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三维编织复合资料建造手艺及力学机能研讨停顿

文章来由:收集义务编辑:办理员人气:颁发时候:2014-06-18【

三维编织复合资料是仿织复合资料之一,是由接纳编织手艺织造的纤维编织物(又称三维预成形件)所加强的复合资料,其具有高的比强度、比模量、高的毁伤容限和断裂韧性、耐打击、抗开裂和委靡等优良特色。三维编织复合资料作为一种前进前辈的复合资料,倍受工程界存眷,业已成为航空、航天范畴的首要规划资料,并在汽车、船舶、修建范畴、体育用品和医疗东西等方面取得了普遍操纵。

三维编织复合资料的成长是因为单向或二向加强资料所制得的复合资料层间剪切强度低、抗打击机能差、不能用作主承力件,L.R.Sanders于1977年把三维编织手艺引入工程操纵中。所谓3D编织手艺是经由进程是非纤维在空间按必然的纪律摆列,彼此交叉而取得的三维无缝合的完全规划,使复合资料不再存在层间题目,且抗毁伤才能大大前进。其工艺特色是能建造出各类法则外形及异形实心体,并能够或许或许使规划件具有多功效性,即编织多层全体构件。今朝三维编织的体例约莫有20多种,但经常操纵的有4种,别离是极线编织(polar braiding)、斜线编织(diagonal braiding or packing braiding)、正交线编织(orthogonal braiding)和绕锁线编织(warp interlock braiding)。三维编织中又有多种型式,比方二步法三维编织、四步法三维编织、多步法三维编织。 本文来自123

树脂通报模塑法成长史

三维编织复合资料成型工艺首要有树脂通报模塑法[2](RTM,Resin Transfer Molding),它是将液态树脂注入闭合模具中浸润加强资料并固化成型的工艺体例,是最近几年来成长敏捷地合适多种类、中批量、高品德前进前辈复合资料成品出产地成型工艺,它是一种靠近终究外形部件的出产体例,根基无需后续加工。

RTM手艺发源于20世纪40年月的“MARCO”体例,最后是为成型飞机雷达罩成长起来的。RTM固然本钱较低,但其手艺请求较高,出格是对原资料及模具的请求较高,大规模推行有必然的坚苦,因此成长迟缓。到了20世纪80年月,因为产业发财国度对出产环境请求的各项律例日益严酷;同时,跟着原资料、工艺的成长和成型手艺的不时前进,加上RTM工艺本身诸多的长处,比方,模制件公役小、有很高的外表品德、比SMC(Sheet Molding Compound),片状模塑料模塑压力小、出产加工机关体例多种多样、投资少、出产效力较高档特色而遭到列国的正视。80年月末,跟着天下政治经济情势的变更,RTM被以为是处置前进前辈复合资料高本钱题目的首要手艺之一。日本将RTM 和拉挤两项工艺保举为最有成长前程的工艺。美国NASA将RTM手艺参加其前进前辈复合资料打算(ACT打算),并机关展开了大批的研讨任务,同时民用复合资料界在出产本钱、出产周期和环保新请求的压力下呈现了RTM研讨和操纵的高潮。 123,123

1985年前后,以延长成型周期、前进外表品德平顺性和前进品德稳定性为方针的第二代RTM 起头取得操纵。以更高效力为特色的第三代RTM成型工艺在20世纪90年月中期起头取得操纵。

国际RTM 工艺起步于20世纪80年月末期,受那时国际RTM手艺高速成长的影响,RTM打针装备和工艺体例一度组成“热点”。可是因为受那时原资料配套系统不完美和根本工艺现实研讨完美的影响,未能组成规模化出产,大局部装备都处于闲置状态。20世纪90年月今后,国际一些单位(如天津产业大学复合资料研讨所)主动研讨和推行RTM工艺手艺,从原资料、产物设想、模具设想与建造、外表手艺和根本现实和产业化出产手艺等方面,展开了系统的研讨任务。进入21世纪后,跟着三维编织手艺的疾速成长,RTM工艺手艺在飞机规划部件和其余军用举措措施和产物上取得了较多操纵,跟着Light-RTM和SCRIMOP在游艇微风机叶片上的操纵,该范例工艺的操纵上风愈来愈多地取得了大师的承认。

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RTM工艺一个首要的成长标的目的是大型部件的全体成型。其工艺体例以VARTM、Light-RTM、SCRIMP工艺为代表。RTM工艺手艺的研讨和操纵触及多种学科和手艺,是今后国际复合资料最活泼的研讨范畴之一。其首要研讨标的目的包罗:低粘度、高机能树脂系统的制备及其化学能源学和流变特征;纤维预成形体的制备及渗入特征;成型进程的计较机摹拟仿真手艺;成型进程的在线监控手艺;模具优化设想手艺;新型工艺装备的开辟;本钱阐发手艺等。

RTM工艺特色

RTM以其优良的工艺机能,普遍地操纵于舰船、军事举措措施、国防工程、交通运输、航空航天和民用产业等范畴[3]。其首要特色以下:

(1)模具建造和资料挑选矫捷性强,按照差别的出产规模,装备的变更也很矫捷,成品产量在1000~20000件/年之间。

(2)能够或许或许或许建造具有杰出外表品德、高尺寸精度的庞杂部件,在大型部件的建造方面上风加倍较着。
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(3)易完成局部加强、夹芯规划;矫捷地调剂加强资料的范例、规划设想,以知足从民用到航空航天产业差别机能的请求。

(4)纤维含量最高可达60%。

(5)RTM成型工艺属于一种闭模操纵工艺,任务环境洁净,成型进程苯乙烯排放量小。

(6)RTM成型工艺对原资料系统请求严酷,请求加强资料具有杰出的耐树脂活动冲洗性和浸润性,请求树脂黏度低,高反映活性,中温固化,固化放热峰值低,浸渍进程中黏度较小,打针终了后能很快凝胶。

(7)高压打针,普通打针压力<30psi(1psi=68.95Pa),可接纳玻璃钢模具(包罗环氧模具、玻璃钢外表电铸镍模具等),模具设想自在度高,模具本钱低。

(8)成品孔隙率较低。与预浸料模压工艺比拟,RTM工艺不必制备、运输、储藏冷冻的预浸料,不必庞杂的手工铺层和真空袋压进程,也不必热处置时候,操纵简略。 copyright 123456

可是RTM 工艺因为在成型阶段树脂和纤维经由进程浸渍进程完成赋形,纤维在模腔中的活动、纤维浸渍进程中和树脂的固化进程都对终究产物的机能有很大的影响,因此致使了工艺的庞杂性和不可控性增大。
RTM成型工艺进程

RTM成型工艺是先在模腔内事后铺放加强资料预成形体,芯材和预埋件,而后在压力或真空作使劲下将树脂注入闭合模腔,浸润纤维,固化后脱模,再停止二次加工等后处置工序,其根基道理如图1所示。



纤维预成形有手工铺放、手工纤维铺层加模具热压预成形、机器手放射短切纤维加热压预成形、三维立体编织等多种情势。

在合模和锁紧模具的进程中,按照差别的出产情势,有的锁模机构装配在模具上,有的接纳外置的合模锁紧装备,也能够或许或许在锁紧模具的同时操纵真空帮助来供给锁紧力,模具抽真空的同时能够或许或许下降树脂充模产生的内压对模具变形的影响。
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在树脂注入阶段,请求树脂的粘度尽能够或许不要产生变更,以保障树脂在模腔内的均匀活动和充实浸渍。在充模进程竣事后,请求模具内各局部的树脂均同步固化,以下降因为固化产生的热应力对产物变形的影响。

差别范例的RTM出产规划

跟着原资料手艺、模具手艺和装备手艺的疾速成长,RTM的出产规划也呈现了多种多样的情势。按照出产效力别离,能够或许或许将RTM工艺的成长别离为3代。

第1代RTM工艺凡是为常温固化和外部加热,出产周期为80~150min,出产规划常接纳环形出产线,模具在差别的工位活动,模具数量多,出产周期取决于时候最长的工序,凡是为固化工序。

第2代RTM工艺的特色是模具自带加热系统,同时接纳了特地的开合模锁紧机构,出产效力能够或许或许到达20~30min。有代表性的是双工位RTM工艺规划,一个工位在放射胶衣、铺放纤维时,另外一个工位能够或许或许停止打针、固化进程。

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第3代RTM工艺接纳的是120℃摆布的固化温度,模具由公用的压机动员完成开模、合模、锁紧,装备接纳高速打针装备,模具操纵金属模具,全体规划和SMC工艺近似,成型周期小于10min。
RTM工艺参数对工艺进程的影响

影响RTM工艺的工艺参数包罗树脂黏度、打针压力、成型温度、真空度等,同时这些参数在成型进程中是彼此接洽干系和彼此影响的。

(1)树脂黏度。合用于RTM工艺的树脂应当具有较低的黏度,凡是应小于600mPa·s,小于300mPa·s时工艺机能会表现得更好。经由进程前进树脂的成型温度来下降树脂黏度,以利于更好地完成充模进程。

(2)打针压力。打针压力的挑选取决于纤维的规划情势和纤维含量和所须要的成型周期。研讨资料标明,较低的打针压力有益于纤维的充实浸渍,有益于力学机能的前进。经由进程转变产物规划设想、纤维铺层设想、下降树脂浓度、优化打针口和排气口的地位、操纵真空帮助等手腕,都能够或许或许完成下降打针压力。 123456

(3)成型温度。成型温度的挑选受模具本身能够或许或许或许供给的加热体例、树脂固化特征及所操纵的固化系统的影响。较高的成型温度能够或许或许或许下降树脂的黏度,增进树脂在纤维束外部的活动和浸渍,加强树脂和纤维的界面连系才能。

(4)真空度。在成型进程中操纵真空帮助能够或许或许有用下降模具的刚度须要,同时增进打针进程中氛围的解除,削减产物的孔隙含量。经由进程尝试数据测定,在真空前提下成型的平板均匀孔隙含量只要0.15%,而不真空的平板孔隙含量到达1%。

RTM装备和模具

RTM树脂打针装备包罗加热恒温系统、夹杂搅拌器、计量泵和各类主动化仪表。打针机按夹杂体例可分为单组分式、双组分加压式、双组分泵式和加催化剂泵式4种。此刻用于批量出产的打针机首要是加催化剂泵式。

瑞典Aplicator公司建造的RI-2装备,使RTM工艺朝高品德、高速率的全系统出产方面迈了一大步。美国液控系统公司(Liquid Control Systems)建造的Multiflow RTM装备,可对从几克到数百公斤的反映树脂系统停止计量,夹杂并打针进高压力闭合模。
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Multiflow CMFH型装备用于建造大型加强资料部件,输出量为45kg/min。能够或许或许操纵于多种树脂系统。
英国Plastech TT公司出产的打针机斟酌了多种出产参数的集合节制题目,此中Megaject Pro型打针机是主动化水平最高的一种。

RTM是在高压下成型,模具刚度绝对请求低,能够或许或许操纵多种资料来建造模具。经常操纵的模具范例有玻璃钢模具、电铸镍模具、铝模具、铸铁模具和钢模具。

普通而言,RTM工艺对模具有以下请求:(1)坚持成品的外形、尺寸精度及高低模具的共同精度,使成品到达设想的外表精度;(2)具有靠得住地夹紧和顶开高低模具的装配及成品脱模装配;(3)充足的刚度和强度,保障在合模、开模和打针时不呈现粉碎和尽能够或许小的变形;(4)可被加热,并保障在必然的树脂成型固化温度下的操纵寿命,在操纵进程中不产生开裂和变形;(5)具有公道的打针口、冒口、畅通,保障树脂布满模腔,并解除成品中的气体;(6)具有合适的模腔厚度,使模具对预成形体有合适的紧缩量;(7)高低模具的密封性要好,对无真空帮助的工艺,树脂的漏损率应小于1%,对有真空帮助的工艺,密封应保障不漏气,以避免气体进入模腔;(8)以合适的资料和建造本钱,知足成型成品数量和模具寿命的请求。 内容来自123456

RTM的衍生手艺

RTM手艺的成长很快,今朝在上述成型的根基进程根本上,还衍生出一些特别的RTM手艺,这些手艺首要有真空帮助RTM(VARTM)、紧缩RTM(CRTM)、Seemann’s复合资料树脂渗入模塑成型(SCRIMP)、树脂膜渗入成型(RFI)、热收缩RTM(TERTM)、柔性RTM(FRTM)和共打针RTM(CIRTM)等。



三维编织复合资料外部纱线在立体和三维空间中交叉在一路,组成一个不分层的、庞杂的全体规划[4]。因此在编织复合资料研讨之初,首要是经由进程尝试仪器装备等对其停止尝试察看和研讨。20世纪80年月,外洋就有很多学者起头了有关三维编织复合资料的各项尝试研讨,首要研讨了纱线和树脂的各类参量对编织复合资料拉伸,紧缩,曲折和层间剪切等力学机能的影响。国际的尝试研讨起步绝对较晚,直到90年月前期才呈现报道。今朝已停止包罗低速打击和高能量碰撞在内的各项尝试研讨。
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三维编织复合资料细观规划的多少模子

因为编织复合资料的根本是纺织手艺,对三维编织复合资料的研讨,起首必须搞清晰纺织物规划的多少模子[4]。美国事研讨编织复合资料最早的国度之一。20世纪80年月比拟典范的多少模子当属美国编织手艺的前驱Frank K. Ko和Tsu-Wei Chou及其协作者最早提出的3 种多少模子:第1种是Ko和Pastore[5]基于三维编织物中的纱线片断提出的一种单位胞体的“取向均匀模子”,第2种称之为“‘米’字枝状模子”,Ma和Yang等[6]把四步法编织复合资料的单位胞体规划当作是由3根彼此正交的纱线和4根对角纱线所组成,针对这些纱线的彼此感化成立了细观阐发模子;第3种是Yang和Ma 等[7]的“纤维倾斜模子”。Yang等以由四步法编织的四向编织复合资料为东西,按照其预成形件内纤维束的摆列为锯齿形的特色,成立了纤维偏斜模子。以为在单胞内纤维束沿长方体的4个对角线标的目的摆列,在注入基体后组成一个薄的斜板,4个偏斜的单向板组成一个单位,如图2所示。

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进入90年月后,列国研讨职员对三维编织复合资料、编织法式、纱线在编织进程中的走向等停止了加倍深切的研讨,取得了加倍完美、公道的编织复合资料细观模子。此中Du和Ko[8]先容了4种差别的编织体例,经由进程单位胞体的体例成立了三维编织的多少实体模子,给出了关头编织参数与纤维编织角和纤维体积含量之间的干系。Wang 和Wang[9]提出了一种描写三维编织预成形件的纱线拓扑规划的阐发体例。起首,接纳界说节制体积的体例,描写在编织进程中组成的编织纱线的空间轨迹,基于纱线拓扑界说了3种差别的单胞模子,别离代表预成形件的外部、外表、角的规划。外部单胞的多少外形为一长方体,包罗四组彼此交叉的纱线,高为一个编织花节长度。外部纱线规划与Li的成果相分歧。外表和角单胞的多少外形均为三棱柱体,高为编织花节长度,外表单胞中包罗两组彼此交叉的编织纱线,而角单胞中仅含有一组平行蜷缩的编织纱线,阐发中,疏忽了纺织纱线的横截面外形。在国际,吴德隆和郝兆平[10]最早提出了以四步法为根本“三细胞模子”,从细观阐发角度来看,纺织复合资料规划是由反复的外部基元(B.C)边境上的面元(F.C)和角点的柱元(R.C)组成,如图3所示,三细胞模子的特色在于,按照编织多少学很好地描写织物微观规划,能够或许或许阐发拉压双模量资料,基体弹塑性资料及界面毁伤对力学机能的影响。陈利和陶肖明等[11]对四步法三维编织物的规划停止了研讨,揭露了纱线在预成形外部、外表和角点地区的差别构形,成立了编织规划和编织参数之间的干系。庞宝君等[12]以四向编织复合资料为东西,成立了单胞的多少规划模子,并停止了细观上的尝尝试证。
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最近几年来,很多学者对矩形编织资料细观规划赐与了高度的存眷,慢慢成立了由简略“米”字型到三维实体的单胞多少模子,鞭策出力学模子的成长。郑锡涛和叶天麒[13]系统地研讨了四步法1×1方型编织工艺体例的预成形件及其加强的复合资料的细观规划。提出了纱线卵形横截面假定,斟酌了编织纱线的细度和编织纱线添补因子的影响,成立了正轴模子。按照编织进程中携纱器的活动轨迹特色,将预成形件别离为三个差别的地区,别离界说了差别的节制体积单位,辨认了编织规划参数之间的干系,同时给出三维编织复合资料的设想体例,三维编织表示图见图4。冯伟和马文锁[14]将编织物中持续的纱线团圆开来并用特别的点标记抒发,用点群和空间群阐发现有编织资料多少规划,一方面能够或许或许公道地对现有编织资料多少规划停止描写和分类;另外一方面也能够或许或许将该现实用于推导编织资料多少规划新的和加倍有用的编织体例。张美忠等[15]因为编织复合资料现实规划的庞杂性,为了使研讨成果更实在,用现有成熟的无限元软件仿真三维编织复合资料,并研讨其各项力学机能已成为一种趋向。

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Pandey[15]等经由进程CAD建模手艺来描写三维编织复合资料的代表性单位体,活泼而精确地再现了复合资料的外部庞杂规划。Sun[16]等提出了数字单位法,并用该体例摹拟了三维矩形编织规划的体例进程,以切当的晓得三维编织复合资料外部每根纱线的途径和预成型体的微观规划。借助VC++及SolidWorks软件的参数化图形建模特色,成立了能摹拟各类编织参数预制体孔隙实体,计较孔隙体积及其外表积的软件系统。

力学行动的现实研讨

三维编织复合资料的力学模子因此上述细观规划的多少模子为根本的。20世纪80年月至今,代表性的任务有Ma和Yang等的弹性应变能法、Yang和Ma等的纤维倾斜模子、吴德隆和郝兆平的三细胞模子、陈利的偏轴模子和郑锡涛的正轴模子。90年月前期,梁军等[16]操纵Eshelby 和Mori-Tanaka现实对三维编织复合资料停止了细观力学阐发,而后与刚度均匀化体例相连系,对含圆币型基体微裂纹的三维编织复合资料弹性常数停止了现实预告。孙慧玉[17]鉴戒外洋模子成长了纤维倾斜模子,斟酌厚度标的目的的效应,接纳三维应力-应变阐发,预告了有用弹性模量,并将此空间多向层合板力学模子引入到了强度机能的预告。王波等[18]提出了刚度分解法预告编织复合资料剪切弹性模量,比拟了全体编织试件和裁剪所得试件的现实剪切机能,阐发了剪切机能随试件沿宽度和厚度两个标的目的外部单胞数量的变更纪律。今朝也有对于编织复合资料弹性机能、毁伤、强度和在超凡环境下机能的任务报道。陈利和陶肖明等[19]基于变分道理,提出用无限多相单位法来展望三维编织复合资料的弹性机能。刘振国和卢子兴等提出了一种预告编织复合资料剪切机能的“米”字型体胞的无限元计较模子[20]。黄争鸣[21] 成立了“桥接模子”并阐发了编织复合资料的刚度和强度机能。徐焜和许希武[22]基于八边形纤维束截面单胞模子,接纳细观非线性无限元体例,成立了三维四向编织复合资料的渐进毁伤拉伸强度模子。曾涛等[23-24]操纵四纤维体胞模子,提出了一种多相无限元数值法,基于Tsui-Wu生效原则和Mises原则预告了三维编织复合资料的非线性呼应和毁伤演变。Alzina[25]等用多标准阐发体例预告了高温下编织复合资料的热弹性机能。 123,123

竣事语

三维编织复合资料已在航空航天等浩繁范畴取得了普遍地操纵,在能够或许或许预感的未来,其操纵规模还会持续扩展。绝对而言,三维编织复合资料的现实研讨和尝试研讨都比拟滞后。因为三维复合资料具有庞杂的纤维机关,加上编织工艺参数、规划参数、在复合资料进程中预成形件的挤压变形、编织纱与基体的力学机能、空地率和纺织纱线与基体之间的界面毁伤等诸多身分,影响它的规划及力学机能的阐发与预算。三维编织复合资料的现实和工艺研讨任务今朝仍处于摸索成长阶段。有关三维编织工艺现实另有待进一阵势完美,新的工艺体例另有待开辟。阐发三维编织复合资料的力学机能的体例还须要进一阵势成长,成立绝对完美的强度原则是扩展三维编织复合资料操纵的现实按照,同时,追求精确求解三维编织复合资料的细观力学解也是亟待处置的题目。

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来历:东南产业大学航空学院,郑锡涛
 
 

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