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连续纤维增强热塑性复合材料浸渍模拟及优化研究

杨建军  
【摘要】:熔融浸渍工艺是目前国内外制备连续纤维增强热塑性复合材料的主流技术之一,该工艺的主要难点在于如何使高黏度的树脂熔体能够很好的浸润到纤维表面,实现纤维和树脂之间的良好结合。为解决这一难题,国内外针对该工艺的浸渍模拟和优化进行了大量的研究,其中,纤维束和浸渍辊之间的楔形区被公认为是实现熔体浸渍到纤维束中的关键区域,成了主要的研究热点。但由于该区域的“黑匣子”特性,大部分研究更多的只是结合经验公式进行间接的模拟研究,无法准确描述该区域和纤维束浸渍程度的关系。本文利用实验室自行研发的辊系熔融浸渍设备,采用实验设计方法(DOE)进行连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料熔融浸渍工艺的初步工艺实验研究,建立主要工艺参数(加工温度、牵引速度、浸渍辊数)和浸渍程度关系的经验模型。将雷诺方程和达西定律相结合,建立了楔形区熔体压力与浸渍工艺参数之间的理论模型,采用有限差分法理论计算了楔形区的压力分布,并在此基础上建立了楔形区熔体浸渍纤维束的效率评价体系,计算分析了主要工艺参数对纤维束浸渍程度的影响规律,实验结果验证了理论计算模型的准确性。进一步深入分析了模具结构参数和各项工艺参数对楔形区纤维束浸渍效率及纤维束浸渍程度的影响规律。结果表明:牵引速度加快,熔体黏度升高、浸渍辊半径减小,楔形区内熔体对纤维束的浸渍效率降低;纤维束的浸渍程度随着牵引速度的降低,加工温度的升高,浸渍辊数的增加而增大;浸渍辊半径增大,辊间距减小可以增大纤维束和浸渍辊之间的包覆角,使纤维束分散展宽变大,从而有利于提升纤维束的浸渍程度。为了提升树脂对纤维的浸润性,提高纤维和树脂之间的界面结合强度,本文利用纳米SiO2颗粒修饰玻璃纤维表面,协调PP-g-MAH的增容作用,有效改善了纤维和树脂之间的界面结合,明显提高了复合材料的力学性能。改性后复合材料的孔隙率降低了59.88%,层间剪切强度提高了116.06%,拉伸强度提高了109.14%,弯曲强度提高了99.85%,冲击强度提高了116.70%。


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