復合材料真空輔助整體工藝研究

　　研究了導流介質(zhì)、脫模介質(zhì)等工藝要素對真空輔助成型工藝的影響.結果表明,高滲透率的導流介質(zhì)和脫模介質(zhì)均能有效提高樹(shù)脂的充模速度;所研制的新型導流介質(zhì)能夠有效控制樹(shù)脂的流動(dòng)狀態(tài).下面是小編搜集整理的相關(guān)內容的論文，歡迎大家閱讀參考。

　　摘要：目前，人們對復合材料產(chǎn)品性能的要求日益提高。因此，提出了采用真空輔助成形工藝整體制備復合材料異型件結構的方案，確定了異型件結構整體制作的具體過(guò)程，解決了碳纖維預浸布制作異型件結構的關(guān)鍵問(wèn)題。試制結果表明，該工藝整體制備復合材料異型件結構是可行的，為復合材料廣泛應用到高承力、高強度的異型件結構中打下了基礎。

　　關(guān)鍵詞：復合材料異型件;碳纖維預浸布;弦桿;腹桿

　　真空輔助成形(VARI)是一種新型的低成本、高性能的成形工藝，已被應用到了船舶工程中。

　　一、模型結構及其成形方案

　　1.1模型結構的試驗方法

　　模型的結構形式為“米”字形異型件，弦桿和腹桿均為復合材方管，在方管內填充了Balsa木，弦桿壁厚4mm，腹桿壁厚3mm。選用的復合材料為威海光威生產(chǎn)的碳纖維預浸布，Balsa木的規格為B150，密度為0.15g/cm3。

　　1.2真空輔助成形的基本原理

　　真空輔助成形工藝的基本原理為：在真空狀態(tài)下，排除纖維增強體中的氣體，利用樹(shù)脂的流動(dòng)、滲透浸漬纖維及其織物，并使其在室溫或高溫下固化;固化成形后，通過(guò)真空氣壓差對纖維施加一定的正壓力，從而形成具有一定比例的復合材料構件。

　　二、真空輔助異型件成形過(guò)程中的技術(shù)

　　復合材料異型件結構整體成形過(guò)程中主要用到異型件結構整體成形法、弦桿接頭成形法、桿件預浸布鋪設法和真空輔助成形流道鋪設、固化法。

　　2.1整體成形法

　　針對復合材料異型件結構特殊的結構形式，提出了分步制作、整體成形的模型制作方法：在木模具上鋪設碳纖維預浸布，抽真空固化制作得到U形異型件;在U形異型件內填充Balsa木和預埋金屬內芯，Balsa木、接頭內芯與U形異型件管壁用結構膠黏結;在成形的U形異型件的桿件和弦桿接頭上纏繞碳纖維預浸布，對桿件進(jìn)行局部補強和整體纏繞加強，并進(jìn)行預埋接頭與桿件的整體固化成形，從而得到模型樣件。

　　2.2接頭整體成形法

　　通過(guò)計算得到弦桿接頭需要承受的拉壓荷載，針對結構、受力的特點(diǎn)設計T形預埋接頭內芯。接頭的成形方法為：先將接頭內芯預埋到弦桿和腹桿中，用木塊壓實(shí)預埋接頭，保證預埋接頭的內芯與桿件整體呈平面、保持豎直;使用碳纖維預浸布沿弦桿受力方向包裹內芯，使接頭內芯與復合材料弦桿整體固化為一體。采用該方案可將預埋接頭內芯與桿件連為一體，使各受力部分協(xié)同受力，從而提供較大的拉壓力。

　　2.3鋪設、纏繞預浸布

　　整體采用交叉鋪設的方法，即一層預浸布全部鋪設、纏繞、搭接完成后，再鋪設下一層預浸布，并使各層預浸布交叉搭接。在初成形的異型件結構上纏繞、包裹碳纖維預浸布的方法為：將預浸布平鋪在異型件表面，預浸布中心線(xiàn)與桿件中心線(xiàn)對齊，順勢將預浸布向兩側腹板平鋪，施加一定的張力，并保持表面平整。

　　2.4真空輔助成形流道鋪設、固化法

　　由于復合材料異型件結構復雜、鋪層不規則，為了保證樹(shù)脂對纖維的充分浸潤，并吸走預浸布高溫固化時(shí)多余的樹(shù)脂和氣泡，按照樹(shù)脂在纖維中的流動(dòng)規律、遵循Darcy定律布設了導流網(wǎng)和導流管。Darcy定律為：θ=S•A•△P/μ•L.(1)式(1)中：θ為通過(guò)恒定面積試件的體積流動(dòng)速率;S為滲透率，與長(cháng)度的平方相關(guān)的常數;A為試件的橫截面積;△P為試件的壓力梯度;μ為樹(shù)脂黏度;L為試件液體流動(dòng)的長(cháng)度。最終確定的導流設施布置方法為：在纏繞成形的樣件前部包裹脫模布和導流網(wǎng)，真空袋包裹所有桿件，并在樣件端部布置了1個(gè)出膠口，從而吸出多余的樹(shù)脂;抽真空，壓實(shí)各折角處的導流網(wǎng)和真空袋，待真空度達到0.08MPa時(shí)，緩慢升溫至80℃，固化1h后升溫至100℃，再固化1h后升溫至120℃，并在120℃的環(huán)境下保持2h;在固化過(guò)程中，應不斷地觀(guān)察固化效果，待樹(shù)脂完全固化完后緩慢降溫，最后脫模得到模型樣件。

　　三、外觀(guān)檢測

　　脫模后應及時(shí)觀(guān)測，成形后桿件的尺寸與設計尺寸基本相符。檢測試件外觀(guān)后發(fā)現，樣件整體成形效果較好，桿件鋪層較密實(shí)，但其表面存在一些問(wèn)題：①弦桿接頭處存在纖維褶皺現象;②桿件厚度不一，表面不是平面。這些問(wèn)題在后期制作實(shí)物樣件時(shí)均會(huì )改進(jìn)。

　　四、結論

　　本文通過(guò)采用真空輔助成形工藝整體制備碳纖維復合材料異型件樣件，得出了以下2點(diǎn)結論：

　�、俦疚奶岢龅姆植街谱�、整體成形、整體制備復合材料異型件模型樣件方案經(jīng)濟、方便、可行，證明了真空輔助成形工藝用于制備異型件結構是合理、先進(jìn)的，為解決軍用復合材料異型件結構減重問(wèn)題提供了低成本的制造方法和技術(shù)方案;

　�、趶臉嬙旌凸に嚪矫娉霭l(fā)，本文提出的整體制備拉壓接頭具有一定的創(chuàng )新性，T形預埋接頭內芯構造合理，接頭承載效果良好。一些需要改進(jìn)之處為：

　�、倮@桿件纏繞的纖維在真空吸附受壓時(shí)，纖維會(huì )有褶皺、翹曲的現象，這會(huì )對桿件和接頭性能造成一定的影響。因此，在工藝上應優(yōu)化纖維的纏繞方法，避免此類(lèi)問(wèn)題的發(fā)生。

　�、谛枰獙Ξ愋图�進(jìn)行加載試驗，驗證異型件的力學(xué)性能，從而有針對性地優(yōu)化工藝。

　　參考文獻

　　[1]劉建成，林鑄明.復合材料在渡河橋梁中的應用和發(fā)展[J].工兵裝備研究，2004(1).

　　[2]趙渠森.先進(jìn)復合材料手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

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