连续碳纤维增强热塑性复合材料制备与性能研究

发布时间：2020-06-23 09:28

【摘要】：连续纤维增强热塑性树脂基复合材料具有轻质、高强、抗腐蚀、抗冲击、抗热畸变等良好的综合性能,是当前树脂基复合材料的研究热点。与短纤、长纤增强热塑性复合材料的注塑成形相比,连续纤维增强热塑性复合材料成形过程工艺条件复杂,纤维浸渍困难,缺乏有效的理论模型与机械性能研究,严重影响其实际应用。因此,本文结合理论分析与实验研究,以连续碳纤维增强聚碳酸酯复合材料(CF/PC)为研究对象,对连续纤维增强热塑性复合材料预浸成形工艺机理及成形性能开展系统研究,为工艺制定奠定科学基础。基于薄膜叠层热压成形制备连续纤维增强热塑性复合材料的工艺机理,建立了描述复合材料预浸料制备过程中树脂浸渍连续纤维的数学模型和层合板热压成形过程中树脂流动与纤维密实的数学模型并验证了模型的可靠性。成形温度和保压压力是连续纤维增强热塑性复合材料成形的关键工艺参数。本文系统研究了成形温度和保压压力对CF/PC力学性能的影响,观察和分析了复合材料拉伸断面微观形貌,建立了CF/PC最佳的热压成形工艺条件:成形温度为255℃,保压压力为1.0MPa。孔隙是连续纤维增强复合材料中最常见的缺陷之一,会严重影响复合材料的力学性能。本文系统研究了保压时间对层合板制品孔隙缺陷的体积含量、空间分布、几何形状和三维尺寸以及不同孔隙含量对层合板的弯曲性能和层间剪切性能的影响。实验发现:随着保压时间的增加,孔隙含量呈现出指数性下降的趋势,孔隙由均匀分布逐渐向中心区域集中,孔隙形状由扁长逐渐圆滑且尺寸逐渐减小。同时,孔隙的形成严重降低了复合材料的弯曲性能和层间剪切性能:孔隙含量每提高1%,弯曲强度和模量分别下降约23MPa和2.17GPa;层间剪切强度随着孔隙含量的升高也呈抛物线性下降。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB332
【图文】：

模型图,单胞,纤维束,纤维织物

华中科技大学硕士学位论文浸渍过程中，完成宏观预浸所需要的时间通常微秒级以下，因此，在实验研究过程中通常忽略不计。在微观预浸过程中，树脂表现出很低的剪切速率，数量级大约保持在 11s ，在这种情况下，树脂粘度几乎不发生改变，因此，在预浸过程中熔融树脂表现为牛顿流体特性。同时，浸渍过程中纤维束可以被看做是一种多孔介质，达西流动定律常常用作牛顿流体低速流过多孔介质的数学模型，因此达西定律被广泛运用于纤维增强复合材料的浸渍过程。综上所述，在预浸料制备过程中，当温度高于树脂基体的熔融温度后，树脂基体融化为具有一定流动性的牛顿流体，随后迅速充填纤维束之间的孔隙，纤维束周围完全被树脂基体所包覆，接着，在外加压力的作用下树脂流体向纤维束内渗透，纤维束内部的空气逐渐被树脂流体所置换。

过程图,界面演化,热压过程,树脂

华中科技大学硕士学位论文渐溢出，纤维体积含量逐渐升高，最终外加载荷完全由纤维网络所承载，纤维脂的结合紧密而牢固，复合材料层合板达到密实状态。另外，在制备具有高纤量的层合板制品时需要较高的成形温度和固化成形压力以及较长的保压时间，达到理想的固化成形效果。

【参考文献】