發(fā)布時間：2020-06-29 23:31

【摘要】：碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料因為其優(yōu)異性能在航空航天領(lǐng)域取得了越來越廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)熱壓罐成型技術(shù)存在工藝控制性差、固化時間長、能耗高等缺點。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。然而微波固化技術(shù)存在多向鋪層碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料難以有效加熱和面內(nèi)溫度分布不均勻的問題。結(jié)合國家自然科學(xué)基金和航空企業(yè)的重大需求,本文針對這些問題進(jìn)行了深入研究。研究成果如下:(1)針對多向鋪層碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料在微波場中難以有效加熱的問題,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樹脂基復(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)計了微波間接加熱吸波模具,重點對短切碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料吸波層的性能進(jìn)行了優(yōu)化。此外,針對薄壁類和大厚度復(fù)合材料構(gòu)件,采用有限元仿真和實驗相結(jié)合的方法設(shè)計了微波間接加熱固化工藝曲線。(2)針對微波加熱過程中面內(nèi)溫度分布不均勻的問題,提出了基于時變電磁場的微波加熱溫度均勻性調(diào)節(jié)方法。微波加熱過程中,通過控制多路微波源的開關(guān)狀態(tài)和組合方式,在腔體中形成不斷變化的電磁場,利用不同電磁場諧振狀態(tài)對應(yīng)的加熱模式間存在的補償效應(yīng)提高被加熱材料的面內(nèi)溫度均勻性。多次實驗結(jié)果表明:腔體中的時變電磁場能有效改善微波加熱過程中的溫度均勻性,與靜態(tài)電磁場相比,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)對多向鋪層碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料微波間接加熱方法進(jìn)行了實驗驗證。實現(xiàn)了復(fù)合材料構(gòu)件的有效固化。實驗結(jié)果表明:對于薄壁類復(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)件拉伸強度、壓縮強度、彎曲強度和層間剪切強度與電加熱工藝基本一致。對于大厚度(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,避免了熱沖擊對復(fù)合材料構(gòu)件質(zhì)量的損傷,層間剪切強度提高了1.38倍。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：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立性能的材料，通過物理或化學(xué)的方法組合形成具有全新性能的材料。根據(jù)其基體種類不同，常見的復(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。碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料（CFRPs）是一種的聚合物基復(fù)合材料，具有高比強度和比模量、抗疲勞、耐腐蝕等優(yōu)點[1-2]，如圖 1.1，被廣泛應(yīng)用于汽車、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：通過風(fēng)機將電熱絲產(chǎn)生的熱量均勻吹散到密閉罐體中，熱量通過熱傳遞和熱傳導(dǎo)的方經(jīng)過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，冷卻時通過循環(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，成型過程中罐內(nèi)溫度均勻，產(chǎn)品孔隙率低[16]。但通過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[17-18]：（1）工藝控制性差。熱壓罐固化過程中，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）固化時間長。采用熱壓罐固化復(fù)合材料時，熱量通過逐步傳導(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保溫平臺來證充分傳熱。因此固化工藝時間長，成型周期可達(dá) 10 小時[7]。（3）能耗高。復(fù)合材料熱壓罐固化過程中，熱量經(jīng)過多層介質(zhì)逐步傳遞到復(fù)合材料

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2734508