【摘要】：碳纖維增強樹脂基復合材料因為其優(yōu)異性能在航空航天領域取得了越來越廣泛的應用。傳統(tǒng)熱壓罐成型技術存在工藝控制性差、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。然而微波固化技術存在多向鋪層碳纖維增強樹脂基復合材料難以有效加熱和面內(nèi)溫度分布不均勻的問題。結合國家自然科學基金和航空企業(yè)的重大需求,本文針對這些問題進行了深入研究。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合材料作為吸波介質,將微波能轉化為熱能用于加熱固化復合材料構件。在此基礎上設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合材料吸波層的性能進行了優(yōu)化。此外,針對薄壁類和大厚度復合材料構件,采用有限元仿真和實驗相結合的方法設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節(jié)方法。微波加熱過程中,通過控制多路微波源的開關狀態(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)對應的加熱模式間存在的補償效應提高被加熱材料的面內(nèi)溫度均勻性。多次實驗結果表明: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)有的旋轉托盤調節(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合材料微波間接加熱方法進行了實驗驗證。實現(xiàn)了復合材料構件的有效固化。實驗結果表明:對于薄壁類復合材料構件(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%,復合材料構件拉伸強度、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)復合材料構件,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放熱,避免了熱沖擊對復合材料構件質量的損傷,層間剪切強度提高了1.38倍。
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：V261.97
【圖文】：

南京航空航天大學碩士學位論文第一章 緒論.1 研究背景和意義.1.1 先進復合材料的應用復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，常見的復合材料可分為金屬基復合材料、非金屬基復合材料和聚合物基復合材料。碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRPs）是一種的聚合物基復合材料，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，被廣泛應用于汽車、船舶、風力發(fā)電、航空航天等領域[3-4]。

圖 1. 2 空客飛機復合材料用量1.1.2 熱壓罐固化技術與微波固化技術目前航空領域復合材料構件 80%以上采用熱壓罐成型技術[12]。熱壓罐成型技術的原是：通過風機將電熱絲產(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的方經(jīng)過工裝和輔助材料逐步到達復合材料，由內(nèi)而外的加熱復合材料，冷卻時通過循環(huán)水帶熱量，使工裝和復合材料降溫[13-15]。熱壓罐固化設備和原理如圖 1.3 所示。復合材料熱壓固化工藝技術成熟，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)，復合材料熱壓罐固化技術仍存在以下缺點[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—復合材料。存在溫度滯后的現(xiàn)象，導致工藝控制性差。（2）固化時間長。采用熱壓罐固化復合材料時，熱量通過逐步傳導的方式由外到內(nèi)熱復合材料，為了降低復合材料內(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 10 小時[7]。（3）能耗高。復合材料熱壓罐固化過程中，熱量經(jīng)過多層介質逐步傳遞到復合材料

【參考文獻】

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本文編號：2734508