编织碳纤维增强热塑性复合材料热压--注塑整体化成形关键技术

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中文摘要：编织碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTP）具有优良的综合性能、可设计性、抗冲击性、抗蠕变性、可批量生产以及循环利用等优点，在航空航天、汽车以及医疗等领域具有重大应用。目前，连续CFRTP复合材料的常用成形工艺有缠绕成形、铺带成形、拉挤成形、模压成形以及热压成形。其中，热压成形是目前快速、低成本制造编织CFRTP复合材料零件的主要方式，但存在不能成形复杂功能结构、缺乏复杂装配特征的成形能力等难题。为此，本文提出热压-注塑整体化成形新方法来制造编织CFRTP复杂构件，主要通过热压成形制造承力骨架以及注塑包覆成形制造复杂功能附件。以高性能聚醚醚酮（PEEK）基复合材料为对象，重点研究了高性能编织CF/PEEK复合板材制备工艺与机理、编织CF/PEEK复合板材热压成形性能、CF/PEEK复合制件结合界面粘结性能等关键技术，并设计了典型制件进行应用验证，主要研究成果如下。热-力条件对编织CF/PEEK复合板材的结构与性能具有较大影响，本文研究了温度和压力对编织CF/PEEK复合板材的机械性能、热性能、微观结构的影响规律，分析了工艺-结构-性能之间的影响机理，并制备了综合性能优异的复合板材。结果表明，编织CF/PEEK复合板材的机械性能总体上会随着制备温度和保压压力的升高先增大后减小，其主要由基体性能、孔隙缺陷、纤维/树脂浸润程度等机制决定。当模压工艺参数为400℃-5MPa-10min时，编织CF/PEEK复合板材具有较好的机械性能，板材的拉伸强度、弯曲强度、层间剪切强度分别为774MPa、934MPa、69MPa，拉伸模量和弯曲模量则分别为69GPa和68GPa。弄清编织CF/PEEK复合板材的高温变形机制和热压成形性能可以有效指导承力骨架的加工成形，本文研究了不同成形条件下编织CF/PEEK复合板材的变形基础特性和热压成形性能，确定了板材的热压成形极限，并系统阐述了板材的变形失效机理。结果表明，PEEK在高弹态时具有极强的塑性变形能力，且在小变形时会出现应变率强化行为，但强化效果随着温度的升高会逐渐减弱。同时，编织CF/PEEK复合板材在高弹态时的热压成形主要依靠基体的塑性变形、纤维的剪切变形以及纤维/基体的挤压变形进行，不存在塑性减薄与纤维滑移现象。升高温度会大幅提高板材的成形性能，而升高速率则会小幅降低板材的成形性能，因此板材在325℃时和2mm/min时具有较好的成形性能，其弯曲失效角、极限拉深比和极限杯突比分别为55°、0.51、0.55。注塑包覆成形可以制造由复杂功能附件和承力骨架构成的多层复合制件，且注塑工艺对制件结合界面的结构与性能有较大影响，本文研究了不同注塑工艺条件下CF/PEEK复合制件结合界面的剪切强度和粘结机理，确定了界面牢固粘结时的工艺范围。结果表明，模具温度和熔体温度对制件结合界面的层间剪切强度（ILSS）有较大的影响，而保压压力对其影响较小。树脂扩散缠结对ILSS的影响远大于机械互锁和浸润吸附，当模具温度高于250℃，熔体温度高于400℃时，界面能形成较好的树脂扩散缠结层。然而，当熔体温度高于420℃时，长时间的高温环境会使部分基体发生老化分解，从而大幅降低ILSS。此外，复合制件的结合界面主要形成“铆钉式”粘结，即在树脂富集区形成树脂扩散缠结、在凹坑处形成嵌入式的树脂扩散缠结和机械互锁、在纤维表面形成薄弱的树脂扩散缠结和浸润吸附。基于上述研究，制造出CF/PEEK典型制件，验证了热压-注塑整体化成形工艺的可行性。结果表明，CF/PEEK典型制件的骨架与附件结合处形成了良好的树脂互熔层，实现了界面的牢固粘结。同时，制件由于两相收缩不一致而产生小程度的四边翘起变形，变形值约为1.43~2.09mm。此外，制件具有较强的抗压缩破坏能力，装配柱的压缩失效载荷为12.8kN，同时加强筋和盒型骨架在80kN时依旧保持完好并牢固粘结。以上表明，本文提出的热压-注塑整体化成形新方法能有效制造性能优良的CF/PEEK复杂构件，为复杂结构整体化成形提供了一种可行途径，对拓展编织CFRTP材料的工程应用，发展高性能、轻量化制造技术具有十分重要的意义。

作者：

郑兵

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关键词：

编织碳纤维热塑性复合材料热压成形注塑整体化成形力学性能

授予学位：

博士

学科专业：

材料加工工程

导师：

李德群、黄志高

学位年度：

2019

学位授予单位：

华中科技大学

语种：

中文

中图分类号：