速越大,表面粗糙度值越小;建立表面粗糙度回归模型,主轴转速和进给速度的交互作用对表面粗糙度的影响最大;获得最优切削参数组合,即主轴转速3 300 r/min,进给速度2 mm/min,切削深度5 µm。在此切削条件下,获得了表面粗糙度Ra 2.7 nm的高质量单晶硅元件,在扫描电镜下观察其表面相对光滑,切屑呈带状,材料在延性域内去除。     

脉冲电流大厚度电解线切割加工试验

航空航天难加工材料直纹面构件的高精度高表面完整性加工已经成为制造领域普遍关注和亟需解决的难题,电解线切割加工在高表面完整性要求加工场合上具有原理性优势。建立脉冲电流电解线切割加工模型,分析了工件厚度变化带来的影响。试验结果表明：随着工件厚度增加,电解液电阻减小,工件两端极间电压减小,加工缝宽变窄;双电层时间常数增大,脉宽时间内充电所能达到的电位降低,有效加工时间变短,平均电流密度较低;脉冲频率大于20 kHz时,最大进给速度随频率增加而快速减小,低于20 kHz时,最大加工速度差别较小。最后,采用脉冲频率20 kHz,以进给速度4 μm/s稳定加工出20 mm厚榫头/榫槽结构,表面粗糙度约为0.449 4 μm,表面质量、加工效率明显高于100 kHz加工效果。     

温度对预浸料铺放效果的影响

为了有效控制自动铺带成型工艺参数,针对自动铺带成型工艺过程,分析了自动铺带成型过程中温度对预浸料铺放效果的影响.在一定的压力和速度作用下,根据温度对自动铺带过程中预浸料基体流动性的影响,提出了一种基于热弹性理论来计算预浸料形变的方法.针对预浸料的铺覆性和形变进行自动铺放试验,验证了在自动铺带过程中温度对预浸料黏附性和带...     

基于探针试验的预浸料黏性内聚力模型

以预浸料黏性为研究对象,通过探针试验,研究了预浸料铺放过程中预浸料与模具之间的脱粘失效行为及其随铺放工艺参数的变化规律。试验中发现铺放速率、压力和温度对预浸料黏性行为影响显著,且存在界面失效（低温）和内聚失效（高温）两种失效模式。针对这一现象,采用指数内聚力模型（CZM）表征了预浸料的黏性行为,利用该模型描述了不同铺放温度下粘结层应力快速上升、损伤扩展和最终失效的脱粘过程,定量地给出了黏性CZM参数与铺放工艺参数之间的关系。研究结果表明,预浸料粘结强度和特征位移均随铺放速率增加而近似线性减小,均随铺放压力增加而近似线性增大。随铺放温度的增加,黏性CZM参数先增大后减小,近似呈二次关系。为制定特定铺放条件下的铺放工艺规划提供参考。     

树脂配制方法的改进对双马树脂及预浸料性能影响

提出浆料混合法配制热塑性树脂改性聚醚酮(PEK-C)增韧的双马树脂,研究浆料混合法配制的双马树脂及其T700碳纤维预浸料的基本性能,并与传统热熔法进行比较.结果发现,与传统热熔法相比,浆料混合法显著提高树脂和预浸料的粘性和室温储存稳定性,预浸料由传统的无粘性变成粘性和可操作性良好,室温粘性和力学性能储存期由原来的20天提高到至少三个月以上,并且制备预浸料的涂布头温度和热压辊温度可降低30～40℃左右,明显改进了预浸料的制备工艺.复合材料的力学性能和耐热性测试结果表明,改变树脂配制方法对复合材料的力学性能和耐热性没有影响.     

热塑性预浸丝铺放过程中温度场数学模型及其仿真

建立了热塑性碳纤维预浸丝铺放过程中二维温度场分布的模型。考虑铺放中热气筒的热气速率、热气温度的影响,当热气流速从650升高至800 m/s时,APC2的对流传热系数增加150 W/(m2.℃)。利用ANSYS对整个铺放过程热量的瞬态热传导进行了仿真,得到复合材料构件在整个铺放过程中温度场分布及其随时间的变化。通过对铺放头分别以40和20 mm/s进行铺放时温度场随时间变化的比较,可知铺放头移动速率越慢,粘合点处的温度峰值越高。当把铺放头移动速率降至20 mm/s以后,粘合点温度峰值升至355℃以上,达到APC2的熔点,因此在此条件下加工时铺放头移动速率理论上应低于20 mm/s。通过对比,证明了温度场数学模型的正确性。     

预浸料厚坯超声切割工艺研究

 预浸料厚坯超声切割技术,具有无刀具磨损、加工速度快、加工精度高、无粉尘污染等优势,切割质量优异,在国外已得到了广泛应用,而国内目前仍处于初期研究阶段。本文以航空航天应用为主的碳纤维预浸料厚坯为实验材料,研究了切割温度、切割速度以及切割能量等切割工艺参数对切割质量的影响。研究结果表明,对于一定厚度的预浸料厚坯,最优的切割工艺参数组合:切割温度为5℃,切割速度为1.0 m/min,切割能量为8级。该研究方法与研究成果为超声切割技术在预浸料切割中的应用奠定了基础。     

粗糙度对水滴飞溅特性的影响规律研究

为研究表面粗糙度对水滴撞击飞溅特性的影响,在不同温度、不同粗糙度表面条件下开展了水滴撞击飞溅动力学实验。实验通过高速摄像机,观察记录了水滴撞击不同粗糙度表面时,飞溅子液滴的直径、反射角度与速度等信息,由此分析了表面粗糙度对水滴飞溅特性的影响规律。研究结果表明:在一定撞击参数K范围,子液滴直径主要受粗糙度的影响,表面越粗糙,子液滴平均直径越大;粗糙度对子液滴法向和切向速度的影响呈现出相反的规律;子水滴无量纲角度与粗糙度St呈现正相关,尽管在St>0.1时,温度影响开始出现,但相比粗糙度仍然是小量。     

高柔性低面密度预浸料的制备与性能研究

考察了高韧性预浸料用环氧树脂体系黏度对预浸料加工工艺的影响,探讨了涂膜和预浸复合工艺参数对预浸料质量的影响,采用热熔法工艺成功制备了高柔性低面密度预浸料。评价了预浸料的质量参数,单层厚度达到(25±5)μm,具有优良的粘结性和铺覆性。力学性能测试结果表明,相对于常规厚度预浸料,高柔性低面密度预浸料复合材料的层间断裂韧性、层剪强度和弯曲强度分别提高了19%、27.7%和15.3%。微观形貌观察表明高柔性低面密度预浸料制备的复合材料具有较好的界面结合强度。     

预浸料-真空固化复合材料工艺特点与应用

文摘从树脂工艺性、预浸料结构及成型工艺等方面介绍了预浸料-真空固化复合材料工艺特点,简要总结了预浸料-真空固化技术在航空航天领域复合材料制造中的应用现状,并对预浸料-真空固化技术发展进行展望。     

激光辅助车削工艺参数对单晶硅表面质量的影响

为了提高单晶硅激光辅助车削加工表面质量,通过开展激光辅助和常规车削加工试验,结合表面粗糙度、表面形貌及拉曼光谱检测,研究激光辅助车削技术对加工质量的影响。基于正交试验方法,研究单晶硅激光辅助车削工艺参数对表面粗糙度的影响;通过方差分析和极差分析评估各因素对表面粗糙度的影响。研究结果表明：与常规车削相比,激光辅助车削可有效提高加工表面质量,降低材料表面的残余应力。主轴转速、进给速度、切削深度和脉冲占空比对表面粗糙度的贡献率分别为17.51%、44.48%、6.69%和14.70%。确定最佳加工参数组合如下：主轴速度为4 000 r/min,进给速度为2 mm/min,切削深度为5μm,脉冲占空比为30%,最终获得表面粗糙度Rq为2.4 nm的高质量表面。     

IC10定向凝固高温合金缓进磨削工艺参数优化研究

通过设计正交试验,研究了IC10高温合金在缓进磨削过程中磨削工艺参数及表面粗糙度对疲劳寿命的影响规律,建立了工艺参数对磨削表面粗糙度及疲劳寿命影响的映射关系模型,并以表面粗糙度、疲劳寿命、材料去除率为优化目标进行了IC10高温合金缓进磨削工艺参数多目标优化。研究表明,IC10高温合金磨削工件疲劳寿命随砂轮线速度的增加而增加,随工件进给速度和磨削深度的增加而减小,且疲劳寿命随砂轮线速度的变化最为敏感,工件进给速度次之,对磨削深度的变化敏感度最低。当表面粗糙度R_a由0.44μm增大到0.94μm时,磨削工件疲劳寿命由9.69×10⁶降低到1.25×10⁶,减小了约87.1%,这表明磨削表面粗糙度对磨削疲劳寿命的影响非常显著。在综合考虑磨削表面粗糙度、疲劳寿命、材料去除率的情况下,通过多目标优化得到IC10高温合金缓进磨削工艺参数为：砂轮线速度v_s=20m/s,工件进给速度v_w=117mm/min,磨削深度a_p=0.48mm。     

TC4钛合金腐蚀加工速度和表面质量影响因素研究

研究了腐蚀溶液成分和工艺参数对TC4钛合金腐蚀加工速度、表面粗糙度和平整度的影响,利用扫描电镜观察了腐蚀加工前后的表面形貌.研究结果表明:氢氟酸浓度和溶液温度直接决定着腐蚀加工速度,随HF浓度和温度的增加,腐蚀加工速度升高.硝酸具有显著降低表面粗糙度的作用.溶液中的钛离子对腐蚀加工速度以及钛合金零件腐蚀后的表面质量有一定的影响,溶液中钛离子含量较低时,腐蚀加工速度较快,表面平整度较好,随钛离子含量的增加,腐蚀加工速度下降,表面不平整度增加.试样垂直吊挂时,定时翻转并搅拌可以得到均匀腐蚀的表面.     

面向铺放工艺的预浸料剥离仿真与试验验证

为系统建立可表征刚度与黏性的预浸料剥离模型,构建探针、拉伸与剥离相结合的试验验证系统。首先,设计用于预浸料的移动悬臂剥离装置,完成各工艺参数下预浸料黏性和动态刚度的90°剥离试验测定,并建立剥离仿真模型;然后,通过探针试验获取黏性参数,采用内聚力模型定量表征黏性参数;接着,通过拉伸、压缩试验测定预浸料的正交各向异性力学参数,连同探针试验获得的黏性参数一同输入到剥离模型中,在各个工艺参数下黏性和刚度的仿真结果与试验值吻合程度良好;由于仿真与试验揭示剥离脱辊现象会影响剥离力测定值,因此研究脱辊现象及其机理,发现将导辊半径设计在3~7 mm内,可减弱脱辊程度、提高剥离试验的准确性。为系统测定并表征预浸料黏性及刚度、预浸料建模、开展自动铺放仿真等提供了参考。     

一种中温透波自黏性树脂及复合材料性能研究

研制了一款中温透波自黏性树脂,对树脂的凝胶时间、流变性能等进行了测试,使用该树脂制备了中温透波自黏性玻璃纤维织物及石英纤维织物预浸料,对预浸料的物理性能进行了表征测试。研究了复合材料层合板的耐热性、力学性能和介电性能,结果表明复合材料玻璃化转变温度达148℃,具有优良的力学性能和介电性能,且在93℃时具有较高的力学性能保持率,满足使用要求。进行预浸料和蜂窝胶接,测试了试验件的剥离强度,结果表明滚筒剥离强度≥50N.mm/mm,树脂预浸料自黏性较好,夹层结构的滚筒剥离强度高,满足应用指标要求。与民机用典型进口预浸料体系CYCOM■7701/7781对比,两种复合材料室温干态及93℃干态层间剪切性能相当,ACTECH■1210/2221在耐热性与介电性能方面更具优势。