厚壁碳纤维复合材料缠绕张力与性能关联规律研究

发布时间：2019-07-21 07:41

【摘要】：纤维缠绕制备工艺是一种高效制备碳纤维复合材料回转体的复合材料成型工艺,目前常用于制备碳纤维复合材料压力容器、碳纤维复合材料电机护环和复合材料管道等制品。对于厚壁缠绕复合材料纤维缠绕张力是主要影响缠绕后制品力学性能的因素,给纤维施加缠绕张力,会让成型后复合材料中存在环向预应力,从而提高复合材料的刚度和抗变形能力。本文研究了纤维缠绕张力对厚壁碳纤维复合材料性能的影响。由于缠绕过程中,后缠绕的纤维中存在的纤维张力会对内层部分产生径向压力,使得先缠绕在芯模上的纤维中的张力产生松弛,需要使用逐层递减的缠绕张力梯度进行缠绕,使得各层纤维在缠绕后达到均匀的剩余张力,复合材料承载能力达到最佳状态。利用Abaqus有限元分析软件构建试验缠绕工装的有限元模型,使用基于温度参数法的逐层耦合模拟方法对缠绕过程进行有限元模拟,发现按照公式计算设计的缠绕张力梯度对于缠绕层较厚的厚壁复合材料难以很好地实现各层等剩余张力分布。采用复合材料属性定义缠绕层,模拟分层固化工艺,可以有效降低剩余缠绕张力梯度,最内层剩余张力与最外层剩余张力比值从1.59倍下降到1.37倍。对大张力缠绕工艺中使用的树脂体系进行研究,通过测试不同的树脂体系凝胶时间、固化度、动态接触角、界面强度,及树脂浇铸体和复合材料单向板的拉伸性能,优选出在常温及中低温条件下可以发生固化反应,且使用期适合的改性芳香胺固化剂和环氧树脂体系。按照有限元模拟的缠绕张力梯度制备厚壁复合材料,在实际缠绕过程中在缠绕芯模之间加装拉压力传感器,用于测试实际缠绕在芯模上的纤维缠绕张力及剩余缠绕张力,与有限元模拟结果进行比较,发现测试值略小于模拟值,但总体基本吻合。对使用缠绕张力制度制备的厚壁复合材料和无缠绕张力制备的复合材料进行拉伸性能测试,测试了复合材料材料轴向横截面上不同半径位置的径向和环向应变值,在保证两种试样含胶量基本一致的条件下,对比两种材料结构的变形情况,确认了在缠绕张力制度下,复合材料的刚度和抗变形能力有所提高。
【图文】：
文献中的6种缠绕张力制度[7]

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文结果显示，铺层方式、张力梯度、缠绕张力和缠绕张力及张力梯度的耦合器爆破压力影响极为显著；而铺层方式、cut-versus-uncuthelicals、缠绕时张力和张力梯度对纤维断裂应变的影响尤为显著。容器的环向模量主要张力和缠绕时间的影响，要想得到环向模量较高的压力容器应选择较高力和较短的缠绕时间。压力容器的强度和性能与纤维体积含量相关，采用绕张力会使平均纤维体积分数提高约 6.8%，最大纤维体积分数提高约 9体积分数在壁厚方向上的梯度提高达到 22.8%；而缠绕张力梯度会导致纤数在壁厚方向上的梯度下降。对于纤维缠绕复合材料圆筒，在环向第一层有更高的纤维体积分数（约 68%）会传递更高的纤维强度，而提高纤维体方法主要就是增加缠绕张力和缩短缠绕时间。
半径切割法测残余应力的试样[8]

会使平均纤维体积分数提高约 6.8%，，最大纤维体积分数数在壁厚方向上的梯度提高达到 22.8%；而缠绕张力梯度厚方向上的梯度下降。对于纤维缠绕复合材料圆筒，在环的纤维体积分数（约 68%）会传递更高的纤维强度，而提要就是增加缠绕张力和缩短缠绕时间。图 1-1 文献中的 6 种缠绕张力制度[7]
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB332

【参考文献】