硅橡胶热膨胀工艺预浸料铺层内树脂压力变化规律

采用硅橡胶热膨胀工艺制备了碳纤维/双马树脂复合材料层板, 通过自行设计的成型模具及树脂压力在线测试系统测试并分析了成型过程中热胀压力和预浸料铺层内树脂压力的变化规律, 考察了工艺间隙和温度分布的影响, 并通过显微观察分析了不同工艺条件下层板的密实状况。结果表明: 采用树脂压力在线测试系统, 可实现热膨胀工艺预浸料铺层内树脂压力的测试; 工艺间隙和硅橡胶内的温度分布对树脂压力及硅橡胶的热胀压力有重要影响, 在零吸胶工艺条件下, 当工艺间隙设计合理时, 凝胶前热胀压力和树脂压力的变化趋势及变化程度基本一致, 固化层板纤维密实并且厚度均匀; 通过增加恒温平台减小硅橡胶内部温差, 可使热胀压力的增加速度减小。      

热压罐零吸胶工艺树脂压力在线测试及其变化规律

针对碳纤维缎纹布/环氧914预浸料热压罐零吸胶工艺,采用热压成型过程树脂压力在线测试系统监测树脂压力的大小与分布,分析了真空、外加气压对树脂压力的作用规律,通过显微观察研究了真空及外加气压对孔隙缺陷的影响。实验结果表明,所采用的在线测试系统可以定量分析真空在铺层内的作用程度和树脂压力的变化;零吸胶工艺树脂承担了大部分外压且沿层板厚度及面内方向分布均匀;真空通过铺层内的气路通道排出夹杂空气,其作用程度受到树脂黏流状态和铺层密实程度的影响;不同压力条件下复合材料层板孔隙状况与树脂压力的测试结果相吻合。     

基于组合芯模维形传压的复合材料帽型加筋构件固化过程压力分布及成型质量

为改善硅橡胶芯模辅助成型中调型孔工艺窗口过窄，导致复合材料帽型件成型质量对其敏感性过高问题，提出硅橡胶芯模&真空袋气囊组合新方法，并对不同调型孔硅橡胶芯模&真空袋气囊下成型的复合材料帽型件固化过程中压力分布和固化后成型精度、微观结构与力学性能进行了研究。结果表明：未开设调型孔&真空袋气囊，构件内部压力大小波动明显且不均分布，随着孔占比X_S的增大，在X_S=0.40～0.53内，构件内部压力均匀且稳定在所需压力0.6 MPa，同时，构件厚度和型腔高度平均差值仅为0.046 mm和0.40 mm，其三角区域微观结构质量较高，平均拉脱性能和增幅分别为3.42 MPa和23.02%。本文提出的方法具有更宽的调型孔工艺窗口，在复合材料帽型件固化成型领域具备一定应用潜力。     

共注射制品芯层厚度分析的数值模拟

采用数值模拟技术对共注射成型过程进行了充填分析,从芯层材料的厚度分布以及芯层材料的穿透距离进行了研究。结合试验设计(DOE),研究了注射速率、模具温度、皮层熔体温度、芯层熔体温度和表层材料体积百分数对芯层厚度分布的影响;同时采用Fractional Factorial方法,研究工艺参数以及之间的交互作用对芯层材料穿透距离的影响度。结果表明,皮层材料注射的体积百分数对制品的芯层材料的厚度分布及芯层材料的穿透距离影响最大,其它影响因子影响较小。     

共注射制品芯层厚度分析的数值模拟EI北大核心CSCD

采用数值模拟技术对共注射成型过程进行了充填分析,从芯层材料的厚度分布以及芯层材料的穿透距离进行了研究。结合试验设计(DOE),研究了注射速率、模具温度、皮层熔体温度、芯层熔体温度和表层材料体积百分数对芯层厚度分布的影响;同时采用Fractional Factorial方法,研究工艺参数以及之间的交互作用对芯层材料穿透距离的影响度。结果表明,皮层材料注射的体积百分数对制品的芯层材料的厚度分布及芯层材料的穿透距离影响最大,其它影响因子影响较小。     

夹芯结构复合材料构件VARI工艺仿真计算与成型实验

对于大尺寸夹芯结构或复杂形状夹芯结构复合材料的VARI工艺成型过程的模拟仿真计算,如果采用传统的建模方法,则建模困难,模拟仿真计算量大,效率不高。针对此问题,本文提出了一种简单方便的等效建模法。以矩形泡沫夹芯结构复合材料构件的铺层设计为基础,采用等效建模法建立了实体CAD模型和有限元网格模型,并利用PAM-RTM模拟软件对夹芯结构复合材料构件的VARI工艺成型过程进行了模拟仿真计算,结合工艺成型实验进行了实验验证,并对制品的密度、树脂含量和力学性能等进行了测试与表征。结果表明:由等效建模法仿真计算所得理论充模时间与实测充模时间基本一致,且仿真计算所得树脂流动前锋位置曲线与工艺成型实验测试值也比较吻合;VARI工艺成型对夹芯结构复合材料制品性能的分布均匀性有一定影响。     

纤维铺放压紧力及预浸带加热温度对复合材料力学性能的影响

采用三因素四水平正交实验与单因素实验相结合, 通过力学性能测试及SEM和光学显微镜微观形貌观察研究了复合材料铺放过程中压紧力、 预浸带加热温度及芯模温度对复合材料力学性能的影响。实验结果表明: 压紧力与加热温度对层间剪切强度(ILSS)影响很大, 而芯模温度影响较小; 当压紧力为600 N、 预浸带加热温度为30℃、 芯模温度为18℃时, 复合材料综合力学性能达到最佳。微观形貌观察结果表明: 随着压紧力和预浸带加热温度升高, 纤维与树脂接触充分, 树脂与纤维分布均匀性较好, 层间富树脂区的厚度较小, ILSS逐渐增加; 但当预浸温度上升到40℃以后, 压紧力作用导致树脂与纤维的分布均匀性变差, 层间富树脂区的厚度较大, 从而导致ILSS下降。     

热塑性预浸带缠绕工艺参数及加热方式对成型质量及内应力的影响

采用热塑性预浸料带APC-2/AS4 进行了热芯和火焰两种方法的缠绕研究, 分析了两种方法成型时预浸料带的温度2时间过程和两种方法下工艺参数对成型质量及内应力的影响。结果显示: 热芯缠绕时制件的厚度受芯模温度限制, 而火焰缠绕则不受限制。热芯缠绕时, 缠绕张力和预浸料带的树脂含量是影响制件质量的主要因素。      

缝合夹层结构复合材料树脂传递模塑成型工艺充模仿真

对复合材料与金属经缝合连接形成的夹层结构板的树脂传递模塑成型（RTM）工艺进行了充模模拟研究。首先通过实验和数值计算的方法,分别获得缝合夹层结构织物和芯层孔洞的渗透率;随后,建立能够反映缝孔内流动情况的二维和三维简化模型,进行RTM充模仿真,讨论不同工艺参数对成型流动的影响;最后通过成型实验验证工艺的可行性。缝线与孔洞直径之比为0.3~0.8时,孔洞渗透率随缝线直径的增大而减小,预制体织物渗透率与孔洞渗透率相差两个数量级;缝孔内容易产生缺陷,没有缺陷的区域随着注射压力的增加、孔洞密度和芯层厚度的减小而增大,在芯层表面沿每排孔洞单向开槽能够改善树脂在孔洞内的浸润;线注射时,树脂整体流动情况优于点注射,而点注射时,将进胶口设置在一角,能够减少表面干斑。     

泡沫夹芯结构复合材料VARI工艺模拟仿真技术研究

采用模拟仿真软件对聚氯乙烯泡沫夹芯结构复合材料矩形平板成型工艺进行了模拟分析.考察了芯材厚度、芯材的开槽方式及开槽尺寸等对树脂充模过程的影响,确定了适于工程应用的开槽方式及尺寸.     

碳纤维/环氧预浸料摩擦滑移特性测试及其变化规律

带曲率的复合材料层合结构在制备过程中,预浸料铺层之间、预浸料铺层与模具之间会发生摩擦滑移行为,其滑移程度影响复合材料的制造质量。本文采用自行建立的预浸料摩擦滑移特性测试装置,针对碳纤维/环氧树脂预浸料体系,测试分析了不同工艺条件下,预浸料铺层与铺层之间,以及预浸料铺层与钢模具、铝模具和橡胶模具材料之间的摩擦滑移特性。实验结果表明,温度变化会改变预浸料铺层间的摩擦机制,而外压变化不改变预浸料铺层间的摩擦机制;较高的温度或较小的外加压力会减小预浸料铺层的摩擦阻力,有利于预浸料铺层的滑移运动;预浸料铺层与模具材料之间的摩擦滑移特性与模具材料的表面粗糙度有关,其摩擦阻力受温度影响更明显,而受外压影响变化较小。     

预浸料的超薄化对碳纤维/环氧树脂复合材料拉伸破坏行为的影响

采用自主研发的碳纤维（CF）宽展设备,将12K CF宽展预浸制备成0.02 mm和0.10 mm厚的CF/环氧树脂（EP）预浸料,利用模压工艺制成1 mm厚的单向层合板。利用万能试验机、声发射装置和高速照相机组成的集成系统测试其抗拉强度、加载过程中试样内部的损伤情况及断裂破坏时样品宏观形貌的变化。用SEM观测其拉伸断口形貌。分别用超景深显微镜、金相显微镜观测记录CF/EP复合材料预浸料和单向层合板中CF的排布状态以表征薄层化过程中CF和EP的分布状态对CF/EP复合材料拉伸性能的影响。结果表明:薄CF/EP复合材料预浸料中CF的排布更加均匀,制成的CF/EP复合材料单向层合板试样中层间树脂富集区的尺度明显小于厚CF/EP复合材料预浸料制成的试样,试样的抗拉强度提高了15%;薄CF/EP复合材料预浸料制成层合板试样的拉伸宏观断口形貌中分层劈裂现象减少,集束性增强,微观断口形貌中未发现横贯横截面的穿透裂纹。      

碳纤维/环氧树脂预浸带铺放应力场及制品微观结构的模拟与实验

碳纤维/环氧树脂预浸带复合材料在铺放成型时,由于树脂基体与碳纤维之间的热膨胀系数存在差异以及成型时热-力参数作用下由于纤维的变形而导致纤维与基体接触处产生应力集中等原因,在制品材料中会产生热残余应力。针对碳纤维/环氧树脂预浸带复合材料的实际结构特点,利用ABAQUS有限元软件建立含有界面的碳纤维/环氧树脂预浸带复合材料的细观代表性体积单元(Representative volume element, RVE)有限元模型,采用实验研究和有限元仿真分析的方法,研究在温度-压力参数作用下预浸带铺放制品残余应力的分布规律及影响机理。首先,建立预浸带铺放时的温度和压力模型,研究不同温度和压力参数条件下碳纤维/环氧树脂预浸带铺放制品残余应力的分布情况。其次,采用耦合降温法模拟碳纤维/环氧树脂预浸带残余应力随纤维体积含量、铺放压力以及铺放温度的变化规律,并采用扫描电镜对不同工艺参数条件下预浸带铺放制品的微观结构进行分析。通过对模拟结果进行分析比较得到各因素对制品残余应力的基本影响规律;最后进行不同温度和压力等铺放参数对预浸带铺放成型时残余应力影响的实验测试研究。      

Resin Flow of an Advanced Grid-Stiffened Composite Structure in the Co-Curing Process

The soft-mold aided co-curing process which cures the skin part and ribs part simultaneously was introduced for reducing the cost of advanced grid-stiffened composite structure (AGS). The co-curing process for a typical AGS, preformed by the prepreg AS4/3501-6, was simulated by a finite element program incorporated with the user-subroutines ‘thermo-chemical’ module and the ‘chemical-flow’ module. The variations of temperature, cure degree, resin pressure and fiber volume fraction of the AGS were predicted. It shows that the uniform distributions of temperature, cure degree and viscosity in the AGS would be disturbed by the unique geometrical pattern of AGS. There is an alternation in distribution of resin pressure at the interface between ribs and skin, and the duration time of resin flow is sensitive to the thickness of the AGS. To obtain a desired AGS, the process parameters of the co-curing process should be determined by the geometry of an AGS and the kinds of resin.     

基于热固性树脂基复合材料帽型加筋结构制造的硅橡胶芯模预制调型孔理论建模与实验验证

硅橡胶芯模是实现热固性树脂基复合材料帽型加筋结构共固化成型的关键工装之一,而在预浸料固化加热过程中硅橡胶芯模的热膨胀需要通过预制适当的调型孔来消除,以保证帽型加筋结构的成型质量。首先,通过建立硅橡胶芯模预制调型孔热力耦合有限元分析模型对不同结构的硅橡胶芯模进行了计算机仿真,从而得出了实现复合材料帽型加筋结构形性协同制造的硅橡胶芯模预制调型孔最佳尺寸范围。然后,综合分析了硅橡胶芯模受热膨胀的可能影响因素,进而建立了考虑体积修正系数的预制调型孔计算模型。接着,利用有限元方法回归了芯模预制调型孔体积修正系数,并利用回归出的修正系数对不同截面尺寸的帽型结构进行了仿真验证,从而确定了较为准确的预制调型孔理论计算模型。最后,通过实验验证了该数学模型及有限元分析方法的正确性,为制造复合材料帽型加筋结构提供了理论与实验依据。      

External Pressure Forming and Buckling Analysis of Tubular Parts with Ribs

Buckling and forming processes of tubes with varying slenderness ratio （ratio of length to diameter） under external hydraulic pressure were analyzed with three-dimensional finite element method （FEM） for studying tube external pressure forming （EPF）. Buckling pressures for different tube blanks without mandrel were predicted, and an EPF of a carbon steel tube onto a mandrel with six ribs was simulated. Both thickness distribution and buckling pressure from the simulations were found to be in agreement with those from experiments. Buckling pressures are shown to be a function of the slenderness ratio. The tubular part with six ribs produced by EPF has a uniform thickness distribution, whose maximum thinning rate is only 5.9%.     

聚甲基丙烯酸甲酯@聚丁二烯核壳结构纳米粒子增韧双酚A型氰酸酯树脂性能

采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）@聚丁二烯（PB）核壳结构粒子增韧双酚A型氰酸酯（BADCy）树脂,制备了PMMA@PB/BADCy树脂。研究结果表明,当PMMA@PB质量分数为6wt%时,可以取得较好的增韧效果,PMMA@PB/BADCy树脂冲击强度达到了14.32 kJ · m^-2,提高了83.6%;DMA和TG-DTA耐热性测试结果表明,PMMA@PB的加入未降低树脂耐热性,固化后PMMA@PB/BADCy树脂的玻璃化转变温度为236.8℃,最大热分解温度为410.0℃。SEM和TEM结果表明,PMMA@PB核壳橡胶在BADCy树脂基体中分散性好,PMMA@PB/BADCy树脂破坏断面呈现典型的韧性破坏。PMMA@PB/BADCy树脂流变特性的测试表明,PMMA@PB核壳橡胶加入后基本没有影响到BADCy树脂的流变特性,PMMA@PB/BADCy树脂的最低点黏度为0.79 Pa · s左右,是树脂浸渍纤维的理想黏度。介电性能测试表明,PMMA@PB核壳橡胶增韧BADCy树脂后介电性能影响不大,当PMMA@PB质量分数为6wt%时介电常数为3.0,介电损耗为0.010。该PMMA@PB/BADCy树脂性能优异,可作为预浸料基体树脂,适用于航空航天低介电复合材料的制造。