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厚截面碳纤维复合材料VIMP工艺制备与性能研究

杨金水  
【摘要】:真空导入模塑工艺(Vacuum Infusion Molding Process, VIMP)是大型复合材料构件的常用制备工艺。本文系统开展了VIMP工艺整体成型大尺寸厚截面碳纤维复合材料的相关基础研究。重点考察了厚截面碳纤维预成型体中碳纤维/树脂的浸润机理、树脂体系的流变行为和固化动力学行为、多层纤维织物预成型体的压缩响应行为、多层纤维织物预成型体的面内(x-y平面内)和面外(即z向)渗透特性、厚截面复合材料固化过程中的热化学效应和残余热应力、以及尺度效应对碳纤维复合材料静态力学性能的影响规律。主要研究工作包括: 开展了碳纤维/环氧树脂的界面性能研究。采用偶联剂直接加入树脂中的迁移法来改善碳纤维/树脂的界面性能,确定偶联剂的最佳含量,优选出纤维/树脂界面粘接性能最佳的胺基硅烷偶联剂改性环氧树脂体系为VIMP工艺整体成型厚截面碳纤维复合材料的基体树脂体系。 开展了基体树脂体系的VIMP工艺特性研究。考察了基体树脂体系的等温和非等温流变特性。结果表明,基体树脂体系具有VIMP工艺整体成型厚截面碳纤维复合材料的低黏度流变特性,及其适宜的低黏度保持时间。针对单一黏度模型难以准确预测宽黏度范围内树脂体系黏度变化的问题,提出了联合黏度模型来预测树脂体系的流变行为。结果表明,在0~5000mPa·s黏度范围内联合黏度模型预测黏度结果与实验值具有良好的一致性。 开展了基体树脂体系的固化动力学研究。采用DSC热分析法确定了基体树脂体系的最佳预固化温度、固化温度和后固化温度。建立了基体树脂体系的固化动力学模型。结果表明,树脂体系的动态和等温固化动力学行为可分别采用自催化模型和修正自催化模型来描述,最大固化度与等温固化温度呈良好的线性关系。 开展了真空负压下多层纤维织物预成型体的压缩响应研究。采用数值模拟方法分析了VIMP工艺注射过程中纤维预成型体压实应力状态随树脂渗流进程的变化规律,以及预成型体厚度(层数)变化对其渗透率、纤维体积分数和流体压力的影响。考察了材料参数和工艺参数对干态纤维预成型体压缩响应的影响。结果表明,纤维预成型体的压实和松弛过程存在明显的滞后现象。预成型体纤维体积分数和厚度随真空压力、压实时间和循环加载次数的变化关系遵循双参数或三参数幂律模型。预成型体纤维体积分数和松弛因子均随其厚度(层数)的增加而增大。纤维预成型体的压缩响应行为与纤维种类、织物形态、铺层方式和混杂方式等因素密切相关。考察了VIMP工艺参数对湿态纤维预成型体压缩响应、复合材料制品厚度和纤维体积分数的影响。结果表明,预注射阶段、注射阶段和后注射阶段,纤维预成型体的厚度变化规律遵循不同的压缩响应模型。沿注射口至抽气口方向,VIMP工艺成型复合材料制品的厚度呈现逐渐减小的趋势,纤维体积分数则逐渐增大。 开展了多层纤维织物预成型体的面内(x-y平面内)渗透特性研究。考察了导流介质对纤维预成型体面内渗透率及树脂流动行为的影响,以及预成型体面内渗透率随其厚度(层数)的变化规律和厚度效应。结果表明,VIMP工艺中导流介质的提速机理可用渗漏模型和Lead-lag效应来描述。导流介质的提速作用随纤维预成型体厚度(层数)的增加而逐渐减弱。纤维预成型体的面内表观渗透率随其厚度(层数)的增加而降低。 开展了多层纤维织物预成型体的面外(即z向)渗透特性研究。提出了一种新的面外渗透率测试方法,考察了纤维预成型体面外渗透率随其厚度(层数)的变化规律,以及穿层缝合对预成型体面外渗透率的影响。结果表明,纤维预成型体的面外渗透率比其面内渗透率低1~2个数量级。纤维预成型体的面外渗透率随其厚度(层数)的增加而降低。穿层缝合能够显著提高纤维预成型体的面外渗透率,且缝合因子随厚度(层数)的增加而增大。采用Lead-lag效应表征多层纤维织物预成型体中树脂液体的面内和面外耦合流动行为。结果表明,随着纤维预成型体厚度(层数)的增加,耦合流动行为的影响作用增大。 开展了厚截面碳纤维复合材料固化过程中的热化学效应和残余热应力研究。考察了单面非对称加热条件下,固化过程中厚截面碳纤维复合材料构件内部的温度和固化度分布,以及厚度变化对温度和固化度分布的影响。结果表明,厚截面复合材料构件中存在明显的温度突变。构件内部温度和固化度呈梯度分布,温度差别最大可达30℃,而固化度差别最大可达10%。温度突变幅度、最大峰值温度、温度梯度和固化度梯度均随着复合材料构件的厚度和体积的增加而增大。考察了厚度变化对厚截面碳纤维复合材料残余热应力的影响。结果表明,厚截面复合材料横向残余热应变的绝对值明显大于纵向残余热应变。厚截面复合材料残余热应力随着构件厚度的增加呈现增大趋势。 开展了厚截面碳纤维复合材料静态力学性能的尺寸效应研究。结果表明,厚截面碳纤维复合材料弯曲强度、短梁剪切强度和压缩强度均随着厚度的增加而降低,而弯曲模量和压缩模量的测试结果则与试样厚度基本无关。厚截面复合材料的弯曲强度、短梁剪切强度和压缩强度具有明显的尺寸效应,且可用Weibull概率模型进行描述。厚截面复合材料弯曲强度和短梁剪切强度的尺寸效应不仅与“最弱链”数目有关,而且与试样的三维应力状态有关,而压缩强度的尺寸效应仅取决于“最弱链”的分布和数目。


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