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碳纤维复合材料管关于缠绕成型工艺参数的分析

时间:2018-08-06 15:29:26

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碳纤维复合材料管关于缠绕成型工艺参数的分析

碳纤维复合材料管是复合材料中典型的先进产品,由于具有较高的比强度和比模量,此外还具有抗疲劳、高阻尼性能等优点,被广泛应用于航天飞行器、航空等多领域中,发展潜力无限。

碳纤维缠绕成型工艺过程一般由芯膜或内衬制造、胶液配制、纤维烘烤、浸胶、固化等程序组成,想要拥有一个高质量碳纤维缠绕制品,除了严格按照以上步骤执行之外,还需选择合理的缠绕工艺参数,以便充分发挥原材料特性。

1、胶液配制与浸胶

胶液含量的高低、变化及分布对碳纤维缠绕制品性能影响很大。一是直接影响对制品质量和厚度的控制,二是制品强度方面,含胶量过高会使碳纤维管制品复合强度降低,而含胶量过低,也会使碳纤维管制品孔隙增加,制品耐老化性能、气密性及剪切性能降低,同时也会影响碳纤维强度的发挥。因此必须严格控制胶液含量,含量的大小须根据碳纤维管制品的使用要求而定。

2、纤维烘烤

由于碳纤维使用的浸润剂通常都是水溶液,以及存储不当也会吸附大量水分,碳纤维表面的这些过量游离水分不仅影响树脂基体与碳纤维的粘合,同时也将引起应力腐蚀,并使微裂纹等缺陷进一步扩大,从而使制品老化性能和强度下降。所以碳纤维在使用前需经烘干处理,至于烘干程度,由碳纤维含量和纱管大小来决定。

3、缠绕张力

在碳纤维缠绕过程中,碳纤维所受的张紧力称缠绕张力。张力大小、各条碳纤维间张力的均匀性,以及各种缠绕层碳纤维张力的均匀性,对制品质量影响极大。根据挪恩研发团队此前进行的大量实验数据来看,碳纤维缠绕制品的疲劳性能和强度与缠绕张力有密切关系,制品含胶量大及均匀性与缠绕张力的关系非常大。在张力施加过程中,最佳缠绕张力并不是固定的,它依芯膜结构增强材料强度、胶液粘度以及芯膜是否加热等具体情况而定。

4、固化程度

碳纤维管的固化一般分为加热固化和常温固化两种,这主要取决了树脂系统。固化制度是保证制品充分固化的重要条件,对制品的物化性能和机械性能有着重大影响,加热固化与常温固化相比,可使制品强度提高20%—25%,同时还可缩短生产周期,提高生产效率。固化制度的确定主要依据树脂系统和制品的物化性能,除此之外还需考虑制品的尺寸、结构、形状等因素。要求高温使用的制品应有较高的固化度,要求强度低的制品固化度适宜即可;若兼顾制品的腐蚀性、耐老化性时,固化程度也不应太低;恒温温度值取决于树脂系统,主要由DTA或DSC测定的树脂放热曲线来确定;保温时间则取决于两个方面,一是热传时,即通过传热导使制品内部达到恒温温度所需时间,二是树脂聚合反应所需时间。总之,确定固化制度应使树脂达到需要固化度,病史制品各部分固化收缩均匀平衡,避免由内应力引起的分层、变形和开裂。

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