碳纤维增强树脂基复合材料微波固化机理

发布时间：2020-05-18 10:05

【摘要】：碳纤维增强树脂基复合材料由于轻质高强等优异性能在航空航天领域得到广泛应用。微波固化技术相比于传统热压罐固化技术具有温度控制灵敏度高、固化周期短、能耗低等突出优势,在复合材料制造领域具有广阔应用前景,但目前碳纤维增强树脂基复合材料的微波固化机理尚不明确、微波固化工艺尚不成熟。结合国家自然科学基金和航空制造行业的重大实际需求,本文针对上述问题进行了深入研究。主要成果如下:(1)基于DSC热分析方法和自催化模型,建立了碳纤维增强树脂基复合材料微波固化动力学模型,揭示了碳纤维增强树脂基复合材料在微波固化过程中的反应机理,并对该模型的有效性进行了分析。(2)提出了基于固化特征点的碳纤维增强树脂基复合材料微波固化过程中的各向异性介电常数离线测量方法,并基于德拜理论和碳纤维微观结构揭示了复合材料复介电常数随固化度的变化机理。此外,本文在多层反射率模型基础上建立了碳纤维增强树脂基复合材料微波固化过程中的吸波模型,研究了材料厚度、铺层方向和固化度对材料吸波性能的影响。(3)设计了碳纤维增强树脂基复合材料微波固化温度工艺曲线。考虑微波固化动力学、微波固化过程中的吸波性能变化和固化应力三方面的影响,给出了固化温度、固化时间、升降温速率和交变频率等工艺参数的计算方法。(4)对本文设计的碳纤维增强树脂基复合材料微波固化温度工艺曲线进行了实验验证,对比了交变升降温微波固化温度工艺曲线与传统微波固化温度工艺曲线下的力学性能、固化应力、固化周期和能耗。对五组典型复合材料试样的各项测试数据取平均值,发现相比于基于热压罐固化工艺稍作改进的传统微波固化工艺,本文设计的交变升降温微波固化温度工艺曲线固化出的复合材料残余应力降低50.8%,固化周期缩短20.8%,能耗降低36.7%,除弯曲性能基本保持不变,其他力学性能均提升10%以上。
【图文】：

图 1.1 复合材料在飞机上的应用趋势展，，CFRP 复合材料在飞机主承力复杂曲面构件上的用量构轻质化、模块化至关重要[3-6]。数据表明，复合材料的应本降低 15%～30%[7,8]。随着复合材料设计制造技术的不断

图 1.2 CFRP 复合材料制件热压罐固化微波是频率在300MHz~300GHz范围内的电磁波，生产和科研中常用的微波频率为2.45GHz该频率与常见高分子材料中的极性分子振动频率相近，因此可用于树脂的固化成型。采用微波对 CFRP 复合材料进行固化时，材料中的极性分子会出现介电极化现象，极化电场矢量与外加(a) 波音 787 机身段进热压罐固化 (b) 波音 777X 左翼蒙皮进热压罐固化
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V261.97

【参考文献】

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本文编号：2669556