树脂基材料

树脂基材料（共9篇）

树脂基材料 篇1

近年来,人们已经逐渐认识到热塑性复合材料某些潜在的特性,由于这种新型复合材料存在的巨大潜力,使人们正在花费大力气促进这种材料的成熟。相应地,热塑性复合材料的复合工艺研究成为复合材料研究的重要内容,尤其是连续纤维增强高性能热塑性基体复合材料的复合工艺研究成为复合材料研究的前沿课题。本项研究的重点是热塑性复合材料浸渍技术研究,即高性能热塑性复合材料“层内复合”工艺的研究。

1 热塑性复合材料的复合工艺有它独特工艺特点

短纤维增强和中长纤维热塑性复合材料的加工工艺与塑料加工和金属加工类似,而连续纤维增强热塑性复合材料复合工艺与热固性复合材料复合工艺有着很大的差异。

热固性树脂在固化以前,可以很容易地转变为低黏度状态(黏度<1Pa.s)。在这种状态下,树脂易于浸渍纤维,如环氧树脂。一般说来,在低压(<1MPa)或接触压力下即可得到密实结构。热塑性复合材料由于分子结构的特点,其复合材料加工方面的突出特点是,室温下,热塑性塑料呈固态;加热熔融状态下,树脂熔体黏度大(>1MPa·s),熔体流动困难,与纤维的浸渍性差。欲获得低孔隙率的密实结构,在复合过程中必须施加足够的压力(约10MPa)和较高的成型温度。在连续纤维增强热塑性复合材料的拉挤和缠绕复合过程中,同时实现高温和高压两个工艺环境是十分困难的,尤其是高压。

在连续纤维增强热塑性树脂基复合工艺研究中,我们借鉴了“热装配”工艺思想,把连续纤维增加热塑性复合材料的复合工艺划分为“层内复合”和“层间复合”两个工艺步骤:

第一步,“层内复合”过程是将单向纤维束通过特殊设计的装置,使之在一定的温度和压力下完成纤维的浸渍,排除树脂熔体和纤维包含的气体;然后,在压力作用下固结、密实,即可得到浸渍完全的热塑性基体预浸材料,如APC-2/AS4。

第二步,在结构件的成型过程中实现“层间复合”,即实现“热装配”。为实现“层间复合”,首先,加热预浸材料,使之活化;然后,在较低压力下(APC-2/AS4固结压力为1.4 MPa)排除预浸材料界面之间的孔隙,使之粘合,实现分子间扩散,并在压力下固结、压实,形成密实结构。[1,2,3,4]

2 增强材料与基体材料

2.1 碳纤维

碳纤维是有机物,如聚丙烯腈纤维、沥青纤维等有机物,经预氧化和高温氧化处理属于过渡态碳,为多晶系、乱层结构[17],其石墨的微观结构见图1。

2.2 聚醚醚酮

聚醚醚酮—Polyetheretherketon(简称PEEK)是分子主链含有连节的线型芳香族高分子聚合物。

2.3二苯砜

二苯砜-Diphenglsulfone(简称DPS)是一种白色晶体化合物,它的相对分子质量为218.27,分子结构为:

2.4 浸渍工艺模型

聚合物熔体的浸渍过程如下图,是要求纤维大致保持在确定位置上,籍助于压力的作用,以及纤维/熔体界面之间的毛细作用,将聚合物熔体注入纤维束的过程。聚合物熔体的流动可分为沿纤维方向的流动和穿透纤维的流动。沿纤维方向纵向扩展流动和穿透纤维的横向扩展流动是同时发生的。

通过公式推导,降低聚合物黏度,减少纤维体积含量,增加渗透速率均能够减少浸渍时间,熔体黏度愈低,愈有利于熔体的流动,浸渍时间愈短。浸渍的纤维厚度与浸渍时间成平方关系,它极大地影响着浸渍程度。纤维层越薄,浸渍距离越小,越有利于浸渍。若浸渍层厚度较大,将大幅地增加浸渍时间。同时,增加纤维与聚合物熔体的接触角,改善纤维的表面状态均有利于聚合物熔体与纤维的浸渍。

分析聚合物浸渍工艺模型可知,与浸渍相关的工艺参数有:聚合物熔体黏度、纤维厚度、纤维体积含量、浸渍压力等。当纤维体积含量确定时,降低聚合物熔体黏度,将纤维束分散成厚度均匀且薄的纱片,减小浸渍距离,改善纤维与聚合物熔体接触的表面状态是熔融浸渍技术研究的重要内容。

根据PEEK/DPS冻胶与碳纤维熔融浸渍工艺的特点,设计和加工了熔融浸渍机组如下图。熔融浸渍机组由供纱、纤维预热、分散、熔融浸渍、去除溶剂、带固结及收卷六部分组成。供纱系统主要由纤维张力控制器和纱架组成,纱架上配备有60套张力控制单元。纤维张力控制单元采用力矩电机作为驱动源。纤维预热装置的主要功能:一是去除碳纤维表面吸附的水分;二是预热碳纤维,以利于碳纤维与PEEK熔体很好地润湿。纤维浸渍系统是CF/PEEK复合材料浸渍工艺的关键。该系统由挤出机和浸渍模组成。挤出机的功能是将PEEK/DPS混合物熔融,并在挤出压力作用下将PEEK/DPS熔体送入浸渍模。溶剂去除装置由辅助加热、加热辊以及带有的冷却装置构成。

PEEK/DPS熔体浸渍碳纤维后,通过加热辊去除预浸带的DPS。加热箱的作用是防止热失散和辅助的辐射加热。在较高的温度作用下,DPS迅速升华,并从预浸带中逃逸出来。轴流风机将其收集、冷却结晶。冷却结晶后的DPS仍可重复使用。热固结单元是浸渍后的CF/PEEK复合材料经热固结单元固结定型。为了保持一定的热固结温度,固结辊内采用加热油系统循环加热,以保证CF/PEEK预浸带致密,孔隙率小,表面光滑。收卷装置中采用力矩电机提供收卷张力,并具备防止“跑偏”功能。

所谓浸渍工艺实质上是利用聚合物在高温情况下熔体黏度降低,以及剪切变稀的流变特点,在压力作用下聚合物熔体浸渍分散均匀的纤维束。然后,热固结成为密实的预浸复合材料。熔融浸渍过程通常借助于挤出机提供聚合物熔体和浸渍压力。PEEK/DPS冻胶熔融浸渍碳纤维的浸渍工艺主要包括四个重要的工艺步骤:PEEK/DPS混合物制备、碳纤维的预热与分散、熔融浸渍和去除溶剂、带固结。工艺路线如下:

PEEK/DPS混合物制备→加热熔融→碳纤维→碳纤维预热和分散→熔融浸渍→带固结→收卷。

3 结论

(1)PEEK(150P、380P和450P)熔体的流变行为属于非牛顿型假性流体。PEEK的熔体黏度受相对分子质量、剪切速率及温度的影响。在合理的加工温度范围,无论提高加工温度,还是提高剪切速率,PEEK熔体的流动性都不能满足浸渍工艺的要求。

(2)加入二苯砜,可以明显地改变PEEK 150P的流动性,也可以降低PEEK 150P的黏流温度和浸渍温度。当二苯砜含量占混合体系质量的40%～50%时,PEEK 150P/DPS混合体系的熔体黏度可以很好地满足浸渍工艺的要求。

(3)纤维分散及纤维张力对CF/PEEK复合材料浸渍有很大的影响。纤维分散均匀,沙片薄,有利于碳纤维的浸渍;纤维张力大,有利于纤维的浸渍,不利于纤维的分散。

(4)PEEK/DPS混合体系冻胶熔融浸渍系统的加热辊,可以有效地去除CF/PEEK复合材料中含有的DPS,也可以很好地对CF/PEEK复合材料进行后浸渍,提高熔融浸渍的能力。

(5)PEEK/DPS混合体系的凝胶浸渍工艺适合于制备CF/PEEK预浸复合材料,其浸渍工艺路线还适合于以熔体黏度较低一类聚合物为基体材料的热塑性复合材料的浸渍工艺,CF/PEEK冻胶浸渍工艺的最佳熔体黏度应小于30Pa·s。

参考文献

[1]沃西源.热熔法制造碳纤维/环氧预浸料工艺试验研究[J].宇航材料工艺,2004,258(3):25-29.

[2]浓贤.复合材料进展的回顾与前瞻[J].高科技纤维与应用,2004, (12):3-5.

[3]葛示莱,张德坤,朱华,等.碳纤维增强尼龙1010的力学性能及其对摩擦腐损的影响[J].复合材料学报,2004,(5):28-30.

[4]任紫菊,宁永昌.碳纤维增强MC尼龙研究任紫菊[J].复合材料学报,2000,(2):12-15.

树脂基材料 篇2

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树脂基复合材料低成本技术

摘要：树脂基复合材料因其比强度高、比模量大而广泛的应用于航空航天等领域。然而其高昂的价格仍然是限制树脂基复合材料广泛应用的一大障碍。目前，已经有多国学者针对树脂基复合材料低成本化进行了研究，并取得了部分积极成果。本文主要介绍了几种低成本制造技术，如自动铺放技术、低温成型预浸料技术、电子束固化技术、液体成型技术以及树脂模渗透成型（RFI）技术。关键词： 树脂基

复合材料

低成本技术

前言

与传统金属材料相比，复合材料具有密度低、比强度和比模量高、可设计性强、抗疲劳性能好、耐腐蚀性能好和结构尺寸稳定性好等优点，在航空航天领域获得了广泛的应用。从20世纪70 年代开始，复合材料就首先在军用飞机上少量使用，到了80 年代已在民用飞机上进行了试用。应用基本是从非承力结构到次承力结构最后到主承力结构，从部位来说是从尾翼到机翼最后到机身。随着技术的不断成熟，复合材料在飞机上的用量越来越多，减重效果也越来越明显[1]。

长期以来，限制复合材料在飞机上扩大应用的原因主要有2个：一是技术成熟度没有金属高；二是复合材料成本太高，复合材料构件的成本远远高于铝合金构件。要想扩大复合材料在航空上的应用，就必须降低复合材料的成本。本文旨在介绍几种复合材料低成本制造技术的发展现状，如自动铺放技术、低温成型预浸料技术、电子束固化技术、液体成型技术以及树脂模渗透成型（RFI）技术。

一、自动铺放技术

用于航空航天器的先进复合材料构件主要采用热压罐成型技术制造。自动铺放是替代预浸料人工铺叠，提高质量和生产效率的重要手段。根据预浸料形态，自动铺放可分为自动铺带

[2-3]

与自动铺丝

[4-5]

两类：自动铺带(Tape laying)采用有隔离衬纸单向预浸带(25-300 mm)，多轴机械臂(龙门或卧式)完成铺放位置定位，铺带头自动完成预浸带输送剪裁、加热铺叠与辊压，整个过程采用数控技术自动完成（图1a所示）；自动铺丝(Fiber placement)采用多束(最多可达32根)预浸纱/分切的预浸窄带(3-25 mm)，分别独立输送、切断，由铺丝头将数根预浸纱在压辊下集束成为一条宽度可变的预浸带(宽度通过控制预浸纱根数调整)后铺放

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数字化设计和自动化制造，已经成为发达国家飞机复合材料大型构件的主要成型方法：新一代大型飞机B787、A350的所有翼面采用自动铺带，而所有机身构件采用自动铺丝。复合材料的大量应用推动了自动铺放技术的快速发展，各类新技术层出不穷[6]。

二、低温成型预浸料技术

低温成型预浸料技术(Low Temperature Moulding Prepreg Technology)是一种低成本复合材料生产技术。先进复合材料公司早在70年代就开始研制开发这种技术，经过80年代和90年代的进一步开发，已经成为一种有效的低成本复合材料生产技术[7]。

用低温压制预浸料技术来生产复合材料结构件有许多特点，在原材料、工艺、生产技术、模具、适用性和成本方面有下列特色：（1）不采用热压罐固化；

（2）低温（通常在60℃左右）固化；（3）低压或真空袋固化；（4）采用无支撑后固化；（5）采用廉价材料制造的模具；（6）采用特种树脂体系；（7）预浸料存放寿命较短；（8）可以制造整体大构件；（9）适用于单件或小批量生产；（10）成本可降低50%~70%。

低温成型预浸料技术生产复合材料构件必须采用特殊的原材料——专用的树脂体系。一般树脂体系由三部分组成：基础树脂或其混合物、固化剂或其混合物和增韧剂或其他附加剂。对极大部份复合材料构件而言都采用环氧树脂体系。在过去20多年期间研究发展的环氧树脂体系，其固化剂都致力于延长存放寿命和较高固化温度，亦即树脂体系的反应性很低，预浸料的稳定性很好，较高固化温度是为了获得良好的机械性能，虽然这样的看法并不正确。为了得到可在低温下固化的树脂体系，而且可以采用无支撑后固化，先进复合材料公司研制发展了专用的LTM预浸料和树脂体系，包括： LTM10系列、LTM20系列、LTM30体系、姓名：

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渍模塑成型工艺(See-mann Composites Resin Infusion Manufacturing Process，SCRIMP)、树脂膜渗透成型工艺(Resin Film Infusion，RFI)和结构反应注射模塑成型(Structural Reaction Injection Molding，SRIM)是最常见的先进LCM工艺技术。这类工艺的共同特点是将纤维预成型体放入模腔内，再将一种或多种液态树脂(通常为热固性树脂)在压力作用下注入闭合模中，液态热固性树脂浸渍纤维预成型体待树脂固化脱模后得到产品。这种作用压力可通过模腔内形成真空(真空浸渍)、重力，或者由压力泵或压力容器来提供[11-13]。与其他的纤维复合材料制造技术相比，LCM技术具有诸多优势：可生产的构件范围广，可一步浸渗成型带有夹芯、加筋、预埋件等的大型构件，可按结构要求定向铺放纤维，且具有高性能低成本制造优势。与传统的模压成型和金属成型工艺相比，LCM模具质量轻、成本低、投资小。另外，LCM为闭模成型工艺，能满足日趋严格的苯乙烯挥发控制法规的要求。

LCM工艺技术最早起源于20世纪40年代的Macro法，Macro法相当简单，对模腔抽真空以驱动浸渍过程，美国海军承包商用这种方法开发出了大型玻璃钢增强塑料船体。在20世纪50年代称为RTM工艺，该工艺可以生产双面光滑的产品，树脂的注射压力适中，比手糊工艺优越，所以得到了发展。20世纪50年代至70年代，RTM的应用很少。到了20世纪80年代，随着飞行器的承力构件及次承力构件、国防应用、汽车结构件以及高性能体育用品等的开发，RTM工艺取得了显著的进展，并且在此基础上开发了VARTM、SCRIMP、RFI、SRIM等这些先进的LCM工艺技术。

LCM工艺技术是先进复合材料低成本制备技术的主要发展方向[14]。据报道，欧美等先进工业国家在该领域开展了大量的研究工作，其研究开发耗资巨大。我国“863”计划在“九五”期间在RTM成型技术取得重要研究进展的基础上，部署了应用LCM技术制备车用大型结构件以降低高品质复合材料制造成本的研究计划。

五、树脂模渗透成型（RFI）技术

树脂膜渗透(RFI-resin film infusion)工艺是一种树脂膜熔渗和纤维预制体相结合的树脂浸渍技术。其工艺过程[15]是将预催化树脂膜或树脂块放人模腔内，然后在其上覆以缝合或三维编织等方法制成的纤维预制体等增强材料，再用真空袋封闭模腔，抽真空并加热模具使模腔内的树脂膜或树脂块融化，并在真空

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树脂基热防护材料研究进展 篇3

树脂基材料在高温环境中使用时原位生成的陶瓷主要包括氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷等。陶瓷类材料由于具有高比强,高比模、高可靠、耐高温和抗烧蚀等优异性能,从而达到热防护的效果[4]。本文对近几年在改性酚醛树脂和有机硅树脂在热防护材料的应用方面的研究进行综述。

1 金属改性酚醛树脂

金属元素改性酚醛树脂耐热性由于原料易得、工艺相对简单、改性效果明显而受到国内外学者的青睐[5]。金属元素的引入,可使酚醛树脂的结构得到改性,使其相对于原始树脂的键能得到提高,并且在高温烧蚀条件下可以形成耐高温的碳化物或氧化物类陶瓷,有效发挥热防护性能。

1.1 硼改性酚醛树脂

将硼引入到酚醛树脂中,提高其耐热性能尤其是瞬时耐高温的有效方法之一。 硼改性酚醛树脂是利用硼酸与苯酚反应形成硼酸酯,再与甲醛、多聚甲醛或三聚甲醛反应生成含无机硼元素的酚醛树脂。改性后的材料可作为高温烧蚀材料、摩擦材料和胶粘剂等。B元素以结合键形式存在于PF中,B-O键能(为773.3 kJ/mol)远大于C-C 键能(334.72 kJ/mol),从而具有很高的耐热性[6]。同时 B-O 键三向交联结构存在,高温烧蚀时本体黏度大,且生成了高熔点的碳化物高温结构陶瓷,所以瞬时耐高温炭化层的耐冲蚀、烧蚀速率比普通酚醛树脂好。

Aparecida等[7]采用水杨酸和硼酸合成了硼改性酚醛树脂,比较了热固性的硼改性酚醛树脂和纯酚醛树脂的热性能及机械性能。研究发现,在氮气环境下,硼改性酚醛树脂在500℃时的失重率为5%,在600℃和800℃时的失重率大约均在25%,此时残碳率为75%较纯酚醛树脂(45%)有很大提高;在大气环境下,改性材料在500℃和800℃下的失重率分别为10%和27%,残炭率为72%,热稳定性能的提高是由于随着烧蚀温度的提高,树脂碳化,并与硼形成了B-C键,提高了材料的抗氧化性能;同时发现硼改性酚醛树脂的机械性能要好于纯酚醛树脂。

为了进一步提高酚醛树脂的热稳定性能,Wang等[8]采用原位聚合法成功地合成了含有不同有机化处理蒙脱土的硼改性酚醛树脂纳米复合材料,比较了含硼的与不含硼的纳米复合材料的热稳定性。分析表明,所有的蒙脱土/硼酚醛树脂复合材料的热稳定性均好于蒙脱土/酚醛树脂复合材料,例如含有苄基三乙基氯化铵改性蒙脱土的硼酚醛树脂的热分解温度和在790℃下的残炭率较蒙脱土/酚醛树脂分别提高了42℃后6.4%。但是研究方还发现含硼复合材料比不含硼材料更易吸水,这是由于在材料制备过程中部分硼酸没有发生反应。

1.2 钼改性酚醛树脂

钼酚醛树脂是通过化学方法 ,在普通酚醛树脂中引入钼元素来改性酚醛树脂。在改性的酚醛树脂中,O-Mo-O 键连接苯环代替了部分C-C 键连接苯环,而O-Mo-O 键的键能远远大于普通PF的C-C键能,所以钼元素的引入可以有效地提高酚醛树脂的热分解温度和耐热性。

刘晓洪[9]合成了一种钼酚醛树脂,分析表明:钼酚醛树脂为线性结构,钼成功地键合到到酚醛树脂结构中,有效地提高了耐热性,改性后的树脂热分解温度在522℃以上,600℃的热失重率为17.5%。

华幼卿等[10]研究了钼酚醛树脂的耐烧蚀性能和热降解性能,结果表明,当钼含量为12%时,树脂的耐热降解性能最佳,成碳率最高。在700℃的氮气中,钼酚醛树脂的残炭率达到了78.31%,同时发现钼改性的酚醛树脂高温耐烧蚀性能较硼改性酚醛树脂更好一些。

所以钼酚醛树脂的热分解温度和耐热性比普通酚醛树脂提高很多,可用作耐高温及耐烧蚀复合材料及胶黏剂的基体,但是钼酚醛树脂存在胶层较脆、冲击强度和剥离强度较差的缺点[9]。

1.3 锆改性酚醛树脂

高改性酚醛树脂是加入锆元素对酚醛树脂进行结构改造,将锆化合物以第三单体的形式引入到酚醛树脂的骨架结构中,由于Zr-O-C的键能远大于C-C键能,从而提高了锆酚醛树脂的耐热性和残碳率。王于刚等[11]甲醛、苯酚、氧氯化锆为原料合成了高残碳锆酚醛树脂,用IR和TGA对产品的化学结构与热性能进行了分析,结果表明,锆元素以Zr-O-C键和Zr-O-Zr键的形式存在于锆酚醛树脂分子链中。与普通酚醛树脂相比锆酚醛树脂分子链中醚键含量降低、热稳定性提高,最大热分解温度和残碳率分别为560℃和62.5%,可作为优良耐高温和耐烧蚀的树脂基体材料。

1.4 钨改性酚醛树脂

钨酚醛树脂( W-P F )是在普通酚醛树脂中引入钨的一种改性酚醛树脂。由于钨的引入提高了树脂的耐热性,它的特点是:耐烧蚀;有消烟、消焰功能,与钼酚醛树脂相比有更优异的加工性能。

华幼卿等[12]以六次甲基四胺作为钨酚醛树脂的固化剂,合成了钨改性酚醛树脂,研究了树脂的固化反应动力学及热稳定性。结果表明:随着钨含量增加,钨酚醛树脂固化温度略有增高,等速升温固化反应的表观活化能高于等温固化表观活化能,结果又表明,随着钨含量增加,钨酚醛树脂的固化产物在N2中的百分失重逐渐减小,热稳定性逐渐提高,耐烧蚀性能逐渐提高,如:当钨化物含量为2.07%(wt,下同)和9.57 %时,改性材料在700℃下的失重率分别为34.34%和31.28%。

席琛等[13]以钨酚醛树脂为原料基体,添加适量的钨粉,对炭/炭复合材料进行连接试验,测试了不同温度处理后连接处的室温剪切强度。结果表明,钨酚醛树脂作为粘结剂使用,对碳碳复合材料有较高的粘结强度;适量钨粉的加入,可使接头经过1500℃处理后,仍保持较高的连接强度,最高可达16.1MPa,这是由于高温下钨在树脂中原位生成了耐熔的碳化钨。

除以上几种金属元素外,还有研究者[14,15,16]利用铝、锌、钛等金属元素改性酚醛树脂,均表现出优良的耐热性能。

2陶瓷添加共混改性酚醛树脂热防护复合材料

在酚醛树脂中引入硼化合物类陶瓷合成复合材料,陶瓷类物质具有高熔点,该材料在烧蚀后陶瓷物质会附于碳化骨架上,其优异的热稳定性能够显著提高酚醛树脂的热稳定性和残碳率。

Wang等[17]以B4C陶瓷为改性粒子对酚醛树脂进行改性,研究了热处理后复合材料的残留率和B4C高温结构演变。结果表明,随着热处理温度的提高,B4C改性粒子在树脂基体中的分布趋向于均匀化;改性材料经700℃和1000℃热处理后,其残留率分别为71.9% 和68.4%,较纯酚醛树酯提高了9%和7.9%。同时B4C的引入使其与使酚醛树脂热分解释放的CO、H2O等挥发组分发生反应,转化成无定形碳和 B2O3,从而提高了酚醛树脂在高温条件下的残留率和热稳定性。

李春华等[18]采用硅烷偶联剂对氮化硼(BN)微米粒子进行表面处理,并在酚醛树脂(PF)的制备过程中将其加入,制备出一种新型有机/无机BN杂化环保型PF,研究了杂化树脂的结构与性能。结果显示,BN粒子在PF中分散良好,BN杂化PF的耐热性有一定程度的提高,复合材料的力学强度和电学性能显著提高,其拉伸强度超过610MPa,弯曲强度超过990MPa,体积电阻和和表面电阻都达到了1015数量级。

3 硅粉改性酚醛树脂热防护材料

碳化硅陶瓷由于具有高熔点、高硬度、热冲涮、低热膨胀系数及好的热稳定性等优异特性,特别在高温下仍然保持高强度、良好的导热性及高硬度的特性,使其成为重要的工程结构陶瓷,在航空航天、机械电子等方面有着广泛的应用[19]。鉴于树脂的良好加工工艺性,利用酚醛树脂和硅粉做为生成碳化硅陶瓷的前驱体,通过共混的方法将过渡区的元素(如硅,硼等)引入到树脂基体中,在高温烧蚀的条件下树脂碳化并释放CO等小分子气体,进而碳化产物、CO与硅等过度区元素原位生成复杂形状的碳化硅类陶瓷,所以酚醛树脂/硅粉材料作为在高温环境中工作的结构件制造材料,有着非常高的应用价值。

崔志中等[20]以酚醛树脂为原料,制作了陶瓷复合材料构件,分析了炭支架和陶瓷构件的物相组成。研究表明,炭支架主要为酚醛树脂热解后生成的无定形碳,其残碳率为65%;渗硅温度为1500℃时生成的陶瓷构件是由C、SiC 和Si组成的致密复相陶瓷,可以通过控制反应时间实现C、SiC 和Si在制件中比例的控制;渗硅后如果温度升高至1650℃进行排Si,则生成多孔复相陶瓷。

Muhammad等[21,22]开发了一种利用酚醛树脂和硅粉在硅粉熔点温度以下合成一种含有四面体结构的类似金刚石的β-SiC新技术,研究了温度对形成β-SiC的影响。具体思路是,先在850℃真空条件下对酚醛树脂和硅粉进行热解,然后在50MPa的氩气环境中分别在1300℃、1350℃、1400℃温度下高压烧结10min,所合成的材料是无定形碳、立方硅和β-SiC的致密复相陶瓷。结果显示,由热解作用产生的气态SiO和小分子CO反应而成核生成β-SiC,最终在1400℃条件下生成β-SiC微粉,这种β-SiC因微晶的生长而合成,结构致密,在高温具有较高的硬度。这种新技术可以用来实现聚合物材料向β-SiC陶瓷材料的演化,由于碳化硅具有优异的热稳定性能,这种材料可以用作高温结构材料。Muhamma等又进一步用相同的方法成功合成了多空的三相C/SiC/ZrO2复合材料,具有优异的综合性能。

4 演变陶瓷类聚有机硅氧烷热防护材料

聚有机硅烷类树脂由于具有良好的流动性和易加工成型的特点,使其成为潜在的热防护材料的前驱材料。有机硅烷类树脂会在高温烧蚀时原位生成Si-C-N、SiO2等陶瓷物质,鉴于陶瓷类材料的高强度、高模量、高硬度、低密度、低热膨胀系数,以及优良的耐热冲击、抗氧化和抗化学腐蚀性能,聚有机硅烷树脂可广泛应用于航空、航天和军事等领域。

Günthner等[23]利用两种陶瓷前驱体聚碳硅氮烷(ABSE)和聚硅氮烷(PHPS)作为不锈钢的氧化保护层,分别在氮气和空气的热分解环境中研究了高温处理后的生成物。研究发现,在800℃的大气环境下热处理1h,检测发现材料表面生成了SiOx 或者SiO(N),ABSE涂层基本转换成SiO2,而PHPS涂层则没有完全转变成SiO2,而它在材料表面形成了紧凑而致密的氧保护层,有效地阻止了内部材料的氧化。这种梯度的Si(N)CrO氧化层可以在1000℃以上有效地阻止材料的氧化。

Koo等[24,25]研究了利用特定的聚有机硅氧烷(SM 8000)作为固体火箭的热防护材料,这种新型的硅树脂可以再高温烧蚀条件下原位生成耐高温,耐氧化的陶瓷,材料经火箭气流作用后,会形成耐磨损的表面层,其热防护性能优于传统的酚醛树脂,极有可能取代酚醛树脂而作为热防护材料的主要基体。Koo等进一步用玻璃材料、碳化硅、SiO2纤维和石英纤维等对硅树脂进行了增强改性处理,并模拟固体火箭的高温火焰冲击对材料进行性能测试。研究表明,在有机硅热解的过程中随之也生成了SiO2,因此可以有效发挥耐热性能;增强材料和树脂基体均对材料的热性能有影响,SiO2纤维、石英纤维和三维的石英对硅树脂耐热性有积极的影响,是良好增强体。

Kang等[26]以聚碳硅烷和酚醛树脂为原料,采用模压法在合成了复合材料,氮气环境中对该材料于1000~1500℃范围内进行热处理,研究了处理后复合材料的弯曲强度。分析表明,在一定热处理温度范围内,复合材料在室温下的弯曲强度随着热处理温度的升高而增大,复合材料经1300℃热处理后具有最大的弯曲强度175MPa,当经1400℃热处理后,材料的弯曲强度开始迅速下降,聚碳硅氧烷原位成了SiC陶瓷,使材料变脆,同时酚醛树脂碳化进而生成SiC/C复合材料,该复合材料在830℃以上具有很好的抗氧化性能。

5 结语

树脂基材料 篇4

复合材料是从20世纪中叶发展而来的一种新材料,在国际工业和国民经济发展中起到重要作用.近年来,我国复合材料产业取得快速发展,并成为新材料产业的重要支柱.一、历史之回顾1956年赖际发部长率代表团在苏联考察学习4个月,开始认识到复合材料在国防军工上的重要作用,并把这种材料命名为“玻璃钢”,这就揭开了我国复合材料工业的`序幕.

作 者：张贵学 陈博 张凤翻 益小苏  作者单位：张贵学(国家建材局哈尔滨玻璃钢研究所)

陈博(中国复合材料工业协会)

张凤翻(浙江嘉兴中宝碳纤维有限责任公司)

浅谈树脂基复合材料的成型工艺 篇5

1 树脂基复合材料成型工艺简要分析

树脂基复合材料成型工艺就是将增强材料在预定的方向上进行均与铺设, 使其能够符合制品的表面质量、外部形状以及尺寸。同时还应尽量降低孔隙率, 将制品中的气体彻底排净, 确保制品性能不会受到较大影响。与此同时, 在进行相关操作时, 还应选择与制品生产相符合的制造工艺和生产设备, 降低单件生产制品的生产成本, 提高相关人员的操作便捷性以及身体健康。总的来说, 树脂基复合材料的成型工艺可以分为三个阶段, 第一个阶段就是原材料准备阶段, 包括了树脂基材料、增强材料和成型模具;第二个阶段是准备阶段, 包括了胶液配制、增强材料处理和模具准备;第三个阶段是成型工序阶段, 包括了成型作业、固话和脱模三个步骤。

2 几种树脂基复合材料成型工艺分析

2.1 拉挤成型工艺分析

复合材料拉挤成型工艺的研究开始于上世纪五十年代, 到了六十年代中期, 在实际生产中逐渐运用了拉挤成型工艺。经过将近十年的发展, 拉挤技术又取得了重大研究进展, 树脂胶液连续纤维束在湿润化状态下, 通过牵引结构拉力, 在成型模中成型, 最后在固化设备中进行固化, 常用的固化设备有固化模和固化炉。拉挤成型工艺的制品质量十分稳定, 制造成本也很低;生产效率也很高能够进行批量化的生产。

2.2 模压成型工艺分析

模压成型工艺是一种较为老旧的工艺, 但是又充满不断创新的可能, 具有良好的未来发展潜力。该种成型工艺主要是在金属模内加入预混料, 再对金属模进行加热, 同时对金属模进行加压, 从而使金属模内的混合料成型。模压成型可以实现自动化生产, 能够有效控制制品尺寸和精度, 大幅降低生产成本。此外, 模压成型的制品不需二次处理, 表面十分光洁;生产效率很高, 还可以用于成型结构比较复杂的制品。不仅如此, 模压成型工艺能够有效避免基体试件分子取向, 客观反映非晶态高聚物的性能。

2.3 铺放成型工艺分析

自动窄带铺放成型技术和自动铺丝束成型技术统称为纤维铺放成型技术, 是一种全新的自动化制造技术。铺放成型工艺的基础是缠绕和自动铺放技术。一般情况下, 纤维铺放成型工艺是在带头铺设后按照预定的形状和位置对带有隔离衬纸的预浸带进行切割, 之后再进行加热并按照设计方向进行压辊, 对应的模具曲率半径变化率较小, 曲率半径较大。通常情况下, 铺带机的核心零部件就是铺带头, 主要作用就是衬纸剥离、张力控制等。铺丝技术适用于曲率半径较小的制品生产, 铺设时没有褶皱, 不需额外处理操作。铺丝相对于铺带来说, 成本较高, 效率较低, 在选用时需结合实际情况决定。

2.4 RTM成型工艺分析

Resin Transfer Molding的简称就是RTM成型工艺技术, 也就是通常所说的树脂基传递模塑技术, 是一种不同于传统成型工艺的模压成型技术。该技术最初用于飞机雷达罩成型, 经过多年发展, 已经成功地用于生产制造各种纤维增强复合材料。在欧美地区, RTM复合材料成型工艺使用较为广泛, 是一种较为热门的树脂基复合材料成型技术, 也是具有未来发展潜力的一种成型工艺。RTM成型工艺主要是在闭合模具中注入树脂, 再通过固化增强材料进而成型的一种工艺。一般来说, RTM技术主要具有以下几个显著特点:可以为构件双面提供十分光法的表面属性;可以制造出表面品质精良的复杂构件;便于计算机辅助设计;成型效率很高适合中等复合材料制品生产。

3 聚氨酯树脂基复合材料成型工艺影响因素分析

3.1 材料拉伸强度受模压温度的影响

制品的力学性能受到模压温度的影响很大, 在预成型完成后, 基体树脂中包含的分子主要是聚氨基甲酸酯线型分子。在140摄氏度以下进行模压成型时, 将会发生扩链反应, 在基体树脂基中会产生氨基甲酸酯。在模压温度不断升高的情况下, 氨基甲酸酯会和异腈酸酯基团产生化学反应出现脲基甲酸酯, 对材料性能造成较大的影响。

3.2 材料力学性能受模压压强的影响

制品的外观整体性会受到模压压强的影响, 不同压强产生的影响结果存在较大差异。压强过低时, 树脂流动会出现不均衡, 气泡不能完全从树脂中排除。从而引起制品拉伸性能降低以及表面品质差等问题。如果压强过高, 则可能出现脱模困难, 在脱模过程中致使制品出现损伤。

3.3 拉伸强度受模压时间和纤维含量的影响

材料力学性能还会和受到时间的影响, 模压时间过长, 会导致制品样片的规整度降低;如果模压时间不够, 又会引起成型过程不到位, 材料的力学性能不能达到要求。另一个方面, 通过纤维含量实验得知:拉伸强度在纤维含量较低的时候, 会随着纤维含量增加而降低;拉伸强度在纤维含量超过5%时, 随着纤维含量增加而升高。

4 结束语

树脂基复合材料的成型工艺种类很多, 不同工艺之间各有长短, 在实际运用时需要根据实际情况选择经济合理的成型工艺。模压时间、压强、温度以及纤维含量等都会对树脂基复合材料的性能产生明显的影响, 在实际工艺流程中需要进行严格控制。

摘要：树脂基复合材料作为新型复合材料得到了广泛的应用, 在许多行业都发挥了重要的作用。树脂基复合材料的成型工艺日趋完善, 各种新的成型方法不断出现, 为树脂基复合材料的发展起到了积极的推动作用。本文对树脂基复合材料的成型工艺做了简单介绍, 分别探讨了几种成型工艺, 并分析了聚氨酯树脂基成型工艺的影响因素, 以供大家参考。

关键词：树脂基复合材料,成型工艺,聚氨酯树脂基

参考文献

[1]何亚飞, 杨帆, 刘文博等.树脂基复合材料成型工艺的发展[J].纤维复合材料, 2011 (06) .

[2]乔东, 胡红.树脂基基复合材料成型工艺研究进展[J].塑料工业, 2008 (36) .

我国造出树脂基复合材料环保纸 篇6

山东华群新材料科技有限公司是我国第一家从事新型树脂基复合材料研发的企业, 经过三年的技术攻关, 他们掌握了这种新型造纸技术。据介绍, 制造这种新型纸张的主要原料是该企业自主研发的纳米无机粉体和无毒树脂, 通过国际先进的制造设备, 经混炼成型、多层共挤、纳米涂布等多个生产工艺制成, 生产成本要比传统纤维纸低30%以上。

记者看到, 这种纸既有传统纤维纸的特性——可印刷、书写、上色, 还有柔软坚韧、防水防油、抗撕裂、耐磨损等优点, 经印刷试验和性能测试, 可以替代传统木浆纸。该产品还可用于制作垃圾袋、化肥袋、购物袋、壁纸等90多种产品, 应用非常广泛。据介绍, 该公司研发的树脂基复合材料产品填补了国内空白, 已申请发明专利1项、实用新型专利7项, 产品质量达到国际先进水平。

树脂基材料 篇7

与传统金属材料相比,复合材料具有密度低、比强度和比模量高、可设计性强、抗疲劳性能好、耐腐蚀性能好和结构尺寸稳定性好等优点,在航空领域获得了广泛的应用。从20世纪70年代开始,复合材料就首先在军用飞机上少量使用,到了80年代已在民用飞机上进行了试用。应用基本是从非承力结构到次承力结构最后到主承力结构,从部位来说是从尾翼到机翼最后到机身。随着技术的不断成熟,复合材料在飞机上的用量越来越多,减重效果也越来越明显。截至2008年,波音B787飞机上复合材料的用量已突破性地达到了50%,其后空客公司制造的A350飞机上复合材料的用量将达到52%, 这些都充分表明复合材料在航空上的应用与发展已达到一个飞速发展的阶段[1]。

长期以来,限制复合材料在飞机上扩大应用的原因主要有2个:一是技术成熟度没有金属高;二是复合材料成本太高,复合材料构件的成本远远高于铝合金构件。要想扩大复合材料在航空上的应用,就必须降低复合材料的成本。欧洲、美国、日本和澳大利亚等从1986年开始先后启动了TANGO(Technology application to the near-term business goals and objectives of the aerospace industry)、ALCAS(Advanced and low cost airframe structure)、ACT(Advanced composite technology)和CAI(Composite affordable initiative)等计划,开展了降低复合材料成本的织物预成型技术、液体成型技术(RTM、RFI)、自动铺带技术、自动铺丝技术、电子束固化等低成本制造技术的研究。通过验证,实现了复合材料在主承力结构上高质量、低成本应用,使复合材料用量达到飞机结构质量的20%~30%,减重20%~30%,降低成本10%~20%[2]。

本文旨在通过介绍国内外复合材料低成本制造技术的发展现状,如自动铺带技术、自动铺丝技术、低温固化预浸料技术、电子束固化技术、液体成型技术结合纤维编织及缝编技术和树脂膜渗透成型技术(RFI)的原理及工艺过程,并列举空客公司最新飞机A380使用RFI工艺制造后压力舱隔板的工艺过程,进一步促进复合材料在我国航空及相关领域的应用。

1 自动铺放技术

自动铺放技术是近30年来快速发展和广泛应用的自动化制造技术,包括自动铺带技术和自动铺丝技术。这两项技术的共同优点是采用预浸料,并可实现自动化和数字化制造,高效高速。自动铺放技术特别适用于大型复合材料结构件制造,在各类飞行器尤其是大型飞机的结构制造中所占的比例越来越大[3]。其中自动铺带技术主要用于大尺寸、中小曲率的部件,如机翼、壁板构件等的制造;而自动铺丝技术主要用于大曲率部件,如机身等的制造[4]。

1.1 自动铺带技术(Automatic tape laying)

自动铺带的基本过程为:先将带有隔离纸的单向预浸带在铺带头中切割成要求的尺寸,然后将其在压辊的作用下铺贴到模具表面,最后自动去除隔离纸。铺贴过程中为保证预浸料的粘性,必要时还可以对预浸带进行加热。该技术的关键是自动铺带机。国外从20世纪70年代中期开始研究自动铺带机,1983年第一台自动铺带机投入商业使用,F16战斗机80%的蒙皮由其铺贴。但早期设备只能铺放单曲面形体,预浸带带宽仅为75mm,可切割角度变化范围小。随着需求的不断增加, 开发出了第二代铺带机(带宽300mm,可铺贴大平面制件)和第三代铺带机(可以铺贴复杂双曲面)。目前国外自动铺带机的主要制造商有美国的Cincinnati、 法国的Forest-Line和西班牙的M Torris公司等。最新的10轴铺带机一般带有双超声切割刀和缝隙光学探测器,铺带宽度最大可达到300mm,生产效率达到1000kg/周,是手工铺贴的数十倍。

目前国外几乎所有的大型复合材料壁板结构都采用自动铺带技术铺贴。图1为自动铺带机工作过程及其铺贴的典型零件的照片[2,4,5,6,7,8]。

我国自动铺带技术的发展也比较迅速。2004年起南京航空航天大学与中国一航材料院联合开发自动铺带技术,完成了小型铺带机试制、专用预浸带技术研究和基于AutoCAD的初级CAD/ACM软件开发,并着手研制中型自动铺带工程样机,为研制具有自主知识产权的自动铺带技术奠定了基础。“十一五”期间,中国一航制造所、成都飞机工业公司和南京航空航天大学合作开展了6m×20m大型工业自动铺带机研制工作,通过引进铺带头关键技术,将在“十一五”末期研制出大型工业化自动铺带机,用于研制新一代飞机和大型飞机的机翼及壁板类复合材料构件[3]。

1.2 自动铺丝技术(Automatic fiber placement)

自动铺丝是将数根预浸纱用多轴铺放头按照设计要求所定的铺层方向和厚度,在压辊下集为一条预浸带后铺放在芯模表面,加热软化预浸纱并压实定型,整个过程由计算机测控、协调完成。该技术是为克服纤维缠绕与自动铺带技术的限制而研发的,其核心技术是多丝束铺放头的设计研制和相应材料体系的开发。1985年Hercules公司研制出第一台自动铺丝原理样机,1990年Cincinnati公司的第一台自动铺丝系统投入使用。国外主要的自动铺丝机制造商有美国的Cincinnati公司等, 目前最成熟的设备总运动轴可达到7个,丝束数目最大可达32根,最大成型构件可达Φ5.5m×16m,型面尺寸及重复定位精度达到±1.3mm。因自动铺丝的高度自动化,落纱铺层方向准确,可实现复合材料构件快捷制造,迅速形成批量生产,生产速度快、产品质量稳定,可靠性高,可真正实现“低成本、高性能”。

自动铺丝技术是目前发展应用最为迅速的复合材料自动化、低成本制造技术之一,最突出的应用是在波音公司最新飞机B787机身的制造上。图2为自动铺丝机铺放过程及其制造的典型部件的照片[2]。

国内自动铺放成型技术研究较晚,南京航空航天大学“九五”期间就开始着手调研,在学校贷款、航空支撑预研、国家科技部863项目资助下,完成了八丝束铺放试验系统、铺丝用精密低张力测控系统、铺丝开放式数控系统的研制和溶剂法专用预浸纱研究;并开发了基于OpenGL的自动铺丝运动模拟设计与仿真软件和基于CATIA的自动铺丝CAD/CAM软件原型,形成了自动铺丝及装备技术储备。目前正在开展自动铺丝工程样机的研究工作,为自动铺丝技术的应用研究奠定了基础[3]。

2 低温固化预浸料技术

低温固化预浸料[4]的固化温度低于100℃,固化后在自由状态下通过高温后处理可达到完全固化进而达到较高的玻璃化温度。经后处理的低温固化预浸料,其力学性能及耐热、耐老化性能与中、高温固化的预浸料相当。采用低温固化技术,可以大大降低对模具材料、辅助材料的要求。制造的复合材料的构件尺寸精度高,固化残余应力低,尤其适用于大型、复杂构件的制备。所用树脂多为环氧树脂,其核心技术主要在于潜伏性固化剂体系,预浸料既要保证足够的反应活性以便能在较低的温度下固化,又要有足够长的室温(超过10天)及低温(-18℃超过6个月)贮存期。目前应用最多的潜伏性固化剂是采用不同方法改性的咪唑类固化剂。从ACG公司1975年研制出第一个低温固化体系LTM10至今,许多公司如Hexcel、Cytec、3M也先后研制出各自的低温固化预浸料。国内北京航空材料研究院在过去的几年里也先后研制出了LT系列低温固化树脂及SY-70低温固化胶膜,其中LT-01及LT-03树脂分别配合T-300及T-700纤维,已用于无人机的研制。低温固化预浸料的发展趋势是实现不用热压罐,在真空压力下低温固化,通过控制树脂的流动性及反应特性,采用适当的预压实及固化工艺,使复合材料固化后的孔隙率与热压罐固化的产品相当。

目前低温固化预浸料更多的是用于复合材料工装及无人机复合材料构件的制造,部分用于复合材料构件的修补。

3 电子束固化

电子束固化是一个利用高能、高聚集度的电子束来固化树脂基材料的过程,电子直线加速器是电子束固化技术的主要设备,用于产生一般介于3~10MeV之间的电子束能量。电子束固化通常由2道工序组成,第一步是铺层、压实,第二步是采用电子束辐照固化,辐照工序要求电子束穿透整个工件厚度以及任何真空袋或模具材料。

电子束固化在室温下进行,消除了由于热应力而产生的部件翘曲和变形,能更好地控制外形,而且由于室温和真空袋的运用带来了低的加工成本;电子束固化时间很短,常为秒级至分级,降低了能耗;而且固化后制品的孔隙率、吸水率和收缩率都低,这是其显著的优点。另外,电子束固化与纤维自动铺放技术相结合,能成型大型整体部件,明显减少部件、紧固件和模具的数量,是复合材料结构减重的重要措施,也是降低成本的一种有效方法[5]。但电子束固化技术目前还很少在航空上应用。

4 液体成型技术

液体成型技术[4]是过去20年里复合材料低成本制造技术发展最重要的一个方向。该技术不需要用昂贵且使用、维护费用均较高的热压罐,可以高精度、稳定地成型复杂构件,表面质量、尺寸精度、重复性均优于热压罐成型的构件,适于制造较大批量的复合材料构件。该技术的核心是树脂注入工艺及纤维预成型体的制造技术。初期发展的工艺是树脂转移模塑工艺(RTM),其基本原理是将预成型体放置在设计好的模具中,闭合模具后,通过正压将所需的树脂注入模具,当树脂充分浸润增强体后,加热并保持正压固化,固化完后脱模获得产品。随着不同应用的需求,后期又发展出多种树脂注入的工艺,较为成熟的主要有VARTM(真空辅助吸入树脂的RTM工艺)、VARI(单面模具、真空辅助吸入、真空压力固化)、SCRIMP(加入高渗透率介质促进树脂流动,其他同VARI)及RFI(树脂膜渗透成型)。航空上可用的RTM树脂主要为环氧及双马来酰亚胺类。环氧类具有代表性的是3M公司的PR-500、Hexcel公司的RTM 6、Cytec公司的977-20等;双马类具有代表性的是Shell公司的Compimide。RTM类工艺对树脂的要求是在注入温度下有较低的粘度,有足够长的工作时间,同时为提高复合材料性能还要求树脂有一定的韧性。而按传统的增韧方法,树脂韧性与粘度是两个矛盾的、很难同时满足的因素,所以Cytec公司通过将增韧的热塑性树脂纺丝并编入织物中的方法来解决这个矛盾[6],树脂中因没有增韧材料而降低了粘度;而北京航空材料研究院则通过离位增韧的方法也取得了类似的效果[7]。

在纤维预成型体方面,要求选择适宜的近净预成型体,发展到目前主要有2D织物、3D织物、2D编织物、3D编织物和缝编织物。不同的编织方法对纤维的性能有不同程度的损伤,编织的密实程度影响着树脂的流动,不同的预成型体对最终产品的纤维体积含量有较大的影响。为了减少工艺试验费用,提高制件的合格率,许多研究者还进行了大量的计算机模拟研究,通过在不同温度、压力、结构条件下测试、模拟树脂在纤维编织体中的流动,预测树脂在具体零件中的流动状态,设计出最佳的流道,以得到缺陷最少的制件。

RTM及其他液体成型技术是除热压罐技术外发展最快、最有前途的低成本制造技术,目前在航空上的应用包括口盖、舱门、主梁、雷达罩等。RTM应用最多的例子是F-22飞机。F22上占非蒙皮复合材料结构质量约45%的约360件承载结构是用RTM技术制造的,采用RTM技术使得F-22上复合材料结构制品的公差控制在0.5%以内,废品率控制在5%以内,比原设计节约成本2.5亿美元。图3为用RTM工艺制造Airbus A330系列飞机的扰流板接头的工艺过程。

5 RFI技术

RFI即树脂膜渗透成型技术,其实也是液体成型技术的一种,与其他液体成型工艺的区别是树脂预先制成膜状铺放在纤维预成型体下方,加热时树脂流动是厚度方向的流动,大大缩短了流程,使纤维更容易被树脂浸润。相对于RTM工艺, RFI工艺能制造出纤维含量高(70%)、孔隙率极低(0%~2%)、力学性能优异、制品重现性好、壁厚可随意调节的大型复合材料制件和复杂形状的制件,并可根据性能要求进行结构设计。RFI工艺采用真空袋压成型方法,免去了RTM工艺所需的树脂计量注射设备及双面模具加工无需制备预浸料,挥发物少,成型压力低,生产周期短,劳动强度低,满足环保要求和低成本高性能复合材料的要求[9,10,11]。RFI工艺是除RTM工艺外又一项可在航空上推广应用的低成本制造技术。目前航空RFI工艺中所用的基体树脂主要是环氧树脂和双马来酰亚胺树脂。国外具有代表性的树脂有Cytec公司用在A380上的Cycom977-2, Hexcel公司用在B787上的 M36。

国内也有不少研究者对RFI工艺进行了研究。陈书华等[12]对RFI用模具设计与工艺进行了研究,设计研制了渗透率的测试模具,推导出一维树脂流动的解析表达式。杨梅[13]对RFI工艺中树脂的流动行为和固化过程进行了研究,建立了理论模型和模拟技术。王东等[9]对RFI工艺用树脂展开了研究,得到了一种改性双马来酞亚胺树脂。该树脂体系在室温下成膜性好、低粘度时间长,适宜制造纤维体积含量较高的RFI制件。张国利等[14]测定了不同纤维含量叠层预制体的渗透率,设计了一维树脂膜熔渗的流动模型。

目前RFI工艺已得到工程化应用。Airbus公司在德国汉堡的Stade制造厂为A380研制了短轴为5.5m、长轴为6.2m的椭圆形后压力舱隔板,是到目前为止用RFI工艺制造的最大的航空复合材料构件[14]。下面以其制造工艺过程为例,说明RFI工艺制造大型构件时的具体工艺及最终成型的构件,详见图4(图4中,图片序号对应工艺过程序号)。

(1)将6K与12K高模量碳纤维按0°与90°制成非纺织缝合织物并收卷到2个轴上;

(2)在用S-52型模具钢制造的模具上喷脱模剂,然后在设计好的部位上铺HTA/977-2预浸料用作补强片;

(3)在模具上铺贴单位面积质量为1000g/m2的977-2树脂膜;

(4)在树脂膜上铺贴预成型体织物;

(5)组袋,按照要求的工艺使树脂渗透、浸润纤维并固化(图略);

(6)在固化后要求的部位贴上用HTA/977-2预浸料包裹的PMI泡沫成为加强筋;

(7)进行第二次固化(图略);

(8)进行适当的修边即得到最后的构件。

6 结束语

树脂基材料 篇8

风扇叶片是航空发动机中最具代表性的部件之一, 它的性能稳定性与其正常的工作状态密切相关。近些年来, 特别是80年代后期开始, 随着先进制造技术的兴起, 全新的复合材料研究技术和日新月异的计算机辅助仿真成形能力, 让设计和制造复合材料叶片达到了一个前所未有的高度, 进入了一个完全崭新的领域树。脂基复合材料风扇叶片涉及气动力学、材料、结构强度等诸多领域学科。本文基于上述方面, 在ANSYS中探讨如何设定其参数和相关层合板模型的建立, 为未来航空发动机叶片设计研制提供技术储备, 具有良好的工程借鉴意义。

1 树脂基复合材料风扇叶片的选材

风扇叶片作为航空发动机中尤为重要的动力部件, 如果其叶片本身的强度达不到要求, 在工作时发生了变形甚至断裂, 都将对飞机运行带来不可估量的后果, 严重的将导致空难的发生。

在研究树脂基复合材料的性能与特点的基础上, 综合航空发动机风扇叶片的工作性质以及受力情况, 本文选取的是树脂基复合材料。

考虑到飞机发动机在工作情况下, 风扇叶片要收到离心力、气动力、发动机振动引起的交变应力以及随机载荷等多种载荷, 叶片将产生拉伸应力、弯曲应力、扭转应力等。由于叶片受力情况复杂, 综合多种情况因素, 本文采用HT3/5224复合材料作为叶片的材料。

2 树脂基复合材料风扇叶片在ANSYS中的参数设定

本文中, 叶片采用的材料类型是复合材料。所以, 在单元类型的选取上, 要综合复合材料的特点进行选取, 尽量选择能够满足复合材料特性的单元类型。因此, 本文采用的是8节点层状结构单元SOLID46作为复合材料叶片的单元。

SOLID46单元是8节点3D单元SOLID45的一种层叠形式, 每个节点有3个自由度, 每个单元最多允许250层的等厚度复合材料, 同样允许125层厚度在单元面内成双线性变化的不等厚度材料层。该单元的另一个特点是可以用几个单元叠加的方式对多于250层的复合材料建模, 并允许沿厚度方向的横向变形斜率可以不连续, 而且用户可以输入自定义的本构矩阵。

复合材料最重要的就是其叠层结构。每层材料都可能由不同的正交各向异性材料构成, 并且其主方向也可能各不相同。这里, Number of Layers最大允许250层, 设置为20层, Layer Symmetry Key代表对称开关的意思, 设为1 (其他表示不对称) , 如图1所示。

对于每一层的材料, 可以定义如下性质:材料性质, 通过材料参考号MAT来定义, 这里默认是1;层的定向角 (THETA) , 根据复合材料的特性, 将其对称铺叠, 这里定义角度为0°、+45°、-45°、90°。本文设计的复合材料铺层结构, 本质上是一种层合板结构, 即叶片由若干树脂基复合材料, 单层按照一定的角度顺序铺叠而成。初步定义铺层数目是6层。为了降低叶片结构的各向异性, 采用对称铺叠分布。所以, 这里设计角度为3个。在实际工作情况中, 常用的铺层角度为0°、+45°、-45°、90°。层的厚度 (TK) , 统一定义为每层0.125mm。

这里, 选择材料是正交各向异性材料。只有9个弹性系数, 要在3个方向X、Y、Z上设置弹性模量、剪切模量和泊松比, 并定义好单层属性。由于每层都一样, 其余层属性与此相同。

划分网格的方式采取映射划分网格, 控制顶面的网格数量。这样划分的网格比较完好, 不会出现坏网格和不能计算的点出现。从顶部可以看出, 叶片结构是层状的, 与我们选取的SOLID46层状单元相符。将所建立的有限元模型顶部的图放大来看, 可以看出, 叶片呈现层状排布, 层与层之间的夹角可以从图2中看到。这里, 只选取了随机4个。可以在图中明显看出, 经过放大之后, 叶片是层状结构体, 与传统的叶片造型有着很大的不同。

在网格划分完成后, 可以查看单元的铺层结构。选择plot-layered elements, 弹出单元拾取对话框;任意选取某个单元, 可以看到如图3所示的单元铺层结构。在此可直观看到叶片上每一个单元的结构组成, 层与层之间有着不同的夹角, 这是传统叶型所没有的。同时, 从如3中可以看出每个单元都有20层结构, 并按照最初设定的铺层顺序堆成铺叠而成, 角度顺序完全一致, 可以认为设定成功。

3 结束语

本文讨论的树脂基复合材料风扇叶片, 本质上是一种纤维增强复合材料层合板结构, 即叶片由许多树脂基复合材料单层按一定角度顺序铺叠而成。在这以前, 很少有文献专门介绍如何建立这种复合材料层合板类型结构的叶片。本文从参数设定, 到建立模型, 再到最后的加载, 一体化操作完成了复合材料层合板的构建, 确定了各项参数。总结其关键点, 主要在于两点:第一, 层合板模型的体现, 重点是单元类型的选取以及后续参数的设定;第二, 铺层角度的选择, 为了降低材料的各向异性, 铺层角度的重要性尤为明显, 铺层顺序可以有效降低叶片的共振裕度。

摘要：在深入研究复合材料材料属性和设计准则的基础上, 提出采用树脂基复合材料作为航空发动机风扇叶片的材料, 用ANSYS软件建立其复合材料层合板单元结构模型, 将其参数完整设定, 并进行初步的仿真加载。

关键词：树脂基材料,风扇叶片,ANSYS,建模

参考文献

[1]梁春华, 杨锐.航空发动机宽弦空心风扇叶片的发展及应用[J].航空发动机, 1999, (2) :54-58.

[2]梁春华, 李宏新, 凌瑶.先进航空涡扇发动机风扇/压气机先进结构与新材料[J].航空制造技术, 2007, (1) :60-63.

树脂基材料 篇9

ABAQUS是目前国际上最为先进的大型通用非线性有限元分析软件之一, 以精于分析复杂问题和非线性问题见长。Python是一种面向对象的脚本语言, 具有开源、自由、可读性强、便于学习和快速编程的优势[7,8]。国内外一些学者利用有限元软件ABAQUS及python语言对复合材料从微观组织结构到宏观力学响应进行了研究, 实践证明是可行的。

本研究是基于本课题组特色技术与国家/行业标准的基础上, 以有限元软件ABAQUS作为建模计算平台, 应用Python 语言编写脚本程序, 完成对碳纤维增强复合材料力学性能的预测, 给出了较为完整的思路与方法。

1 试验的有限元建模

在ABAQUS中生成实际铺层结构代表性体积单元 (RVE) 几何模型, 如图1所示。利用自开发脚本程序控制碳纤维的体积分数含量为50%。

a 试样几何 b 试样网络

2 试验的有限元计算

2.1 拉伸性能试验

利用实际结构层RVE预测复合材料的拉伸模量、泊松比和拉伸强度。在ABAQUS中建立好RVE几何模型, 按照纤维铺设方向赋予材料方向, 加载边界条件进行拉伸性能预测。

2.1.1 拉伸模量、泊松比预测

预测弹性模量、泊松比对应于应力应变曲线上的弹性阶段。这一阶段, 应力σ与应变ε成正比, 即胡克定律σ =Eε。因此, 我们加载很小的位移载荷量以确保复合材料的纤维与基体的应力应变处于明显的弹性阶段。为提高计算精度, 采用针对各个单元体积平均的方法进行计算。

2.1.2 拉伸强度预测

复合材料拉伸断裂模式为复合材料层间由于胶膜的失效使得层间分裂而导致载荷位移曲线出现拐点。因此, 在abaqus模拟中连续加载面应力, 利用自编脚本程序判别复合材料的纤维和基体的失效状态, 利用课题组特色技术处理失效单元, 绘制载荷位移曲线直到出现拐点, 如图2所示, 此时的拐点对应的载荷即为复合材料的拉伸强度。

2.2 弯曲性能试验

试验给定的试样尺寸为80mm×15mm×2mm, 按照标准GB/T 3356-1999中碳纤维增强复合材料试样尺寸要求, 跨度与厚度比为32, 利用本课题组特色跨尺度模拟技术, 建立试样纤维铺层几何结构, 按照纤维铺设方向赋予材料方向, 加载边界条件与载荷进行预测, 再现弯曲性能试验的全过程, 预测出复合材料弯曲模量、弯曲强度, 如图3所示。

标准GB/T 3356-1999中, 弯曲弹性模量计算公式为:

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式中:Ef为弯曲弹性模量, MPa;L为跨距, mm;b为试样宽度, mm;h为试样厚度, mm;△P为对应于载荷-挠度曲线上直线段的载荷增量, N;△f为对应于△P的试样跨距中心处的的挠度增量, mm。

标准GB/T 3356-1999中, 弯曲强度计算公式为:

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式中:σf为弯曲强度, MPa;P为试样破坏时的最大载荷, N。

当纤维材料与基体材料的性能参数确定时, (1) 式中△P/△f为定值。为保证△P对应于载荷-挠度曲线上的直线段, 提高预测准确性, 在压头处加载较小的位移载荷等效为△f, 记录压头与试样之间的2方向接触力CFN2为△P, 利用公式 (1) 求得复合材料弯曲弹性模量。连续加载直到基体材料失效时, 记录压头与试样间的接触力CFN2即为P, 再利用公式 (2) 求得复合材料弯曲强度。

2.3 纵横剪切试验

试验给定的试样尺寸为250mm×25mm×2.5mm, 按照标准GB/T 3355-2005中碳纤维增强复合材料尺寸要求, 利用本课题组特色跨尺度模拟技术, 建立试样纤维铺层几何结构, 按照纤维铺设方向赋予材料方向, 加载边界条件与载荷进行预测, 再现纵横剪切试验的全过程, 预测出复合材料纵横剪切弹性模量、强度。如图4所示。

标准GB/T 3355-2005中, 纵横剪切弹性模量计算公式为:

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式中:GLT为纵横剪切模量, MPa;△P为载荷应变曲线直线段上的载荷增量, N;b为试样宽度, mm;h为试样厚度, mm;△εx为与△P相应的试样轴向应变增量;△εy为与△P相应的试样轴线垂直方向应变增量。

标准GB/T 3355-2005中, 纵横剪切强度计算公式为:

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式中:τundefined为纵横剪切强度, MPa;Pb为试样破坏时的最大载荷, N。

当纤维材料与基体材料的性能参数均确定时, (3) 式中的△P/ (△εx-△εy) 为定值。为保证△P位于载荷应变曲线的直线段上, 提高预测准确性, 在加强片处加载较小的位移载荷, 记录加强片与试样间的1方向的接触力CFN1, 在后处理中输出1, 2方向的应变增量即分别为△εx、△εy, 利用公式 (3) 可求得复合材料纵横剪切模量。连续加载直到基体材料失效时, 记录加强片与试样间的接触力CFN1即为Pb, 再利用公式 (4) 预测出复合材料弯曲强度。

3 预测结果与数据对比

利用以上方法对50%碳纤维含量复合材料的基本力学性能进行了验证, 与实验测得数据误差在3%之内。又预测了40%碳纤维含量复合材料的基本力学性能, 与实测的50%碳纤维含量复合材料力学性能进行对比, 见表1。

4 结论

由于预测过程中对纤维材料或基体材料的失效判据控制存在误差, 所以预测结果与实验结果仍有一定的误差, 但其误差在有效范围之内。因此给出的方法是预测碳纤维增强树脂基复合材料的基本力学性能的一种有效方法。

摘要：利用有限元软件ABAQUS作为建模计算平台, 应用Python语言编程, 实现了纤维增强复合材料有限元模型中纤维体积分数含量的控制和各向异性材料局部坐标与整体坐标下输出变量的转换, 对碳纤维增强树脂基复合材料的基本力学性能进行了预测, 提出了预测纤维增强复合材料基本力学性能的新方法。可对不同性能的纤维、基体材料、不同纤维体积分数含量、不同纤维铺设铺层角度、不同加载方向的纤维增强复合材料的力学性能进行预测。

关键词：纤维增强,力学性能,abaqus,python,仿真模拟

参考文献

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