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碳纤维锻造复合材料模压成型及其拉伸和摩擦性能研究

孙佳伟  
【摘要】:碳纤维锻造复合材料(CFFC)是一种新型的材料,已被美国波音公司、意大利兰博基尼汽车公司逐渐应用。它具有工艺兼容性好、质量轻、综合性能高和成本低等优势,具有向航空航天、交通运输、高端装备的主承力结构件应用推广的广阔前景。然而,碳纤维锻造复合材料的制造和应用尚缺乏专门的理论和技术支撑。本文以环氧树脂基锻造复合材料为研究对象,以其快速模压成型法为优化目标,以其重要使用性能——拉伸强度、干摩擦性能、水润滑摩擦性能为载体,展开了系列实验研究。首先,探讨了模压成型参数和材料结构参数对CFFC的影响关系。采用随机拉伸测试评价分析不同模压成型参数和结构参数对CFFC力学性能的影响规律,以拉伸强度为主要评价标准考察模压成型工艺的模压压力P、加压温度Tp、固化温度Tc和固化时间t,以及结构参数中碳纤维长度L和纤维种类M对CFFC的拉伸性能影响规律,借助扫描电子显微镜(SEM)观测了CFFC的断口微观形貌。结果发现:CFFC的拉伸强度主要由碳纤维/树脂的界面结合质量决定,不同的结合质量,将会出现三种不同的断裂形式——纤维拔出、树脂断裂和内聚失效,其中内聚失效时是理想的失效形式,复合材料具有最高的拉伸强度。其次,研究了两种不同服役条件下(干摩擦和水润滑)CFFC的摩擦性能。以摩擦系数和磨损率为目标,分析模压成型参数和结构参数对CFFC摩擦性能的影响;研究了不同润滑条件、不同摩擦载荷和相对速度下CFFC的摩擦性能变化规律;通过观测磨损表面的微观形貌,揭示CFFC的主要磨损形式和磨损机理。结果发现:CFFC主要存在磨粒磨损和粘着磨损两种磨损形式;干摩擦下和水润滑摩擦下分别形成的转移膜和水润滑膜有较强的边界润滑效应,能够有效的降低复合材料的摩擦系数。综合考虑拉伸性能和摩擦性能,CFFC的最优成型参数为:模压压力P=10 MPa、加压温度Tp=110 ~oC、固化温度Tc=140 ~oC、固化时间t=30 min、碳纤维长度L=50 mm、和碳纤维采用东丽T700SC,此时,复合材料的标准化拉伸强度达到331 MPa,最小干摩擦系数为0.080,最小水摩擦系数为0.045。


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