国产T700级碳纤维复合材料性能研究和翼片成型工艺优化
发布时间：2021-06-16 17:10
碳纤维增强环氧树脂基复合材料具备高比强度、高比模量的力学性能和轻质化、耐疲劳、膨胀系数小等优秀物理性质,在航空航天、军工、新能源、交通工具、体育器材等领域应用广泛,但是,由于生产技术和材料成本限制,国产碳纤维材料相比进口碳纤维材料在使用性能上仍然存在一定的差距。本文旨在对比研究国产碳纤维及其复合材料性能,通过优化设计国产碳纤维复合材料成型工艺和流程,使之满足飞行器翼片设计技术要求,同时设计了模拟实验对其可靠性、环境适应性进行验证,对飞行器实现关键原材料国产化替代意义重大。本文首先对日本东丽T700级碳纤维和恒神、威海拓展两种国产T700级碳纤维进行了表征和分析,对比研究了三种碳纤维表面形貌、上浆剂种类、石墨微晶结构、表面元素等材料特性。发现两种国产碳纤维中威海拓展采用了与东丽相似的干喷湿纺工艺,纤维表面光滑,而恒神碳纤维采用的是湿法纺丝工艺,纤维表面有延轴向取向的沟槽,而沟槽的存在会增加纤维与树脂间的机械啮合力,对复合材料界面性能有积极意义,但同时会增加纤维产生细纹等缺陷的几率,对其拉伸性能等力学性能产生不利影响。三种碳纤维上浆剂均为低分子环氧树脂,在纤维内部微晶结构、表面元素方面东丽...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１碳纤维“皮芯”结构图??Ｆｉｇｕｒｅ?１－１?Ｃａｒｂｏｎ?ｆｉｂｅｒ?’’Ｓｋｉｎ－ｃｏｒｅ，’?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??具量轻、比强度高、比模量高、耐高温、热膨胀系数小、耐疲劳??
于在１９７３年建成了能够规模化生产具有可靠使用性能的Ｔ３００碳纤维及Ｍ４０石??墨纤维生产线。随着市场对碳纤维性能要求的不断提高，东丽公司又成功研制了??Ｔ７００、Ｔ８００、Ｔ１０００、Ｍ４０Ｊ、Ｍ７０Ｊ等多种高性能纤维，如图１－２，其规模和技??术在世界范围内一直处于行业内领先地位［２１＿２２］。??荽??．Ｓ＇?一?Ｔ１０００??７?????多彦父＇瞻『ｉ?？丨丨ｉｇｈ?：＿一??‘?ｔ?Ｉ?１?⑷＾，＂養（‘ａｒｌｘ?丨丨?ｆｉｋｒ??５－?６?Ｔ？６〇Ｓ?＾ＯＨ??３?１?７〇〇Ｓ??＊＾５?５????．．．??五?Ｔ（Ｋ）Ｊ？?？?ｉ！（，Ｊ?－ｒｌｗｎｉＨ－，??！二－：竭＇??％?．?＿?Ｍ６５ｉｒ，ｒ??ｒ?＇?．．、ＴＷ—汰ｆｔ，?—??卜?？?？Ｍ５０??２???：???１?????????１００?２００?３００?４００?５００?６００?７００??Ｔｅｎｓｉｌｅ?ｍｏｄｕｌｕｓ／ＧＰａ??图１－２东丽各规格碳纤维力学性能??Ｆｉｇｕｒｅ?１－２?Ｔｏｒａｙ＊ｓ?ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ?ｏｆ?ｃａｒｂｏｎ?ｆｉｂｅｒ?ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ?ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ??目前，世界上高性能碳纤维生产厂家主要集中在日本、美国等几个发达国家。??其中日本三大碳纤维生产商东丽、东邦、三菱主要生产小丝束（１？２４Ｋ）碳纤维，??约占全球总产量的７０％以上
提高复合材料界面结合性能，但同时沟槽也是碳纤维表面的缺陷，容易产生??应力集中，影响碳纤维的拉伸强度。干喷湿纺是原液从喷丝头流出后先经过空气??再浸入凝液中，如图１－４所示［２７Ｈ２８］，这种方法纺丝速度快，纤维致密，表面光??滑，ＰＡＮ分子链段延纤维方向排列取向优化，拉伸强度更高。但干喷湿纺的缺??点是纺丝原液细流断裂后原液容易沿喷丝头漫流，严重影响纺丝过程的连续性，??同时容易残留的有机溶剂，造成原丝内部缺陷，影响纤维质量。??Ｓｐｃｘａｎｇｃｂｐｅ??Ｉ?ｆｔ，ｃｒ?％ｓａａｔ？ｄｏｐｅ??Ｔｏｗ＊，、ｆｒｏＢｅｒ?Ｔｏｗ＾?－?％■?ｒｄｆｅｒ??參■?＜？錄命崎？?？?？?ｗ?办，ｉ＇?ｉｔ．?ｔ：?＞ｒ??％＇?ｗ－乂?％－４?Ｋ－?＼５?％％???Ｗｅｔ?Ｓｐｉｎｎｌｉｉｇ?Ｄｒｙ，ｊｅｔ?Ｗｅｔ?Ｓｐｉｎｎｉｎｇ???图１－４?ＰＡＮ基碳纤维纺丝工艺示意图??Ｆｉｇｕｒｅ?１－４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ＰＡＮ－ｂａｓｅｄ?ｃａｒｂｏｎ?ｆｉｂｅｒ?ｓｐｉｎｎｉｎｇ?ｐｒｏｃｅｓｓ??５??
【参考文献】：
期刊论文
[1]韩国晓星开发高强中模碳纤维[J]. 钱伯章. 合成纤维工业. 2019(01)
[2]碳纤维技术发展趋势及应用[J]. 严瑛,陈燕. 合成材料老化与应用. 2018(05)
[3]全球碳纤维技术发展分析及其对我国的启示[J]. 田雅娟,张志强,陶诚,杨明,巴金,陈云伟. 世界科技研究与发展. 2018(04)
[4]国产碳纤维增强树脂基复合材料的界面结合性能研究[J]. 支建海,钱鑫,张永刚,王雪飞,陈礼群,李德宏,宋书林. 合成纤维工业. 2018(04)
[5]复合材料机翼前梁装配应力超声无损测量[J]. 葛恩德,王伟,陈磊,周玉锋,张宇民. 工程塑料应用. 2018(07)
[6]木质素制备低成本碳纤维的最新进展[J]. 刘欢,成丽清,周景辉. 黑龙江造纸. 2018(01)
[7]基于小波分析的飞行器飞行工况振动环境[J]. 张晓宏,窦怡彬,邵庆. 系统仿真技术. 2017(04)
[8]聚丙烯腈基碳纤维生产工艺进展[J]. 胡立新,李志鹏,唐强,李俊,张家晖,张弘,徐保明. 精细石油化工. 2017(06)
[9]PAN基碳纤维的国内外发展现状及趋势[J]. 许深,吕佳滨,文美莲,李增俊,白琼琼. 纺织导报. 2017(10)
[10]2016全球碳纤维复合材料市场报告[J]. 林刚,吕雪. 纺织科学研究. 2017(07)
博士论文
[1]碳纤维增强PPBES复合材料的界面改性研究[D]. 李楠.大连理工大学 2018
[2]PAN基碳纤维制备过程中表面处理关键技术研究[D]. 林治涛.山东大学 2014
硕士论文
[1]一种自乳化水性环氧树脂上浆剂的制备与性能研究[D]. 臧圣彪.北京化工大学 2016
[2]PAN基碳纤维原丝生产水浴牵伸过程分析及优化[D]. 侯富彬.青岛科技大学 2015
[3]碳纤维增强环氧树脂复合材料的制备及性能研究[D]. 崔兴志.中国海洋大学 2014
[4]聚丙烯腈基碳纤维制备工艺与性能相关性研究[D]. 宋鹏.山东大学 2013
[5]高性能碳纤维制造工艺改进和聚丙烯腈预氧化成环机理的XRD研究[D]. 孙国防.北京化工大学 2009
本文编号：3233464
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１碳纤维“皮芯”结构图??Ｆｉｇｕｒｅ?１－１?Ｃａｒｂｏｎ?ｆｉｂｅｒ?’’Ｓｋｉｎ－ｃｏｒｅ，’?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??具量轻、比强度高、比模量高、耐高温、热膨胀系数小、耐疲劳??
于在１９７３年建成了能够规模化生产具有可靠使用性能的Ｔ３００碳纤维及Ｍ４０石??墨纤维生产线。随着市场对碳纤维性能要求的不断提高，东丽公司又成功研制了??Ｔ７００、Ｔ８００、Ｔ１０００、Ｍ４０Ｊ、Ｍ７０Ｊ等多种高性能纤维，如图１－２，其规模和技??术在世界范围内一直处于行业内领先地位［２１＿２２］。??荽??．Ｓ＇?一?Ｔ１０００??７?????多彦父＇瞻『ｉ?？丨丨ｉｇｈ?：＿一??‘?ｔ?Ｉ?１?⑷＾，＂養（‘ａｒｌｘ?丨丨?ｆｉｋｒ??５－?６?Ｔ？６〇Ｓ?＾ＯＨ??３?１?７〇〇Ｓ??＊＾５?５????．．．??五?Ｔ（Ｋ）Ｊ？?？?ｉ！（，Ｊ?－ｒｌｗｎｉＨ－，??！二－：竭＇??％?．?＿?Ｍ６５ｉｒ，ｒ??ｒ?＇?．．、ＴＷ—汰ｆｔ，?—??卜?？?？Ｍ５０??２???：???１?????????１００?２００?３００?４００?５００?６００?７００??Ｔｅｎｓｉｌｅ?ｍｏｄｕｌｕｓ／ＧＰａ??图１－２东丽各规格碳纤维力学性能??Ｆｉｇｕｒｅ?１－２?Ｔｏｒａｙ＊ｓ?ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ?ｏｆ?ｃａｒｂｏｎ?ｆｉｂｅｒ?ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ?ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ??目前，世界上高性能碳纤维生产厂家主要集中在日本、美国等几个发达国家。??其中日本三大碳纤维生产商东丽、东邦、三菱主要生产小丝束（１？２４Ｋ）碳纤维，??约占全球总产量的７０％以上
提高复合材料界面结合性能，但同时沟槽也是碳纤维表面的缺陷，容易产生??应力集中，影响碳纤维的拉伸强度。干喷湿纺是原液从喷丝头流出后先经过空气??再浸入凝液中，如图１－４所示［２７Ｈ２８］，这种方法纺丝速度快，纤维致密，表面光??滑，ＰＡＮ分子链段延纤维方向排列取向优化，拉伸强度更高。但干喷湿纺的缺??点是纺丝原液细流断裂后原液容易沿喷丝头漫流，严重影响纺丝过程的连续性，??同时容易残留的有机溶剂，造成原丝内部缺陷，影响纤维质量。??Ｓｐｃｘａｎｇｃｂｐｅ??Ｉ?ｆｔ，ｃｒ?％ｓａａｔ？ｄｏｐｅ??Ｔｏｗ＊，、ｆｒｏＢｅｒ?Ｔｏｗ＾?－?％■?ｒｄｆｅｒ??參■?＜？錄命崎？?？?？?ｗ?办，ｉ＇?ｉｔ．?ｔ：?＞ｒ??％＇?ｗ－乂?％－４?Ｋ－?＼５?％％???Ｗｅｔ?Ｓｐｉｎｎｌｉｉｇ?Ｄｒｙ，ｊｅｔ?Ｗｅｔ?Ｓｐｉｎｎｉｎｇ???图１－４?ＰＡＮ基碳纤维纺丝工艺示意图??Ｆｉｇｕｒｅ?１－４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ＰＡＮ－ｂａｓｅｄ?ｃａｒｂｏｎ?ｆｉｂｅｒ?ｓｐｉｎｎｉｎｇ?ｐｒｏｃｅｓｓ??５??
【参考文献】：
期刊论文
[1]韩国晓星开发高强中模碳纤维[J]. 钱伯章. 合成纤维工业. 2019(01)
[2]碳纤维技术发展趋势及应用[J]. 严瑛,陈燕. 合成材料老化与应用. 2018(05)
[3]全球碳纤维技术发展分析及其对我国的启示[J]. 田雅娟,张志强,陶诚,杨明,巴金,陈云伟. 世界科技研究与发展. 2018(04)
[4]国产碳纤维增强树脂基复合材料的界面结合性能研究[J]. 支建海,钱鑫,张永刚,王雪飞,陈礼群,李德宏,宋书林. 合成纤维工业. 2018(04)
[5]复合材料机翼前梁装配应力超声无损测量[J]. 葛恩德,王伟,陈磊,周玉锋,张宇民. 工程塑料应用. 2018(07)
[6]木质素制备低成本碳纤维的最新进展[J]. 刘欢,成丽清,周景辉. 黑龙江造纸. 2018(01)
[7]基于小波分析的飞行器飞行工况振动环境[J]. 张晓宏,窦怡彬,邵庆. 系统仿真技术. 2017(04)
[8]聚丙烯腈基碳纤维生产工艺进展[J]. 胡立新,李志鹏,唐强,李俊,张家晖,张弘,徐保明. 精细石油化工. 2017(06)
[9]PAN基碳纤维的国内外发展现状及趋势[J]. 许深,吕佳滨,文美莲,李增俊,白琼琼. 纺织导报. 2017(10)
[10]2016全球碳纤维复合材料市场报告[J]. 林刚,吕雪. 纺织科学研究. 2017(07)
博士论文
[1]碳纤维增强PPBES复合材料的界面改性研究[D]. 李楠.大连理工大学 2018
[2]PAN基碳纤维制备过程中表面处理关键技术研究[D]. 林治涛.山东大学 2014
硕士论文
[1]一种自乳化水性环氧树脂上浆剂的制备与性能研究[D]. 臧圣彪.北京化工大学 2016
[2]PAN基碳纤维原丝生产水浴牵伸过程分析及优化[D]. 侯富彬.青岛科技大学 2015
[3]碳纤维增强环氧树脂复合材料的制备及性能研究[D]. 崔兴志.中国海洋大学 2014
[4]聚丙烯腈基碳纤维制备工艺与性能相关性研究[D]. 宋鹏.山东大学 2013
[5]高性能碳纤维制造工艺改进和聚丙烯腈预氧化成环机理的XRD研究[D]. 孙国防.北京化工大学 2009
本文编号：3233464
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