【摘要】：碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料因?yàn)槠鋬?yōu)異性能在航空航天領(lǐng)域取得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)熱壓罐成型技術(shù)存在工藝控制性差、固化時(shí)間長(zhǎng)、能耗高等缺點(diǎn)。與熱壓罐成型方式相比,微波固化技術(shù)有工藝控制性好、加熱速度快、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。然而微波固化技術(shù)存在多向鋪層碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料難以有效加熱和面內(nèi)溫度分布不均勻的問(wèn)題。結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金和航空企業(yè)的重大需求,本文針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。研究成果如下:(1)針對(duì)多向鋪層碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料在微波場(chǎng)中難以有效加熱的問(wèn)題,提出了微波間接加熱固化的方法。采用吸波性能良好的短切碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料作為吸波介質(zhì),將微波能轉(zhuǎn)化為熱能用于加熱固化復(fù)合材料構(gòu)件。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了微波間接加熱吸波模具,重點(diǎn)對(duì)短切碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料吸波層的性能進(jìn)行了優(yōu)化。此外,針對(duì)薄壁類(lèi)和大厚度復(fù)合材料構(gòu)件,采用有限元仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)了微波間接加熱固化工藝曲線。(2)針對(duì)微波加熱過(guò)程中面內(nèi)溫度分布不均勻的問(wèn)題,提出了基于時(shí)變電磁場(chǎng)的微波加熱溫度均勻性調(diào)節(jié)方法。微波加熱過(guò)程中,通過(guò)控制多路微波源的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和組合方式,在腔體中形成不斷變化的電磁場(chǎng),利用不同電磁場(chǎng)諧振狀態(tài)對(duì)應(yīng)的加熱模式間存在的補(bǔ)償效應(yīng)提高被加熱材料的面內(nèi)溫度均勻性。多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:腔體中的時(shí)變電磁場(chǎng)能有效改善微波加熱過(guò)程中的溫度均勻性,與靜態(tài)電磁場(chǎng)相比,被加熱材料面內(nèi)溫度均勻性提高了39.9%;與現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)托盤(pán)調(diào)節(jié)方法相比,被加熱材料面內(nèi)溫度均勻性提高了24.7%。(3)對(duì)多向鋪層碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料微波間接加熱方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料構(gòu)件的有效固化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:對(duì)于薄壁類(lèi)復(fù)合材料構(gòu)件(厚度2mm),與傳統(tǒng)電加熱工藝相比,微波間接加熱工藝的能耗降低72.9%,固化周期縮短42.1%,復(fù)合材料構(gòu)件拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度與電加熱工藝基本一致。對(duì)于大厚度(厚度20mm)復(fù)合材料構(gòu)件,與電加熱方法相比,微波間接加熱方法具有良好的工藝控制性和跟隨性;與傳統(tǒng)固化工藝相比,優(yōu)化后的新工藝有效控制了固化反應(yīng)放熱,避免了熱沖擊對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件質(zhì)量的損傷,層間剪切強(qiáng)度提高了1.38倍。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：V261.97
【圖文】：

南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章 緒論.1 研究背景和意義.1.1 先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用復(fù)合材料是指兩種或兩種以上具有獨(dú)立性能的材料，通過(guò)物理或化學(xué)的方法組合形成具有全新性能的材料。根據(jù)其基體種類(lèi)不同，常見(jiàn)的復(fù)合材料可分為金屬基復(fù)合材料、非金屬基復(fù)合材料和聚合物基復(fù)合材料。碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（CFRPs）是一種的聚合物基復(fù)合材料，具有高比強(qiáng)度和比模量、抗疲勞、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，如圖 1.1，被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、船舶、風(fēng)力發(fā)電、航空航天等領(lǐng)域[3-4]。

圖 1. 2 空客飛機(jī)復(fù)合材料用量1.1.2 熱壓罐固化技術(shù)與微波固化技術(shù)目前航空領(lǐng)域復(fù)合材料構(gòu)件 80%以上采用熱壓罐成型技術(shù)[12]。熱壓罐成型技術(shù)的原是：通過(guò)風(fēng)機(jī)將電熱絲產(chǎn)生的熱量均勻吹散到密閉罐體中，熱量通過(guò)熱傳遞和熱傳導(dǎo)的方經(jīng)過(guò)工裝和輔助材料逐步到達(dá)復(fù)合材料，由內(nèi)而外的加熱復(fù)合材料，冷卻時(shí)通過(guò)循環(huán)水帶熱量，使工裝和復(fù)合材料降溫[13-15]。熱壓罐固化設(shè)備和原理如圖 1.3 所示。復(fù)合材料熱壓固化工藝技術(shù)成熟，成型過(guò)程中罐內(nèi)溫度均勻，產(chǎn)品孔隙率低[16]。但通過(guò)與大型航空企合作發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料熱壓罐固化技術(shù)仍存在以下缺點(diǎn)[17-18]：（1）工藝控制性差。熱壓罐固化過(guò)程中，熱量傳遞的路徑為：電熱絲—空氣—工裝輔助材料—復(fù)合材料。存在溫度滯后的現(xiàn)象，導(dǎo)致工藝控制性差。（2）固化時(shí)間長(zhǎng)。采用熱壓罐固化復(fù)合材料時(shí)，熱量通過(guò)逐步傳導(dǎo)的方式由外到內(nèi)熱復(fù)合材料，為了降低復(fù)合材料內(nèi)外的溫差，通常采用較低的升溫速率和多個(gè)保溫平臺(tái)來(lái)證充分傳熱。因此固化工藝時(shí)間長(zhǎng)，成型周期可達(dá) 10 小時(shí)[7]。（3）能耗高。復(fù)合材料熱壓罐固化過(guò)程中，熱量經(jīng)過(guò)多層介質(zhì)逐步傳遞到復(fù)合材料

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2734508