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    厚截面碳纖維復合材料VIMP工藝制備與性能研究

       日期:2021-04-02     來源:復材網    瀏覽:295    評論:0    
    核心提示:  真空導入模塑工藝(Vacuum Infusion Molding Process, VIMP)是大型復合材料構件的常用制備工藝。本文系統開展了VIMP工藝整
       真空導入模塑工藝(Vacuum Infusion Molding Process, VIMP)是大型復合材料構件的常用制備工藝。本文系統開展了VIMP工藝整體成型大尺寸厚截面碳纖維復合材料的相關基礎研究。重點考察了厚截面碳纖維預成型體中碳纖維/樹脂的浸潤機理、樹脂體系的流變行為和固化動力學行為、多層纖維織物預成型體的壓縮響應行為、多層纖維織物預成型體的面內(x-y平面內)和面外(即z向)滲透特性、厚截面復合材料固化過程中的熱化學效應和殘余熱應力、以及尺度效應對碳纖維復合材料靜態力學性能的影響規律。
    主要研究工作包括: 開展了碳纖維/環氧樹脂的界面性能研究。采用偶聯劑直接加入樹脂中的遷移法來改善碳纖維/樹脂的界面性能,確定偶聯劑的佳含量,優選出纖維/樹脂界面粘接性能佳的胺基硅烷偶聯劑改性環氧樹脂體系為VIMP工藝整體成型厚截面碳纖維復合材料的基體樹脂體系。 開展了基體樹脂體系的VIMP工藝特性研究??疾炝嘶w樹脂體系的等溫和非等溫流變特性。結果表明,基體樹脂體系具有VIMP工藝整體成型厚截面碳纖維復合材料的低黏度流變特性,及其適宜的低黏度保持時間。針對單一黏度模型難以準確預測寬黏度范圍內樹脂體系黏度變化的問題,提出了聯合黏度模型來預測樹脂體系的流變行為。結果表明,在0~5000mPa·s黏度范圍內聯合黏度模型預測黏度結果與實驗值具有良好的一致性。
    開展了基體樹脂體系的固化動力學研究。采用DSC熱分析法確定了基體樹脂體系的佳預固化溫度、固化溫度和后固化溫度。建立了基體樹脂體系的固化動力學模型。結果表明,樹脂體系的動態和等溫固化動力學行為可分別采用自催化模型和修正自催化模型來描述,大固化度與等溫固化溫度呈良好的線性關系。
    開展了真空負壓下多層纖維織物預成型體的壓縮響應研究。采用數值模擬方法分析了VIMP工藝注射過程中纖維預成型體壓實應力狀態隨樹脂滲流進程的變化規律,以及預成型體厚度(層數)變化對其滲透率、纖維體積分數和流體壓力的影響??疾炝瞬牧蠀岛凸に噮祵Ω蓱B纖維預成型體壓縮響應的影響。結果表明,纖維預成型體的壓實和松弛過程存在明顯的滯后現象。預成型體纖維體積分數和厚度隨真空壓力、壓實時間和循環加載次數的變化關系遵循雙參數或三參數冪律模型。預成型體纖維體積分數和松弛因子均隨其厚度(層數)的增加而增大。
    纖維預成型體的壓縮響應行為與纖維種類、織物形態、鋪層方式和混雜方式等因素密切相關??疾炝薞IMP工藝參數對濕態纖維預成型體壓縮響應、復合材料制品厚度和纖維體積分數的影響。結果表明,預注射階段、注射階段和后注射階段,纖維預成型體的厚度變化規律遵循不同的壓縮響應模型。沿注射口至抽氣口方向,VIMP工藝成型復合材料制品的厚度呈現逐漸減小的趨勢,纖維體積分數則逐漸增大。 開展了多層纖維織物預成型體的面內(x-y平面內)滲透特性研究??疾炝藢Я鹘橘|對纖維預成型體面內滲透率及樹脂流動行為的影響,以及預成型體面內滲透率隨其厚度(層數)的變化規律和厚度效應。結果表明,VIMP工藝中導流介質的提速機理可用滲漏模型和Lead-lag效應來描述。導流介質的提速作用隨纖維預成型體厚度(層數)的增加而逐漸減弱。纖維預成型體的面內表觀滲透率隨其厚度(層數)的增加而降低。
    開展了多層纖維織物預成型體的面外(即z向)滲透特性研究。提出了一種新的面外滲透率測試方法,考察了纖維預成型體面外滲透率隨其厚度(層數)的變化規律,以及穿層縫合對預成型體面外滲透率的影響。結果表明,纖維預成型體的面外滲透率比其面內滲透率低1~2個數量級。纖維預成型體的面外滲透率隨其厚度(層數)的增加而降低。穿層縫合能夠顯著提高纖維預成型體的面外滲透率,且縫合因子隨厚度(層數)的增加而增大。采用Lead-lag效應表征多層纖維織物預成型體中樹脂液體的面內和面外耦合流動行為。結果表明,隨著纖維預成型體厚度(層數)的增加,耦合流動行為的影響作用增大。
    開展了厚截面碳纖維復合材料固化過程中的熱化學效應和殘余熱應力研究??疾炝藛蚊娣菍ΨQ加熱條件下,固化過程中厚截面碳纖維復合材料構件內部的溫度和固化度分布,以及厚度變化對溫度和固化度分布的影響。結果表明,厚截面復合材料構件中存在明顯的溫度突變。構件內部溫度和固化度呈梯度分布,溫度差別大可達30℃,而固化度差別大可達10%。溫度突變幅度、大峰值溫度、溫度梯度和固化度梯度均隨著復合材料構件的厚度和體積的增加而增大??疾炝撕穸茸兓瘜窠孛嫣祭w維復合材料殘余熱應力的影響。結果表明,厚截面復合材料橫向殘余熱應變的絕對值明顯大于縱向殘余熱應變。厚截面復合材料殘余熱應力隨著構件厚度的增加呈現增大趨勢。 開展了厚截面碳纖維復合材料靜態力學性能的尺寸效應研究。結果表明,厚截面碳纖維復合材料彎曲強度、短梁剪切強度和壓縮強度均隨著厚度的增加而降低,而彎曲模量和壓縮模量的測試結果則與試樣厚度基本無關。厚截面復合材料的彎曲強度、短梁剪切強度和壓縮強度具有明顯的尺寸效應,且可用Weibull概率模型進行描述。厚截面復合材料彎曲強度和短梁剪切強度的尺寸效應不僅與“弱鏈”數目有關,而且與試樣的三維應力狀態有關,而壓縮強度的尺寸效應僅取決于“弱鏈”的分布和數目。
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