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国产T700级碳纤维复合材料性能研究和翼片成型工艺优化

刘震宇  
【摘要】:碳纤维增强环氧树脂基复合材料具备高比强度、高比模量的力学性能和轻质化、耐疲劳、膨胀系数小等优秀物理性质,在航空航天、军工、新能源、交通工具、体育器材等领域应用广泛,但是,由于生产技术和材料成本限制,国产碳纤维材料相比进口碳纤维材料在使用性能上仍然存在一定的差距。本文旨在对比研究国产碳纤维及其复合材料性能,通过优化设计国产碳纤维复合材料成型工艺和流程,使之满足飞行器翼片设计技术要求,同时设计了模拟实验对其可靠性、环境适应性进行验证,对飞行器实现关键原材料国产化替代意义重大。本文首先对日本东丽T700级碳纤维和恒神、威海拓展两种国产T700级碳纤维进行了表征和分析,对比研究了三种碳纤维表面形貌、上浆剂种类、石墨微晶结构、表面元素等材料特性。发现两种国产碳纤维中威海拓展采用了与东丽相似的干喷湿纺工艺,纤维表面光滑,而恒神碳纤维采用的是湿法纺丝工艺,纤维表面有延轴向取向的沟槽,而沟槽的存在会增加纤维与树脂间的机械啮合力,对复合材料界面性能有积极意义,但同时会增加纤维产生细纹等缺陷的几率,对其拉伸性能等力学性能产生不利影响。三种碳纤维上浆剂均为低分子环氧树脂,在纤维内部微晶结构、表面元素方面东丽碳纤维具有-一定优势,但整体差距不大。然后以三种碳纤维制备了环氧树脂基复合材料单向板,通过对单向碳纤维复合材料试样进行拉伸、弯曲以及层间剪切等力学性能进行测试,结合碳纤维材料特性数据,分析碳纤维复合材料的宏观力学性能与微观表征之间的联系。在复合材料力学性能试验中,发现三种复合材料的层间剪切强度在66.4~81.8 MPa之间;弯曲强度在1872~2039 MPa之间,弯曲模量在131~143 GPa之间,拉伸强度在2224.4~2343.4 MPa之间,综合来看,东丽碳纤维复合材料力学性能表现最优,且一致性好,而两种国产碳纤维也有不俗表现,能够满足工程设计使用要求。根据飞行器整体设计要求进行模拟计算,两种国产碳纤维均能满足使用,本文选取恒神碳纤维作为原材料进行铺层、预浸料制备及模压成型工艺优化设计,确定了可行的工艺流程及参数,成功制备了一批国产碳纤维复合材料翼片。模拟翼片飞行工况设计出了翼片刚度静态试验工装,对恒神碳纤维翼片进行了刚度测试、无损检测、高低温实验和老化实验,从测试结果上来看,恒神T700级碳纤维复合材料翼片在-50~70℃范围内,尺寸、外观以及刚度几乎不受环境温度的影响;而湿热环境下会使复合材料树脂基体强度有所下降,但下降幅度有限;另一方面恒神碳纤维复合材料的力学性能几乎不受地理环境的影响,能够满足飞行器全域自然环境贮存工作的设计要求。


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