（纺织工程专业论文）织物保型性能和成型性能的研究.pdf

捅要本文对预定型机织物的保型性能和2 5 d 织物的成型性能进行了研究。对2 5 d 织物进行了半球成型实验和实验分析。通过成型轮廓线、网格面积和网格变形角的变化趋势等参数来评价2 5 d 织物在半球表面的成型性能。并且，通过实验得出的一系列织物的成型参数，可以看出2 5 d 织物具有良好的成型性能。本文还对不同组织结构的碳纤维织物的保型性能进行了研究，通过施加一定量的定型剂使织物保持其所具有的形状，分析了定型剂的浓度、织物密度对预定型体力学性能的综合影响，参照现有的变形回复性能的测试方法，研究设计了一种简单可行的对预定型体保型性能进行测试的一种仪器多角度测定回复角法，可以清晰地评价预成型体的变形回复能力，并使用b u r g e r s 模型建立了预成型体折皱回复角的蠕变回归方程，能够很好的表征预成型体的回复性能，证明了预成型体折皱回复角的变化规律与普通机织物的变化是相似的，对随后研究复合材料的力学性能提供一定的参考价值。关键词：碳纤维，定型剂，预定型织物，保型性能，成型性能a b s t r a c tt h ep a p e rs t u d i e dt h et e x t u r eo fd i f f e r e n tc a r b o n f i b e rf a b r i co ff o r m - k e e p i n ga n dt h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f2 5 df a b r i ca n di t sf o r m a b i l i t y b e c a u s eo ft h ew o v e nf a b r i ci sam u l t i - d i r e c t i o n a ld e f o r m a t i o np r o c e s s ，2 5 df a b r i ct e x t u r ef o rt h es p e c i f i c i t yo fah e m i s p h e r em o u l d i n ga n de x p e r i m e n t a la n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n t t h r o u g ht h ep a r a m e t e r so ft h ec o n t o u rl i n ea f t e rt h ef o r m i n g ，t h eg r i da r e ac h a n g ea n dt h et r e n d s o ft h e 西dd e f o r r n a t i o na n g l et oe v a l u a t e2 5 df a b r i c sf o r m i n gp e r f o r m a n c e a n d ，t h r o u g has e r i e so fe x p e r i m e n t sf a b r i cf o r m i n gp a r a m e t e r sc a nw e l lc o n n e c t i o nw i t hc o m p u t e rs i m u l m i o nt e c h n o l o g y , i no r d e rt oe v a l u a t et h ed i f f e r e n tf a b r i cm a p p i n ga n dd e f o r m a t i o na b i l i t y t h i sa r t i c l ea l s os t u d i e st h et a c k i f i e df a b r i cb yt h ed i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so ft a c k i f i e rc o n t e n te f f e c to nt h ef o r m k e e p i n gp r o p e r t i e s ，t h r o u g ht h ep r e s e n tr e c o v e r yp e r f o r m a n c et e s t ，b a s e do nt h i sr e s e a r c ha n dd e s i g nas i m p l ea n df e a s i b l ei n s t r u m e n tm u l t i a n g l em e a s u r e dr e c o v e r ya n g l ep e r f o r m a n c et e s tf o rt h ek e e p 。f o r m i n go ft h et a c k i f i e dp r e f o r m t h i st e s tc a nd e a r l ye v a l u a t et h ed e f o r m a t i o na b i l i t yo ft h et a c k i f i e dp r e f o r m a n du s eb u r g e r sm o d e lt oe s t a b l i s ht a c k i f i e dp r e - f o r m e dc r e e pr e g r e s s i o ne q u a t i o na n dc o m p a r et h em e a s u r e dv a l u eb ye x p e r i m e n ta n dt h e o r e t i c a lm o d e lp a r a m e t e r st oc h a r a c t e r i z e dt a c k i f i e dp r e - f o r mp e r f o r m a n c e t e s t i f yt h et a c k i f i e dp r e - f o r mc h a n g e si nt h el a wi ss i m i l a rw i t ho r d i n a r yw o v e nf a b r i c t op r o v i d ear e f e r e n c ev a l u ef o rt h es u b s e q u e n ts t u d yo ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o m p o s i t em a t e r i a l s k e yw o r d s ：c a r b o nf i b e r , t a c k i f i e r , p r e f o r m e df a b r i c ，f o r m 。k e e p i n gp r o p e r t i e s ，f o r m a b i l i t y独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：弓1 ，铝pi签字吼吁月毋，学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权丞洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：孑l 。私p签字日期7 年，月o 同l导师签名：闷纠签字日期狮7 年月z 7 r学位论文的主要创新点对预定型机织物进行了保型性能分析，通过对其试样的性能测试评价了预定型织物保型性能的特点。通过现有的变形回复性能的测试方法，在此基础上研究设计的一种简单可行的对预定型织物的保型性能进行测试的一种仪器多角度测定回复角法，实践证明该方法在一定程度上可以清晰地评价预定型织物的变形回复能力，对随后研究复合材料的力学性能提供一定的参考价值。对2 5 d 织物的成型性能进行了分析和讨论，评价了2 5 d 织物的成型能力。第一章前言11 低成本制造技术第一章前言先进复台材料以其比强度、比模量高等优异的力学性能和质量轻为特点，在航空航天、军事和民品领域应用比较广泛。但因成本高，影响其应用领域的发展和扩大。九十年代以来，欧美先进工业国家针对复合材料在航空航天领域越来越广泛的应用和冷战后的军备形势提出先进复合材料的低成本化以及买得起的复合材料等概念和技术发展方向，以适应航空航天构件中小批量多品种的生产特点。制造技术的低成本化方面，设备的全自动化外，最关键是成型工艺的低成本化。成型工艺的低成本化中晟引起注意的是r t m 法。r t m 成型方法于1 9 4 0年在欧洲开发，是吸取树脂成型法“1 ，是复合材料液体成型工艺之_ - 一一种低压液体闭模成型技术，是从湿法手糊成型和注射相结合而演化过来的一种新型技术，最早用于飞机雷达罩而得以推广，其工艺见图1 1 。制各复合材料制品时，在阴模上铺放增强材料至所定厚度后，在阴模周围的装有树脂和固化剂的槽加压供树脂，从阴模顶部抽真空，至吸出的树脂中没有气泡为止，然后加热固化。它具有模具造价低，生产周期短，劳动力成本低，环境污染少，制造尺寸精确，外形光滑，可制造复杂产品等优点。加压使增强矸堆变成一体增强塑料干燥预成型图卜1r t m 成型上艺近几年来，r t m 工艺广泛吸取其他成型工艺的特点，发展成_ = i jr t m 系列天津业大学硕士学位论文如v 埘m 、r l i 、r f i 、t e r t m 、c i m 、u v r l m 、h s r t m 、s c r i m p 等成型技术。这类液体成型过程包括4 个过程：把增强材料放置在模槽内，注射树脂、固化和脱模，其中最关键的技术足把增强材料放置模具。一般情况下，根据模具尺寸分层裁剪，很费时间，并且纤维易分散。为了操作方便，把增强材料用编织或定型剂固定，使纤维不易分散，然后在加热加压条件下使增强纤维变成一体，每层都用定型剂粘接。民用产品的r t m 成型一般用热塑性树脂或热固性树脂。这些树脂在常温下为固体，加热时易熔化，降温到室温时，树脂又变成固体，把纤维固定到一起。该技术主要应用于几何尺寸十分复杂的大制件。从而这些液体成型技术的共同特点是预定型、浸渍、同化和脱模。即树脂向预成型体流动，并充分浸透纤维最终固化成复合材料。其工流程见表卜l 和图卜2 。预成型罾表1 1r t m 低成本成型芝陪l - 2 硎低成本成珊过程r t m 技术的发展得到汽车、船舶、通信、卫星和航空航天各领域的广泛应用。航空领域应用于制造机身和机翼结构、雷达罩、发动机。1 等，如美国f 2 2 的机翼中至少约有3 5 0 个零件用r t m 方法制造“，主要是从尺寸精度和成本方面考虑。美国军用战斗机f 3 5 垂尾及f a 1 8 e f 襟翼整流罩尺寸长为3 6m ，质亭第一章前言量约9 0k g 。是至今为止使用低成本制造技术最大尺寸的航空先进复合材料零件，在r a h 6 6c o m a n c h e ( b o e i n gs i k o r s k y 设计制造) 轻型攻击直升机的传动系统中采用了r t m 法成型的p r 5 0 0 i m 7 复合材料，其性能与预浸料复合材料性能相当，并降低成本，能够以较低的费用生产r a l l 6 6 “5 】。我国在r t m 液态成型复合材料技术方面正在取得进展，北京航空材料研究院及其它航空院所在r t m 法成型雷达罩及其它航空复合材料方面有一定的经验，并正在研制其它类型的低成本制造技术，如r f i 法等。这些低成本制造技术中预定型体的制备是不可缺少的重要环节。1 2 研究背景1 2 1 预定型体技术的发展纤维预定型技术是2 0 世纪9 0 年代初开发的一种新颖、实用的纤维预定型体制备技术。其原理是在增强纤维或织物表面涂敷少量的特殊增粘材料增粘剂或定型剂，通过溶剂挥发、先升温软化或熔融( 预固化) 后冷却等手段使叠层织物或纤维束之间粘合在一起，同时借助压力和形状模具的作用来制备所需形状、尺寸和纤维体积含量的纤维预定型体。纤维预定型技术在一定程度上克服或弥补了编织、缝合等纺织预定型技术的某些不足，对质量要求高、性能要求稳定、结构复杂的制件尤为重要，尤其适用于制备结构形状复杂或大型的纤维预定型体，在保证产品质量、生产工艺快速及自动化方面具有重要意义，是实施复合材料低成本化的重要途径和手段。预定型体必须满足一系列的工艺要求阳j 1 才能保证复合材料制件的质量和性能，而这些基于增强材料的性质、织物结构、定型剂种类和预定型体制造工艺等。下面几方面是纤维预定型体所具备的一些工艺性。( 1 ) 浸渗特征：纤维预定型体最基本的要求是树脂必须对它能充分浸渗，并且要在尽可能小的压力下和尽可能短的时间内。一个重要的浸渗参数是纤维预定型体的渗透率，渗透率与纤维预定型体的纺织结构有密切关系，特别是纤维的排列方向、纤维的体积分数碑1 和纤维对树脂浸润性等。( 2 ) 纤维的浸润性：这种性能基于纤维和树脂的自由表面能，由他们的接触角决定的。为了使树脂充分浸润纤维，纤维的表面能必须大于树脂的表面能，因此商业用的纤维大都进行了表面处理阻j 仉n 3 ，采用定型剂预定型时，必需考虑树脂对含定型剂纤维的浸润性，通过定型剂处理能提高浸润性h 幻。( 3 ) 预定型体的抗冲刷性：对于纤维体积分数高的预定型体，为了提高浸渗速率，通常需要比较大的树脂注射压力，为保证纤维的排列方向不被冲乱，这就3天津工业大学硕士学位论文要求预定型体有良好的抗冲刷性，采用定型剂预定型时，保证定型剂有一定的粘接力和刚度n3 l 。( 4 ) 预定型体的均匀性：预定型体的各部分浸渗参数相差尽可能的小，以利于树脂能按照预计方向流动。因此制备预定型体时均匀分散定型剂很重要n 钔。( 5 ) 预定型体的可操作性：预定型体的可操作性依赖于预定型体的刚性和预定型体的整体性，目的是使预定型体在工艺过程中易于操作而不会对纤维的排列和体积分数造成负影响。( 6 ) 预定型体的表面平整性：对于表面质量要求高的制件( 如汽车件) ，预定型体的表面质量直接影响着产品的使用。有时还必须通过应用胶衣树脂才能达到使用要求。此外还应注意到纤维的浸润性。纤维的浸润性取决于纤维和树脂的表面自由能，纤维的表面能与树脂的表面能的比值越高，纤维越容易被树脂浸润。因此，在采用增粘剂制备预定型体时，必须考虑树脂对含增粘剂纤维的浸润性，确保经增粘剂处理后能提高纤维的浸润性。1 2 2 机织物成型技术的发展对于成型性的研究，机织物开始得早而且比较多，对机织物成型性研究的方法主要有几何法和力学分析方法。力学法考虑了材料的力学性能，它将成型过程视为一个逐渐变化的过程，一步一步地计算成型过程中产品形状的变化及材料性能的变化，计算量很大，很复杂，通常用有限元方法进行分析：几何法绝大多数以运动学模型为基础，着重于初始形态和最终形态的几何学方面的描述，不考虑成型过程的中间状态及材料的力学性能需要的信息仅仅包括材料的规格、纤维的几何状态( 即初始取向) 及模具的几何形状，计算量小，可以通过分析或数值法进行精确求解n 引。1 2 2 1 几何铺覆法几何铺覆法使用的织物模型为m a c k 和t a y l o r n 们于1 9 5 6 年发表的铰链连接( p i n - j o i n t e dn e t 简称p j 模型，也叫渔网模型，在这个模型中有三个假设：( 1 ) 织物由不可伸长的垂直和水平纱线组成。( 2 ) 织物变形时，纱线以交织点为旋轴旋转，但没有相对滑移。( 3 ) 相邻交织点间的纱线段为直线。4第一章前言图1 3p j n 模型示意图基于这三点假设，织物可被简化为铰链连接的网格系统。织物被表示为一个有固定连接的二维矩形列阵，经纱和纬纱通过铰链点连接起来，铰链点代表织物中的交织点，如图1 - 3 所示。在这个织物模型的基础上，m a c k 和t a y l o r 研究了织物铺覆于回转体表面所需的数学条件，并以微分方程的形式给出了仅限于回转体的复杂公式。此后的研究者进一步发展和改善了铺覆过程的计算方法和初始限定条件，使其适用范围从回转体扩大到任意表面。其中r o b e r t s o n 等n 7 1 将铺覆问题简化为方程求交问题，计算条件如下：( a ) 要计算的点和其沿纬纱方向上的前一点之间的距离与给定的经纱间距离相等。( b ) 要计算的点和其沿经纱方向上的前一点之间的距离与给定的纬纱间距离相等。( c ) 点的坐标要满足曲面方程。v a nw e s t 等n8 1 9 3 将曲面模型用双三次的多项式曲面片拼接表达代替了r o b e r t s o n 等啪1 的解析方程，使铺覆法推广到无法用解析式表达的任意表面。m a o n o 等订将初始条件中的两条相互垂直的初始路径改为一条任意方向的路径，在路径两旁区域各定义一个二维方向矢量以确定铺覆计算的顺序，并用n u r b s ( n o n u n i f o r mr a t i o n a lb s p l i n e 非均匀有理b 样条) 方法定义表面，使之比以前的方法更灵活、更实用。1 2 2 2 力学有限元法有限元法( f e m ) 是一种将连续体离散化为有限个网格单元，通过单个单元的分析和所有单元的组合以求解力学问题的最佳方法，以计算机和矩阵运算为工具i t s o力学有限元法将织物视为各向异性、具有弹性性能和摩擦性能的连续固体。5天津工业人学硕士学位论文在成型模拟中首先用四边形或三角形单元将织物离散化( 图卜3 为单元离散化示意图) ，然后对申元进行分析，利用动力学平衡方程给出单元中应力和应变应变率的函数关系，再由这些单元的相互作用推导出整个织物的性能。这种方法从初始状态开始，经过各种中间状态直到获得最终的形状。例如，在s e c h e n “”的有限元分析方法中，平面机织物沿着经、纬向被网格线分成许多有限体积元，织物的而外弯曲和面内膜应变能量就通过把所有体积元的贡献相加，织物的平衡方程利用能量守衡法则推导，然后利用n e w t o n r a p h s o n 方法解 j 方程。此项研究提出了一种运算法则来处理织物在刚体表面接触过程，然后对织物在半球面t 的成型过程进行数值模拟，得出的结果与试验相符。图卜4 所示为模拟出束的图像。图l - a 羊毛纵物在半球表面模拟的成型图像13 研究中目前存在的问题( 1 ) 缺少预定型体的实验性研究：到目前为止，国内外关于r t m 成型工艺研究的较多，但大部分忽略了制各预定型体的过程。在预定型体和预定型工艺方面研究较少结构有所涉及：并且缺少一种直观的方法来评价预定型体的力学性能，所以本课题的关键是希望对其有深入的研究。( 2 ) 对特殊织物的成型性能的研究对于评价织物的成型性能，国内外的学者对于普通的机织物以及机织物都做的大量的研究，但是对于一些特殊结构类型的织物还少有涉及因此这方面的实6第一章前言验还有待深入的进行。1 4 主要研究内容本文将对直接预定型体的保型性能以及机织物的成型性能进行研究。由于保型性能的复杂性，研究预定型织物保型性的方法主要是在通过试验来研究，因此选择一种直观而又有效的试验方法来分析是非常重要的，所以本文主要通过设计制造一种新的测试方法来更全面的评价预定型体的保型性能，以及研究粘结剂对复合材料力学性能的影响。为发展我国的预定型体技术的研究及应用提供基础。而对于机织物成型性能的研究，即选取了2 5 d 织物作为研究的对象，通过测试，可以了解2 5 d 织物成型的一些特点及规律，并在此基础上建立相应的成性模型。模型能够预测织物成型后的曲面展开形状，为织物的排料和裁剪提供指导，达到节省原料、降低成本的目的；另外还可预测纱线在织物成型后的重新取向和分布情况，从而能对织物规格及成型工艺进行优化设计，并为相应的复合材料制品的力学性能计算提供支持，最终达到对2 5 d 织物的实际应用提供理论基础的目的。7第二章预定型体保型性能的实验研究第二章预定型体保型性能的实验研究截止目前为止，直接预定型体的大多数施胶工艺为手工操作，且还没有通用的粘接剂使用。更重要的是，绝大多数粘接剂将保留在固化成型的复合材料中，这虽对非结构性构件影响不大，但对于结构的影响还没有充分的研究。本章将开展直接预定型体技术研究，主要研究通过不同浓度的定型剂含量制备的二维预定型机织物对保型性能的影响，为发展我国的预定型体技术提供理论基础和实践经验。2 1 预定型体保型性能的定义预定型体的保型性能，是指预定型体在不起拱或不起摺的前提下，直接适应曲面的变形，并能保持这个形状的能力。二维平面织物在变形为三维曲面形状的过程中，预定型体由于受到自身的组织结构以及施加的定型剂对其的双重影响，预定型体自身的各种性能尤其是力学性能发生变化，并最终影响制品的形状保持能力：另外预定型体的变形是有限的，超过这个限度便会产生折叠、起皱等严重缺陷，使制品不能使用。因此，研究预定型体的保型性，具有十分重要的意义。2 2 预定型体的实验准备2 2 1 预定型体的加工方法r t m 成型时一般采用直接预成型和片状预成型法，对复合材料力学性能要求高时采用编织、缝合或纤维缠绕法。除缝合、编织和纤维缠绕外其它方法都采用定型剂。( 1 ) 直接预成型早期一般都用这种方法预成型，是一种用定型剂定型短切纤维，保持一定形状的方法( 见图2 - 1 ) 。所采用增强材料为短切纤维( 把长纤维按一定长度切断) ，定型剂为热塑性或热固性树脂。热固性树脂以不饱和聚酯为主，热塑性树脂有尼龙、醋酸乙烯、聚丙烯等，以乳液形式使用。热塑性树脂定型剂可操作性差，对树脂流动有阻碍。一般用改性环氧树脂定型剂，质量分数大概0 0 3 - - 0 0 7 。工艺过程包括：玻璃粗纱的剪切和在型面上均匀吹付一定型剂液体的吹付一在加热9天津工业大学硕士学位论文炉里加热固化一冷却一脱模。成型系统有玻璃纤维的切断、吹付装置；吹付定型剂的装置：转台；吸引装置；热烘干炉。其优点为适合生产批量多的场合；操作性强，使r t m 工艺变成更简便；与模具贴合性强，增强材料不易偏离；对树脂流动阻碍小；产品表面凹凸少，外观光滑。其缺点为需要较大的设备；操作环境较差；预成型体的精度差；取决于操作者的熟练功；不适合复杂形状。为了改善直接预成型方法的缺点，日本旭77 ，fp c - 少乡叉公司在美国o c f 公司技术基础上研制开发了可预成型c s m 法啦引。该方法以采用热塑性聚酯定型粘接纤维束使其变成纤维毡为特征。其工艺过程为：加热纤维毡一软化定型剂以降低纤维间的粘接力一加压把毡压到模具上一冷却变成预成型体。其优点为环境操作性好；预成型体精度高；不需要熟练功；表面状态良好；可与其它增强材料同时成形。其缺点为需要预成型设备；不适合深度大的产品；受毡宽度的限制。短切粗纱连续挂原粗纱图2 1 直接预成型( 2 ) 片状预成型采用含有定型剂的片状增强材料，铺贴在模具上，加温、加压、冷却和脱模等工序，靠物理作用固定片状纤维。增强材料主要是织物和玻璃纤维毡。片状预成型分为热模压成型和直接成型。直接成型不需要预成型体；热模压成型是通过加热，熔化定型剂并加压成型的方法( 见图2 - 2 ) 。热模压预成型包括以下过程：a ) 增强材料的裁剪：把增强材料裁剪成比产品外形尺寸大1 0c m 的形状：在预成型模具里不加热条件下模压；切成所需的形状。b ) 铺贴增强材料。c ) 在加热炉里加热，温度和时间与定型剂有关，一般为1 1 0 1 5 0 6 0 - 1 8 0s 。d ) 冷却、脱模，必要时修理、修剪。其优点为适合形状单一的产品；周期】0第二章预定型体保型性能的实验研究短；可自动化。缺点为不适合深度大的形状；表面上易留增强材料的花纹；有1 0 的损失；易出现富树脂部位。图2 2 热模压预成型型( 3 ) 铺贴成型最基本的成型方法，直接在预成型模具或r t m 模具上铺贴含定型剂的增强材料，可再用定型剂或缝合固定，增强材料可以是纤维毡或织物。2 2 2 定型剂的施加工艺根据定型剂的物理状态和实施工艺途径的不同，目前基本可以将纤维预定型技术分为柔性树脂膜铺放法、固态树脂粉末沉积法、液态树脂喷洒法及特殊增粘剂纤维布带铺放法等4 类。( 一) 柔性树脂膜铺放法柔性树脂膜铺放法的基本工艺是先将适量的柔性膜状增粘剂铺放到纤维或织物的表面，经过加热使树脂膜软化，再经冷却处理、卸接触压等工序制得具有粘附性的单向纤维带或二维织物，然后按需求裁剪、逐层叠放，在压力和形状预定型模等的作用下，即可得到表面均匀粘附增粘剂的预定型体。柔性树脂膜铺放法的第一步，也是关键的一步就是制备合适的柔性树脂膜。成膜工艺可以采用现有技术中的多种工艺。例如，可通过高温下将增粘剂树脂浇在脱模纸上并在冷却后在压辊中间延展而制成树脂膜。也可用适当溶剂配成溶液后浇在平整的脱模纸上，待溶剂挥发后制成树脂膜。树脂膜可以在纤维带制造过程中作为一个整体步骤来制备，或者单独制备并储存成卷状备用。要制得符合使用要求的纤维预定型体，柔性树脂膜必须满足以下要求。( 1 ) 在组成或结构上，柔性树脂膜应由可与l c m 注射树脂体系兼容的树脂制天津工业大学硕士学位论文成。( 2 ) 在l c m 选择的注射树脂体系固化工艺下，柔性树脂膜能够熔融固化，与复合材料制件完全成为一个整体。( 3 ) 树脂膜必须具有与脱膜纸足够的粘附力以允许将纤维带成型为具体的轮廓形状，但又可手工将其从脱膜纸上取下来，而不会对树脂膜造成损坏或使纤维分开。( 4 ) 树脂膜必须与纤维有足够的粘附性，以允许可以切割纤维带或织物，以及把纤维带放在预定型件中及移去脱模纸时不会弄乱定向纤维的方向。美国陶氏化学公司生产的t a c k i x1 2 3 环氧树脂、3 m 公司生产的由p r 5 0 0环氧树脂或p r 5 0 0 和p t 5 0 0 组成的环氧树脂混合物口们( 如p r 5 0 0 ：p t 5 0 0 为8 0 ：2 0 ) 及美国c y t e c 公司制造的5 2 5 0 4r t m 双马来酰亚胺树脂等都可用于树脂膜的制各。美国陶氏联合技术复合制品公司对柔性树脂膜铺放法进行了研究，“低树脂量定向纤维带专利乜5 1 详细介绍了低树脂量定向纤维带的制备技术。其基本思路是将多根定向纤维放在两层树脂膜之间，通过适当的预定型工艺制备定向纤维带，然后将具有良好粘附性和变形性的定向纤维带按要求铺放在预定型模内结合成纤维预定型体。研究表明，在采用柔性树脂膜铺放法制备纤维或织物预定型体，尤其是定向纤维带及其预定型体时，必须控制以下两点。树脂含量。树脂含量过高，会阻止l c m 注射用基体树脂的渗透过低，则其粘附性不足以使纤维定位。一般而言，纤维带的树脂质量分数控制在3 9 6 1 8 范围内比较合适，在这种树脂含量下，定向纤维带既有足够的粘附性以防止纤维移动，又可弯折及定位在成型的轮廓表面以满足所需形状，同时又能保证l c m 注射用基体树脂能够完全渗入。一般可通过控制纤维和树脂膜的面密度来控制树脂含量。预定型温度。组合在一起的树脂膜和纤维在通过加热段时，加热段的温度一般要求控制在树脂膜的软化点和熔点之间，此时树脂膜软化使表面纤维部分埋在树脂膜中，而树脂膜又不会完全渗入纤维之间的间隙中，从而达到通过表面接触和少量渗透来固定纤维的目的。如果树脂熔化，由于树脂膜较薄，会失去粘附性和均匀性，进而导致纤维分离或分散。( 一) 固态树脂粉末沉积法固态树脂粉末沉积法的工艺是将一定粒径的固态树脂粉末增粘剂按照一定的工艺要求均匀沉积在织物表面，升温后树脂熔融、预固化( 即半固化，使其具有一定的粘附性) 并粘附在织物表面，冷却后即得纤维预定型体。粉末增粘剂同样应具有与注射基体树脂良好的相容性和足够的粘附力，以保持整体性，同时还要能1 2第二章预定型体保型性能的实验研究消除预定型体回弹性，以便很好地控制预定型体尺寸。此外，固态树脂粉末增粘剂还应满足以下要求。( 1 ) 颗粒粒径分布要适中，一般为1 0 0 4 0 0um 。( 2 ) 熔点较高且相对稳定，避免储存期间相互粘结。常见的短切纤维预定型体和连续纤维预定型体一般都采用固态树脂粉末增粘剂。固态树脂粉末增粘剂的加入方法一般有手工法、筛选法啪1 、静电喷射法、气动流化床法及溶剂法等。法国g r o u p es n p e 下属的s t r u c 耵l 公司生产一种s t l l 5 3 粉末状增粘剂，与r t m 专用的低粘度单组分环氧树脂s t l l 5 7 ( 可长时间注射，1 8 0 固化，玻璃化转变温度2 1 0 ) 兼容性好。美国3 m 公司的p t 5 0 0也是一种典型的粉末增粘剂，熔点在7 0 左右，化学结构与3 m 公司的r t m 专用环氧树脂p r 5 0 0 树脂类似，常与p r 5 0 0 配合使用。美国俄亥俄州立大学的先进聚合物和复合材料工程中一已, ( c a p c e ) 对p t 5 0 0 进行了较为详细的研究，分析了增粘剂在工艺条件下的流变和固化行为对预定型体整体尺寸控制、渗透性和纤维浸润性等的影响，与注射基体树脂的相容性及其对复合材料强度和表面质量的影响等。我国天津工业大学的张国利心7 1 等也对p t 5 0 0 粉末增粘剂的流变性能、用量、预定型体回弹性及预定型工艺参数等进行了研究。粉末增粘剂的位置和分布很大程度上依赖于其粉末尺寸、用量( 浓度) 、应用方式( 加入方式) 和预定型条件等。预定型体的渗透性、尺寸控制能力等则与增粘剂的位置、分布、用量及预定型条件等有很大关系。例如，当预定型温度较低时，p t 5 0 0 增粘剂仍在纤维丝束外表面，随其用量的增加，预定型体渗透性下降：而当预定型温度较高时，p t 5 0 0 将在表面张力的作用下进入纤维丝束内部，随其用量的增加，预定型体渗透性先增加( 扫描电子显微镜显示增粘剂在纤维束内部，固化引起纤维丝束收缩，加大了丝束之间的空隙) 后降低( 过量的增粘剂在纤维束外表面，阻碍了树脂流动) 。比较理想的状态是增粘剂少量、部分浸入纤维表面，同时p t 5 0 0 需有一定的固化度以维持其尺寸控制能力。( 二) 液态树脂喷洒法瞳吼剐液态树脂喷洒法一般是先用合适溶剂将增粘剂配制成一定浓度的低粘度溶液，喷洒到织物的表面，待溶剂挥发后制得具有粘附性的低树脂含量织物，然后按需求裁剪、逐层叠放，在压力和形状预定型模等的作用下，即可得到表面均匀粘附增粘剂的预定型体。此方法突出的优点是工艺简单、高效、成本低、可现场应用，是一种非常实用的纤维预定型技术，尤其适合于制备大型结构件或形状复杂的异构件等预定型体。美国、日本等对此工艺进行了大量研究，开发出一系列的喷洒用增粘剂，例如美国a i r t e c h 公司研制生产的a i r t a c 2 就是一种典型的喷洒法用增粘剂。美国z e o n 化学公司研制生产的d u o m o dz t - 1 、d u o m o dz t - 2 是一类具有1 3天津工业大学硕士学位论文增韧作用的增粘剂树脂，一般溶于丙酮中配成丙酮溶液，易于喷洒。此类增粘剂可以大大提高环氧树脂基体的层间断裂韧性，并可显著提高复合材料的损伤容限c a i 值，两者区别在于，d u o m o dz t - 1 一般用于固化温度高于1 2 1 的复合材料树脂基体，d u o m o dz t - 2 一般用于固化温度低于1 2 1 的复合材料树脂基体。此外，法国宇航马特拉公司的研究中心与法国s t r u c t i l 公司合作开发的一种喷射用胶粘剂s t l l 5 3 也是一种典型的喷洒法用增粘剂，加入后复合材料性能变化不大，可室温储存7 个月。液态树脂喷洒法的不足是由于溶剂或单体的挥发会导致一定程度的环境污染，尤其是在使用烘箱加热制备预定型体时，应注意采取相应措施以避免火灾隐患。为了避免由于溶剂或单体挥发可能引起的火灾危险，美国c a l a n t o n 公司经过多年的研究，率先成功开发出了一种高速、高产量的树脂溶液喷洒法预定型工艺技术c o m p f o m 工艺们。这种工艺技术成功地应用了一种独特的增粘剂体系( s y p o l p 4 4a 8 1 2 5 1 b ) ，并通过采用紫外线辐射能加以固化，形成刚性预定型体。s y p o l p 4 4 a 8 1 2 5 1 b 是由美国c a l a n t o n 公司和f r e e m a n 化学公司合作发明的一种对辐射能量具有高度反应灵敏性的热固性聚合物。我国华东理工大学陆关兴等口u 也对此类紫外线辐射固化的增粘剂进行了研究，他们采用自行研制的丙烯酸型增粘剂，经过逐层喷洒、紫外线辐射固化等工序制成了单片状半椭球面玻璃纤维预定型体。( 三) 特殊增粘剂纤维布带铺放法仉3 2 1特殊增粘剂纤维布带铺放法的基本工艺是先将具有一定宽度、由特殊增粘剂制成的纤维布带逐层铺放到织物的一端表面，经过加热、加压固化等工序制得具有定型作用的纤维预定型体。该法目前主要是采用聚酯纤维纱布带作为增粘剂，配合用于制备纤维缠绕预定型体。在干纤维缠绕过程中，预定型体的形状完全靠干纤维张力来维持，没有增粘剂的预定型体切断后会变形，因此缠绕时在芯模端部每层之间放入一定宽度的聚酯纤维纱布带作为增粘剂。在纤维缠绕完成后，用电加热毡将纱布带包紧压实，加热熔融固化。切割时，用切刀在固化外端处围绕预定型体转动切割，露出芯模端部，将切割好的预定型体连同芯模一同放入树脂传递模塑( r t m ) 模具中。从芯模上脱模后，在r t m 部件上再将含聚酯纤维纱布带端部切掉，制成纤维预定型体最终产品，与其它方法不同的是，上述纤维预定型体最终产品中一般不含有增粘剂。2 2 3 保型性能的研究方法目前，对预定型体的保型性能的研究报道还很少，对于不同曲面上的织物的保型效果，关键是利用种方法来观察和评价不同织物的保型性能，由于保型性1 4第二章预定型体保型性能的实验研究能的大小暂时还不能量化，要评价一种织物保型性能的好坏就必须找出与其相对应的可测量指标。j a m e sl e e 等人使用u s h a p e 弯曲测试方法来评价定型剂对预定型织物尺寸控制的影响。即通过测定织物u 型口的变化情况来评定织物的保型效果。如图2 3 所示。u s h a p e 测试法图2 3u - s h a p e 钡l j 试法织物而国内的一些学者又通过z 型构件测试法来研究含胶量和粘结剂固化度对z型定型能力的影响规律。如图2 - 4 所示。b2 3 本文实验方法的设计图2 4z 型构件测试法综上所述，本文将采用直接预定型的方法，定型剂的施加方法采用手工液态树脂喷洒法制配预定型体。而预定型体保型性能的评价方法则在织物折痕回复性的测定回复角法g b t 3 8 1 9 2 1 9 9 7 的基础上，加以改进和创新。用织物折痕回复性的测定回复角法g b t3 8 1 9 2 1 9 9 7 对织物进行折痕回复性画口天津t 业大学硕+ 学位论文的测定，主要是使一定形状和尺寸的试样在规定条件下折叠加压保持一定的时间存卸除负荷后，让试样经过一定的回复时间，然后测量折痕回复角，阻测得的角度柬表示织物的折痕回复能力。这一测试方法司以体现出一般织物的变形回复能力。但鉴丁预定型织物材料的特殊性，参照具有借鉴意义的标准方法织物折痕回复性的测定回复角法，在此方法原理的基础上，设计了种新型的试验方法多角度测定回复角法，来评价织物的变形回复。如图2 - 5 所示，实验仪器由4 种不同角度的模块a 和基座b 以及一个调节螺纹c 组成；1 ) 模块a一共有四组模块，每一组模块分别包含两个相同的模块，每组模块的角度分别为2 0 。，4 5 。，6 0 。和9 0 。这样就对预定刑体的保型性能的评价就更为的客观和全面。2 ) 基座b ：用以支撑以及加固预定型体和模块之间的啮台度。3 ) 调节螺纹c ：可以转动调h 用以顶住模块和预定型体，使其夹持紧密并保持不动。实验时，即可将需要测试的试样裁成3 0 r a m 8 0 r a m 后将其由中线对折，放簧在两个模块之间，使其形成所需要的角度，随后转动调节螺纹使模块夹紧织物并保持不动，即完成了对试样的装配。( 1 ) 几何构造图2 ) 基座实物图第二章预定型体保型性能的赛验研究鹾警24 实验2 41 原材料f 潮簿一一豳墨遴l 邈3 ) 角度模块实物图国2 - 5 实验装置引1 ) 定型剂：北京航空材料研究院研制的e s 1 3 2 12 ) 多角同复仪：自制3 ) 试样：3 0 r a m 8 0 r a m4 ) 织物的厚度：o 4 m m5 ) 碳纤维织物：t 3 0 03 k 碳纤维织物试样的规格如袁21 所示表2 1 织物结构参数2 42 定型能力的实验随后将制各好的试样装配在前文所介绍的仪器上并放置在烘箱中，烘箱的温度为1 0 0 。c ，在此温度下加热2 0 分钟，随后取出仪器，放置在室温下使其冷却，冷却后取出试样，随后试样慢慢出现张角。用量角器测量卸除负荷后不同时叫的折皱回复角。折皱回复角的松弛过程如图2 - 6 所示。天津工业大学硕士学位论文砂黝堰三三2 5 结果与讨论图2 6 实验过程示意图2 5 1 定型剂浓度对回复角度的影响2 5 1 1t 3 0 0 碳纤维五枚缎纹织物回复角图2 7 和图2 8 分别为预定型织物受不同浓度定型剂的影响，通过将预定型织物定型成不同角度后，回复角呈现不同的蠕变规律曲线图以及实验结果图。随着定型剂浓度的增加，预定型织物的回复角度变化逐渐缓慢，即形状保持能力的稳定型增强。从图中还可得知，随着定型剂浓度的增加，预定型织物的回复角度逐渐减小。这是因为随着预定型织物含胶量的增加，纤维束之间以及纤维与纤维之间的粘结作用也逐渐提高。由此可见使用定型剂制备预定型织物时应尽可能的选择较大的定型剂浓度，不过还要考虑到定型剂在织物中的渗透性，否则会产生定型剂分布不均的现象。1 1 01 0 09 08 0叁，o世6 0腻5 0圊4 03 02 01 01 0 0 001 0 0 02 0 0 03 0 0 04 0 0 05 0 0 06 0 0 07 0 0 08 0 0 0网复时鲫，s( a ) 2 0 。1 8- 1 0 010 0 02 0 0 03 0 0 04 0 0 0 $ 0 0 06 0 0 0 7 0 0 08 0 0 0回复时闯厅( b ) 4 5 。第二章预定型体保型性能的实验研究：篓；谳“。( c ) 6 0 。”。瑁鬟搿( d ) 9 0 9圈2 - 7 碳纤维五枚缎纹织物回复角的蠕变规律图 8 碳纤维五枚缎纹织物回复角的蠕变圈2 5 1 2t 3 0 0 碳纤维斜纹织物目 ，s( a ) 2 00 0 0 10 ：0 0 04 0 0 0 o目i 目n j ，s( b ) 4 5 。天律i 业大学硕士学位论文 i 二j j 茹l _ _ 磊1 0 - 1 0 0 00 0 0 0 0 05 - + 4 口 1 1 1 1 1 1 1 1 1 - r r r 一 0 i2 0 0 0 o 07 0日! 目m k( d ) 9 0 。目2 - 9 碳纤维斜纹纵物同复角约蛹变规律圉2 1 0 碳纤维斜纹织物同复角的蠕变图山图29 和图2l o 可以清楚的看出碳纤维斜纹织物同复角的变化规律。从曲线图中可以知道，织物分别定型为2 0 。、4 5 。、6 0 。和9 0 。时，织物的【旦i 复角随定型剂浓度的增大而减小，这是因为随着定型剂浓度的增大，当加温过程中，定型剂逐渐向纤维内部扩散，发生粘结作用的纤维增多，当温度下降以及撤去模具后，发生牯结的纤维随着定型剂同化度的增大其固结能力增强，回弹能力减弱，囚此，随着定型剂浓度的增加，同弹量减少。而且回复角随着时间的变化呈现先急剧增加而后趋于平稳的趟辨，在经过一定时回后织物的回复角保持不变。山此可见，定辩度的定型剂自利于俣持预定型体的形状，减少回弹。但是随着圈化度的增加，定型剂与母体树脂的相容性会下辟，会影响到复合材料制品的性能，凼此，在制各预定型体时，应选择合适浓度的定型剂。茹潍蠹一一二晨第二章预定型体保型性能的实验研究2 5 1 3 斜纹织物和缎纹织物的比较( 一)同一角度，不同浓度的比较我们分别选取了5 枚缎纹织物和斜纹织物在涂刷不同那个浓度定型剂的条件下，在定型同种角度后，回复角的比较情况。将碳纤维5 枚缎纹织物和斜纹织物分别涂刷4 5 、8 、1 5 浓度的定型剂后，将它们分别定型在4 5 。的角度后，看其角度的回复情况。k越嫒】戚盈图2 1 1 碳纤维缎纹织物和斜纹织物角度回复情况图2 - 11 即为碳纤维5 枚缎纹织物和斜纹织物分别涂刷4 5 、8 、1 5 浓度的定型剂后，将它们分别定型为4 5 。的角度后的回复情况。从图中可以看出，随着定型剂浓度的增加，预定型的缎纹织物和斜纹织物的回复角都成下降的趋势。由于该种用丙酮为溶剂的定型剂浸润纤维的能力很好，很快即可扩散到附近的纤维束内，此时预定型体发生了纤维束问以及束内单丝的粘结作用，并且，随着预定型体含胶量的增加，使得纤维束间的粘结点的密度增加，使预定型体的回弹量明显减小。而且，在同种定型剂的浓度下，5 枚缎纹织物的回复角基本上大于斜纹织物的回复角，这是因为斜纹织物的结构相对于缎纹织物比较紧密，如图2 1 2 所示。2 1天津工业大学硕士学位论文彩钐钐钐钐钐钐钐钐钐 钐钐钐钐钐钐钐钐钐钐钐钐钐钐钐钐钐钐钐钐图2 1 2 五枚缎纹和2 2 斜纹组织图w e f t厂i - jw a 1 p囫所以当溶解在丙酮溶剂中的定型剂涂刷在织物上后，由于纤维结构紧密的特性，定型剂容易粘结更多的纤维，进一步减小了空隙，使得纤维束间以及束内单丝之间的相互作用增强，当撤去压力后，纤维间抵抗变形的能力增强，从而使纤维的回复角减小。2 5 2 预定型体回弹性的理论模型研究对于预定型体保型性能的理论研究还属于新的领域，而对于普通机织物折皱性能的理论研究，国内外学者已做了较多的研究工作。由于绝大多数纺织材料属于高分子材料，其变形行为遵循高分子材料的黏弹性质，所以基于织物的黏弹性本质可对织物的折皱性能及相关力学行为进行分析与研究。所以本文基于黏弹性理论，通过合理的理论假设，采用简单的流变模型研究预定型织物的定型角的回复规律并进行实验验证。这对深入认识预定型织物回复角的形成及回复规律，并用于指导实际生产及相关测定标准制定与实行具有重要的意义。2 5 2 1 预定型体回弹角度模型从实验结果中还可以看出，预定型织物的回复角度的变化基本上遵循高分子材料的粘弹性性质，分别产生急弹性变形、缓弹性变形以及不可回复的塑性变形。因此可以将预定型织物的看成是具有内摩擦约束的粘弹性条。基于弹簧和黏壶组成的各