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舱段用碳纤维/环氧树脂复合材料及其整体成型工艺

作　者: 王东
导　师: 孙东立
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料学
关键词: 环氧树脂基复合材料热固性树脂固化整体成型力学性能
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

碳纤维/环氧树脂复合材料以其高比强度和高弹性模量、可设计性强、抗疲劳断裂性能好、耐腐蚀、结构尺寸稳定性好以及便于大面积整体成型的独特优点,已经在航空、航天等领域广泛应用。热压罐-铺层技术是现阶段航空、航天复合材料构件的主要成型方法,但使用该技术对航天领域大型复杂结构舱段进行整体成型的相关工艺研究很少。本文则针对这些问题,进行了较为深入的研究。碳纤维/环氧树脂复合材料舱段由碳纤维增强材料和树脂基体两部分组成。在本课题的研究中,选取T700 12K碳纤维和T300 1K碳布作为增强材料,使用616环氧树脂和AG-80环氧树脂作为树脂体系的基体树脂。复合材料舱段整体成型工艺主要包括树脂胶配制工艺、碳纤维预浸料制备工艺、舱段铺层工艺、整体成型工艺和固化工艺等组成,本文重点对其中的树脂改性、固化制度、铺层设计等相关问题进行研究。本文研究了热塑性树脂PEK-C对616环氧树脂和AG-80环氧树脂体系的改性效果,制备了环氧树脂基体浇铸体并对其性能进行了测试。结果表明经改性后的树脂体系具有优异的耐高温性能,其力学性能能够满足设计要求,可以用于高性能复合舱段的成型。运用树脂体系T-β图外推法和固化动力学原理近似获得复合材料舱段的固化制度,使用该固化制度按国家标准制备相应的性能试样,并进行试验检测。使用经典层合板理论对舱段的力学性能进行了计算,通过对舱段性能实测值和计算值的对比分析,表明经典层合板理论可以对整体的力学性能进行预测,为整体舱段的铺层工艺设计提供参考依据,同时也验证了该固化制度对舱段固化成型的适用性。硅橡胶软膜材料在高温条件下具有良好的热膨胀性能,能够在舱段固化过程中为舱段内型面、犄角等不易加压的部位提供压力,使舱段固化的表观尺寸可以达到使用要求。本文对硅橡胶线膨胀系数和体积膨胀系数关系进行了推导,得到硅橡胶加热条件下尺寸和对舱段压力与温度变化的关系。根据整体舱段结构特点设计了舱段的成型工艺。把舱段分为蒙皮、大端框、小端框、纵向筋、环向筋、窗口等六个部分,蒙皮分为外蒙皮和内蒙皮两部分使用单向碳纤维预浸料分两次铺层成型,大端框、小端框、纵向筋和环向筋将碳布预浸料分别在专用模具中铺层成型,然后将各部分在模具中整体进行组装、贴硅橡胶、制作真空袋;最后,舱段在热压罐中真空加热加压进行固化。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-27
  1.1 引言  10-13
    1.1.1 复合材料的发展历史  10-11
    1.1.2 复合材料在航天领域的应用  11-13
  1.2 碳纤维材料的发展现状  13-21
    1.2.1 碳纤维的分类与性能  13-14
    1.2.2 国外碳纤维的研究进展  14-16
    1.2.3 国内碳纤维的研究情况  16-17
    1.2.4 碳纤维的应用  17-21
  1.3 环氧树脂基体  21-25
    1.3.1 环氧树脂的选择  22-23
    1.3.2 环氧树脂基体固化剂  23-25
  1.4 本文主要研究内容  25-27
第2章材料与试验方法  27-31
  2.1 试验用原材料  27
  2.2 材料制备设备  27
  2.3 性能检测方法  27-30
    2.3.1 树脂体系的性能测试方法  27-28
    2.3.2 整体舱段材料力学性能检测  28-30
  2.4 计算方法  30-31
    2.4.1 固化制度的分析计算  30
    2.4.2 整体舱段工程常数的计算  30
    2.4.3 硅橡胶材料热膨胀性能计算  30-31
第3章碳纤维/环氧树脂复合材料的设计与制备  31-47
  3.1 碳纤维增强材料的选择  31
  3.2 树脂基体的选择确定  31-32
  3.3 树脂基体改性剂的选择  32-34
  3.4 树脂浇铸体的制备及性能  34
  3.5 预浸料的制备与性能  34-36
    3.5.1 树脂胶液的配制  35
    3.5.2 单向碳纤维预浸料的制备工艺过程  35
    3.5.3 碳布预浸料的制备工艺过程  35-36
    3.5.4 预浸料的性能分析  36
  3.6 固化制度与固化机理的研究  36-40
    3.6.1 固化制度的确定  36-38
    3.6.2 树脂体系的合成机理  38-40
  3.7 硅橡胶软模材料性能的分析计算  40-45
    3.7.1 硅橡胶的制备  40
    3.7.2 硅橡胶材料热膨胀性能测试  40
    3.7.3 硅橡胶材料热膨胀性能计算  40-45
  3.8 本章小结  45-47
第4章复合材料舱段整体成型工艺  47-68
  4.1 碳纤维铺层设计  47-51
    4.1.1 铺层设计原则  47-49
    4.1.2 铺层方向  49-50
    4.1.3 铺层层数  50
    4.1.4 铺层顺序的选择  50-51
  4.2 舱段整体成型工艺研究  51-58
    4.2.1 夹芯的成型  51-55
    4.2.2 舱段外蒙皮的成型  55-57
    4.2.3 舱段整体成型  57-58
  4.3 整体复合舱段材料力学性能测试  58-59
  4.4 基于层合板理论的整体复合舱段工程常数的计算与分析  59-66
    4.4.1 经典层合板理论  59
    4.4.2 面内刚度系数的计算  59-61
    4.4.3 层合板弯曲刚度系数的计算  61-66
  4.5 整体成型舱段的外形尺寸检测  66-67
  4.6 本章小结  67-68
结论  68-69
参考文献  69-75
致谢  75

舱段用碳纤维/环氧树脂复合材料及其整体成型工艺

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