PA-6干铺丝-RTM成型工艺及增韧机理研究

发布时间：2020-07-02 03:41

【摘要】：本文以发动机复合材料风扇叶片成型为应用背景,研究干铺丝-液体成型的成型技术,分别从成型工艺、工艺仿真、力学性能等角度开展研究。首先,基于粉末悬浮法成功制备出符合工艺要求的热塑性增黏纤维,对其进行粘结性能分析;其次对增黏纤维预制体渗透率进行研究,获得了定型剂对预制体渗透率影响方式及纤维预制体渗透率数值;最后研究了定型剂对复合材料制品力学性能的影响及增韧机理,为干铺丝-液体成型技术的实际应用提供参考和指导。(1)选择热塑性树脂PA-6做定型剂,开展热塑性增黏纤维制备工艺参数及粘结性能的研究,制备出满足工艺需求的增黏纤维。根据浸渍模型确定了热塑性增黏纤维制备平台工艺参数:分散剂去除温度90℃、预浸渍温度240℃、双钢带模压温度220℃、牵引速度10~30mm/s、牵引张力7N。基于以上工艺参数,通过调节分散剂含量成功制备出不同含胶量的热塑性增黏纤维,并对其微结构及粘结性能进行分析,经过综合考虑确定了热塑性增黏纤维的含胶量控制在8%。(2)针对干铺丝纤维预制体的液体成型,试验结合工艺仿真获得纤维预制体渗透率。采用超声固结制备纤维预制体,建立了达西定律渗透率测试模型,通过试验测得了渗透率,结合PAM-RTM工艺仿真对渗透率进行了修正,得到修正后含胶量8%的纤维预制体渗透率,并与空白组纤维预制体渗透率进行比较。结果表明当热塑性定型剂为8%时,由于热塑性定型剂的存在影响了树脂的浸渍和浸润,制备的纤维预制体渗透率分别降低了55.5%和52.0%。(3)制备了干铺丝-液体成型试样,开展了热塑性定型剂对成型复合材料制品力学性能的影响研究。研究结果表明,热塑性定型剂一定程度上降低了层间结合强度,但显著提高了复合材料的韧性。加入定型剂后,层间剪切强度降低了23.6%,层间定型剂的存在,使树脂黏附程度降低,层间剪切强度降低;G_(IC,V) _(IS)和G_(IC,max)分别增加了60.1%、89.3%,G_(IIC)增加了54.1%;在预制裂纹扩展过程中,定型剂阻碍了裂纹扩展、并吸收了大量能量,使得应变能释放速率变大,断裂韧性提高;冲击强度增加了18.7%,冲击裂纹沿截面扩展时受到阻碍,裂纹改变扩展方向,消耗更多的能量,从而具有更高的冲击强度。(4)针对复合材料风扇叶片,采用有限元模拟分析了工艺参数、铺层类型对叶片充模过程的影响。利用UG建立叶片模型,Patran划分网格,PAM-RTM工艺仿真软件模拟叶片的充模时间,结果表明:充模时间与注射压力呈反比,注射压力从0.1MPa提高到1.0MPa时,充模时间降低了88.2%,适当的提高注射压力可显著降低充模时间;充模时间与树脂黏度呈正比,树脂黏度从0.5Pa·s降低到0.05Pa·s,充模时间降低了90%,在保证树脂对纤维浸润充分的情况下应选择黏度较低的树脂;当铺层为准各向同性时,充模时间较短为1220s;当树脂流动距离相同时,注胶位置厚度较大有助于降低充模时间;合理设计铺层和注胶/出胶口位置有利于节约充模时间,提高生产效率。
【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】：2019
【分类号】：V263
【图文】：

风扇叶片,钛合金

第一章绪论复合材料叶片机的重要部件，作为飞机的心脏，是一个国家科技、具有推重比大，迎风面积小，起动、加速快，适应机[1]。随着 A380、B787 等商用大飞机的使用，大飞机渐成为综合国力的象征。大涵道比涡扇发动机是大型制成功的关键[2]。而现代商用大飞机“飞得更高、更率提出了更高的要求[3]。风扇叶片材料一般为金属及其合金（图 1.1），随着复高、比刚度高、低噪音和可设计性等优势逐渐成为金 6]。复合材料抗疲劳和耐腐蚀性能优异，可提高结构件机的使用寿命以及降低维护费用；同时使用复合材料合材料低成本制造技术可降低成本，可见，复合材料和环保性提供了保证[7]。

原理图,铺放,原理图

图 1.2 自动铺放原理图叶片为双曲面、大扭转和变截面的结构形式，通过模压（闭模成型）成罐提供温度和压力，使树脂在模腔中流动充满模腔，并使树脂固化，依现加热、加压、赋形，保证叶片表面精度。E90 复合材料风扇叶片是为 B777 开发的涡扇发动机，是国外最早采用动机之一（图 1.3（a））。采用预浸料/模压成型，碳纤维/增韧环氧预浸料逐渐减薄，表面涂有聚氨酯涂层，叶片前缘钛合金包边，叶尖和后缘 K扇叶片，总质量为 349kg，与钛合金叶片相比质量轻 66％，已成功应Enx 复合材料风扇叶片是 GE 公司为 B787 研制的新一代涡扇发动机，仅优化了 GE90 的复合材料叶片结构设计（图 1.3（b））。GEnx 发动机处采用了特氟隆耐磨衬垫。GEnx 发动机风扇包容机匣也是由复合材料将复合材料用于大型发动机机匣[12]。RENT 系列叶片应用于 B787、A350 XWB（图 1.3（c）），满足制造成本年该发动机出现叶片耐用性不强的问题，公司发言人称这批叶片恶化程 XWB 发动机是罗罗公司发动机中最新型号，融合了研发经验和最新

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