氧化铝增强混杂纤维复合材料传动轴微波固化技术基础研究

发布时间：2020-08-31 14:52

　　复合材料传动轴具有高功重比、减振抗振、高疲劳寿命等优点。直升机采用复合材料传动轴代替金属轴已成为发展趋势。但传统热固化制造复合材料传动轴会产生热梯度、残余应力和残余变形等问题。本文提出了将微波固化技术、颗粒增强技术和纤维混杂技术同时应用于直升机复合材料传动轴的成型,对颗粒氧化铝增强混杂纤维复合材料传动轴微波固化技术基础进行研究。主要研究工作和成果如下:建立了Al_2O_3增强环氧树脂体系的微波固化动力学模型。Al_2O_3的含量会影响环氧树脂固化反应的活化能和反应常数,而利用这两个参数可以通过Avrami法预测树脂固化反应过程。通过DSC、DMA等方法确定了活化能和反应常数与Al_2O_3含量的定量关系,为有限元分析模拟不同Al_2O_3含量的环氧树脂微波固化反应过程提供依据。揭示了添加Al_2O_3颗粒对树脂基体强度的增强机理。通过SEM观察不同氧化铝含量环氧树脂基体的断面发现,不含Al_2O_3颗粒的树脂断面比较规整光滑,而添加Al_2O_3颗粒后的树脂断面出现较多的阶梯状条纹。其原因是Al_2O_3颗粒的弹性模量远大于E51/DDS体系,故当其分散在基体之中,树脂断裂时Al_2O_3颗粒阻碍断裂运动而消耗更多的能量,从而提高树脂的强度。但当Al_2O_3颗粒添加过多时,会使树脂孔隙率增大,反而降低树脂的强度。提出了双重旋转微波均匀加热技术。微波在谐振腔中以驻波的形式存在,引起腔内微波场能分布不均,从而会造成物料加热不均。建立假设的驻波场理论模型,通过理论分析对比物料在静态、单重旋转以及双重旋转(即自转+公转)三种不同加热方式,结合微波加热水试验,验证双重旋转加热方式微波加热的效果最均匀。从运动学的角度,分析双重旋转时微波场能强点在物料上辐射加热过的轨迹,对自转和公转的转速提出了具体的要求,从而保证物料能够均匀微波加热,为复合材料传动轴微波固化成型均匀性的提高提供技术支持。提出了低功率预热、高功率固化的微波固化方法。通过有限元模拟分析得出,低功率微波加热时,树脂温度场/固化度场分布更均匀,但树脂固化反应较慢,甚至不固化;高功率微波加热时,树脂固化反应充分,但固化过程中树脂温度场/固化度场分布均匀性较差。因此,将两者优点进行互补,先采用低功率对复合材料体系预热,在预热的基础上,再采用高功率加热让树脂体系充分固化,从而既优化了树脂固化过程中的温度场/固化度场,又使树脂体系能够完全固化。通过试验证明,该方法有效可行,为复合材料传动轴微波固化成型提供工艺方法指导。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V275.1;TB33
【部分图文】：

分布图,复合材料结构,用量,分布图

钢并列为航空航天材料的四大金刚，其中复合材料以其比重小、比强度和比模量大的优点，航空航天中的应用已经成为发展趋势。例如波音 787 复合材料使用比例达到 50%，空A350XWB 复合材料使用比例达到 52%（图 1.1）。大型飞机对复合材料的应用量逐渐增大，飞机性能越来越好，而重量却越来越轻，复合材料的使用比例已经是评价大型飞机先进性的要标准[1]-[5]。

传统热压,工艺,设备,热传导

艺是一种很好的选择（图 1.2（b））。因为微波加热的基本原理不是依靠热传导进行加依靠被加热对象内部的极性分子在微波电磁场辐射作用下不断变换方向，使分子互相摩材料内部整体加热。这样，就能够避免热压罐工艺依赖热传导产生的热梯度对复合材制造带来的不良影响。通过微波固化工艺成型复合材料传动轴，既能改善固化均匀性动轴力学性能，又同时可以降低能耗，缩短成型周期，提高生产效率。

纤维混杂,方式,传动轴,成型工艺性

（a）层内混杂（b）层间混杂图 1.3 纤维混杂方式维增强树脂复合材料传动轴具有良好的耐热性，主要体现在树脂基体上。航空航天及复合材料传动轴最常见的基体树脂是环氧树脂，因为其具有成型工艺性好，柔韧

【参考文献】