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复合材料加工工艺综述

来源:用户分享 时间:2025/5/20 16:04:12 本文由loading 分享 下载这篇文档手机版
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由图可见,由于深入到模腔内部穿丝空前断的锥形结构额模头出料口的倒角,可减少模腔内受压的熔融PP静茹穿丝孔内,这就可以降低碳纤维长丝通过穿丝孔是的阻力,另外,即使有少量熔融PP进入穿丝孔,因穿丝孔内的熔融PP冷却,从而进一步地降低了碳纤维长丝通过穿丝孔时的阻力,另外,还需指出的是,牵引PP包覆CF长条时,速度要适中,使PP能均匀地包覆在CF长丝上,而不至于太厚或太薄。

CF/PP复合材料的力学性能

拉伸性能和冲击性能是复合材料力学性能中亮相重要的性能指标。为了进行对比,我们分别测定了原PP树脂和CF/PP复合材料的拉伸强度、断裂伸长率和悬梁缺口冲击强度,结果列于下表:

结果表明,因CF长丝未经表面处理,所以复合材料的拉伸性能和冲击性能较PP树脂差。

CF/PP复合材料的电性能:

碳纤维是一种新型的高强度、高模量材料,并具有良好的导电性能,用他混入聚丙烯制成复合型导电塑料,其综合性能好,电导率高,下表给出了PP树脂和CF

含量为12%质量百分比的CF/PP复合材料的体积电阻率和表面电阻率:

上图结果表明,CF含量为12%的CF/PP复合材料的表面电阻率和体积电阻率较PP树脂的电阻率下降结论:

1.在CF/PP复合材料的加工过程中,结构合理的基础机模头,是碳纤维上司得意连续被PP树脂包覆而不断的关键。

2.未经表面处理的碳纤维长丝与PP树脂组成的复合材料的拉伸强度、伸长率及缺口冲击强度较原PP树脂的相应力学性能有所下降。 3.CF含量为12%(质量)的CF/PP复合材料具有明显的导电性。 3.复合材料的特种加工工艺

由于传统的机械加工难以加工高性能的韧性纤维增强的树脂基复合材料和陶瓷基复合材料,人们便研究开发各种特殊的复合材料加工方法。所谓特种加工, 这里指的是非传统的高压水射流(包括磨料水射流) 加工、激光加工、超声波加工、电子束加工、电火花加工等。随着研究的不断深人,特种加工方法越来越多地应用于复合材料的加工。本文只介绍前三种加工工艺。 高压水射流加工

在高压水射流( 或统称水射流Waterjet )加工中,由于水射流与工件之间的能量传递效率较低,故只能用于切割较软较薄的复合材料,而且切口坡形度较大, 通常用来粗加工。

在单纯水射流加工基础上发展了磨料水射流( Abrasive 一Waterjet) 技术。它是在水流中加人细粒磨料,从而大大改善了射流与工件之间的能量传递,故可用磨料水射流技术来加工各种材料。

喷射压力、喷嘴直径、切割速度、材料种类与厚度等都对切割质量有一定影响。美国格鲁曼公司用不同的工艺参数作了大量试验,结果表明,喷嘴直径小,切削精度就高,材料厚度大,需要较大的喷嘴直径。由于硼纤维硬度大、强度高,

,使PP由绝缘性变为导电材料。

在水射流的冲击下,纤维不是被切断,而是破碎, 故在断开表面有伸出的短纤维头,显示切削质量较差。而凯夫拉纤维由于柔软,切削断面比较光滑。

现在,磨料水射流技术已愈来愈广泛地用来加工难以机械加工的材料,并逐渐被视作一种常规的加工技术。

为了适应切割各种类型材料和结构件的需要,国外研制了手提式和数控式水射流加工设备, 近几年又开发出一种五轴全自动磨料水射流切削装置。 激光加工

近20 多年来,激光加工已在制造业得到较大的发展。它可一次加工成形,适应性强, 不存在刀具磨损问题。因此激光材料加工一般比常规加工成本低。

以前激光主要用于加工金属、陶瓷、塑料和木基材料,近几年亦成功地用来加工复合材料,主要是切削纤维增强树脂基复合材料,钢塑材料和纤维增强金属基复合材料,也用来钻削复合陶瓷。用激光焊接金属基复合材料亦进行了研究。

激光切削的一个特点是切削效率与增强纤维的方向有密切关系。工件对激光束的热响应决定于切削方向。这一效应在碳纤维复合材料中表现得最明显。在该材料中,成分之间的热性能差异很大。用单向碳纤维板进行切削试验表明,当切削方向与纤维垂直时, 热损失最大, 切削速度最低。

用激光加工树脂基复合材料其切削表面出现的某些现象,如基体材料的热分解或纤维脱出,在加工金属或陶瓷材料时是不会出现的,由于纤维的热传导作用,在纤维(尤其是碳纤维) 增强的树脂基复合材料切口上都有明显的肉眼可见的热影响区,并趋向于沿纤维排列方向扩展,在切削芳纶/ 环氧复合材料时,还会产生大量对人体有害的氰化氢气体。 超声波加工

超声波加工( 简称超声加工)是一种新兴的加工方法,超声加工具有许多优点:既能加工导电材料,亦能加工绝缘材料; 材料硬度对加工工艺影响不大;可以加工复杂的三维型面,且加工速度与加工简单型面一样快; 加工区域不存在热效应区;加工表面的化学性质和电性质不会发生变化。

超声加工技术一般用于玻璃、陶瓷及其复合材料的钻孔、铣槽和加工一些不规则型面的器件。超声加工在航空航天领域已应用于陶瓷复合材料涡轮叶片的冷却孔及金属基复合材料涡轮叶片的加工。

4.不同加工方法对复合材料性能的影响

加工方法对碳/ 环氧和凯夫拉/ 环氧复合材料性能的影响

北京空间机电研究所用水射流法、激光法和金刚砂刀具进行了加工方法的比较。材料为碳/ 环氧和凯夫拉/ 环氧复合材料层板,材料厚度为2 mm 。

根据三种切割试件的切口端面状态和试样力学性能试验结果,得出如下结论。

(l)对碳/ 环氧复合材料层板,采用金刚砂刀具和水射流切割方法,效果甚好;采用激光切割,切口有炭化现象,引起材料性能变性,效果欠佳。

(2)对凯夫拉/ 环氧复合材料层板,用激光切割和水射流切割效果均好。用金刚砂刀具切割凯夫拉/ 环氧复合材料层板,切口有大量外露纤维,切割效果差。

为了解决复合材料制孔时粉尘的污染,同时对制孔过程进行监控,国外正致力于研究开发机器人钻孔技术。美国通用动力公司在F一16 飞机复合材料垂直尾翼的制孔工作中,采用机器人,每日可钻削两块蒙皮,每块蒙皮上要钻五种不同直径的孔眼550 个,加工效率比手工钻孔提高3 倍, 且钻出孔的质量好。 加工方法对超高模聚乙烯纤维复合材料性能的影响

航天材料及工艺研究所用磨料水射流切割、硬质合金刀片切割和普通机械锯切割等加工方法对超高模聚乙烯(UHMPE ) 纤维增强环氧复合材料的外观和力学性能( 弯曲、层间剪切和断裂性能) 的影响进行了研究。试件材料所用的UHMPE纤维为S1000型, 铺层方式为编织布, 板材名义厚度为t =6.5mm,纤维含量Vf = 80 % 。

试验结果表明, 用一般机械加工方法加工, 试样的抗弯和剪切性能比用磨料水射流法加工的要低25 % , 薄刀片慢加工方法对抗弯性能影响比磨料水射流加工法劣化在10 % 范围内。说明采用磨料水射流切割加工的试样各项性能较好, 采用硬质合金刀片加工,各项性能次于磨料水射流加工, 而优于锯机械加工。 5.木塑复合材料加工工艺:

木塑复合材料兼有木材和塑料的双重特性,它有着天然木材的外观,同时,它防腐、不易变形、机械性能好,具有坚硬、持久、耐磨等优点。一般来说,木塑复合材料的硬度较未处理的木材高2-8倍,耐磨性高4-5 倍,甚至比大理石还高,而各种添加剂的应用,又赋予它许多特殊的性能。此外,它还是一种环保材

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