超薄热塑性复合材料人形杆制备及其性能研究.pdf
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1、复合材料科学与工程:/超薄热塑性复合材料人形杆制备及其性能研究马心旗 宗文波 张竹青 蒋 林 桑 琳 吴海宏(河南工业大学 碳纤维复合材料国际合作实验室 郑州 大连理工大学 汽车工程学院 大连)摘要:薄层预浸料复合材料结构具有良好的弹性应变能调控、存储特性在可展开、折叠结构如空间可展开天线、太阳帆和光伏表面等方面具有重要应用价值 本文以碳纤维增强尼龙(/)为实验对象首先用单层厚度为 和 的/复合材料分别制备 厚的单向层合板对其进行了弯曲性能测试和弯曲破坏后微观形貌的对比分析然后采用非对称铺层设计方法及真空热压一次成型工艺制备了复合材料人形杆对人形杆的法兰展开行为、收拢弯曲承载行为进行了实验测试
2、 结果表明:单层厚度减薄 层合板的弯曲强度和弯曲模量分别提高了 、有效抑制了复合材料的层间裂纹扩展铺层结构直接影响人形杆可展开、收拢变形行为增加 铺层所占比例人形杆的比刚度和比强度均有所提高 实验结果为热塑性复合材料可展开结构的设计与性能评价提供了基础关键词:超薄 热塑性复合材料 碳纤维 人形杆 可展开中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.(/)./.:收稿日期:基金项目:国家自然科学基金青年科学基金项目()国家自然科学基金委河南省联合基金重点项目()作者简介:马心旗()男 硕士研究生 研究方向为碳纤维复合材料制备及成型工艺通讯作者:桑琳()女 博士 副研究员 主要从事汽车轻量化复合材
3、料方面的研究 吴海宏()女 博士 教授 主要从事碳纤维复合材料方面的研究 年第 期超薄热塑性复合材料人形杆制备及其性能研究 引 言可展开结构是指具有展开和折叠两种几何状态的结构这种结构可以通过折叠有效地减小体积在许多航天器结构中得到了广泛的应用 目前可展开结构大多通过超弹性支撑杆来实现折叠与展开超弹性杆是一种能够在 的弹性应变范围内反复进行大于 大变形的薄壁杆件利用它自身的大挠度变形特性可实现展开结构的高度收拢随后通过释放收拢过程中存储的弹性势能实现收拢结构的自驱动展开 该结构对于空间系统如可展开天线、太阳帆、光伏表面等具有重要意义按照超弹性杆横截面的几何形状进行分类主要分为圆形()、豆荚形(
4、)和人形()人形杆是由美国空军研究实验室在 年开发的并已在美国宇航局的、行星协会的 和 三种不同型号的飞行器中得到应用 人形杆的横截面形状由两个镜像对称的曲面法兰和一个平面腹板组成能够获得较大的展开体积与收拢体积比(展收比)是继圆形杆和豆荚杆之后另一个值得深入研究的驱动展开机构 与圆形杆和豆荚杆相比人形杆具有较大的横截面惯性与封装高度之比 等研究发现对于相同的封装高度人形杆的横截面惯性是圆形杆的 倍、豆荚杆的 倍据公开报道、和 飞行器中使用的人形杆是由金属合金制成的研究表明金属人形杆除自身重量较大对热也比较敏感当一个法兰在空中面向太阳而另一个法兰背向太阳时会导致较大的尖端偏转 随着对飞行器性能
5、要求的不断提高使用碳纤维增强树脂基复合材料制备人形杆引起了研究者的关注 尽管人形杆几何形状较为简单但其收拢、展开过程中的力学行为十分复杂 特别是为了满足人形杆收拢、展开所需要的变形能力和展开后的力学性能在制造人形杆时使用的预浸料厚度远小于常规预浸料这是由于薄层预浸料可以为更大尺寸、更灵活和更高性能的人形杆提供设计空间近年来薄层碳纤维复合材料的研究取得了较大进展 与常规层厚相比薄层预浸料可以有效抑制碳纤维复合材料制品服役过程中层间裂纹的萌生和快速扩展提高其力学性能及损伤容限此外薄层复合材料的铺层可设计性更强可以灵活地实现变厚度、变刚度等一些特定设计要求从而在较大范围内调控制品的力学性能这些性能特
6、点为设计具有较大展收比的人形杆提供了基础 但是由于环氧树脂类的热固性预浸料韧性较低在收拢、展开过程中容易形成微裂纹尤其是在载荷方向与纤维方向不一致的情况下难以满足人形杆所要求的变形性能、承载性能和疲劳性能 而且现有的复合材料人形杆制备方法较为烦琐需要特定模具和多次成型基于此采用超薄()和常规厚度()两种不同厚度的/复合材料织物制备单向层合板并对其进行了弯曲性能测试和弯曲破坏后微观形貌的对比分析验证了预浸料超薄化对弯曲性能有所提升为人形杆材料的选择提供了基础然后采用超薄/进行薄膜叠层和非对称铺层设计利用真空热压一次成型工艺制备复合材料人形杆讨论了不同铺层方式对人形杆法兰区变形曲率的影响机制通过折
7、叠弯曲实验得到了人形杆的弯曲力曲率曲线验证了采用非对称铺层制备碳纤维复合材料人形杆的可行性 样品制备与测试 原材料本实验所用厚度分别为 、的/复合材料织物以及碳纤维单向带由郑州仿弦新材料科技有限公司提供 实验中使用的织物由 碳纤维丝束经宽展后作为经纱和 薄膜作为纬纱编织而成两种不同厚度织物的碳纤维体积分数分别为 和 其中碳纤维的密度为 /单丝直径为 拉伸强度为 拉伸模量为 热膨胀系数为/断裂伸长率为 薄膜的密度为 /拉伸强度为 弹性模量为 断裂伸长率为 熔融温度为 样品制备 单向层合板样品制备为了给人形杆的材料选择提供参考采用超薄和常规两种不同厚度的/复合材料织物制备单向层合板层合板尺寸为 然
8、后将层合板水切割成尺寸为 的弯曲试样 测试前用 目的砂纸打磨弯曲样条的切割表面以消除切割痕迹对复合材料裂纹萌生和扩展行为的影响 年 月复合材料科学与工程 人形杆样品制备人形杆由两个镜像对称的曲面法兰和一个平面腹板组成主要参数包括长度、高度、法兰区曲率半径、开角、腹板区厚度 以及宽度 如图()所示 采用厚度为 的碳纤维单向带和 的 薄膜进行叠层设计利用真空热压一次成型工艺制备人形杆制备了四种不同铺层方式的人形杆样品样品编号分别为、分别对应的腹板区铺层方式为/、/、/、/法兰区铺层方式为/、/、/、/(方向与人形杆长度方向一致)铺层尺寸均为 腹板区的宽度均为 两个法兰区之间用厚度为 的聚酰亚胺薄膜
9、隔开以 人形杆为例的制备过程如图 所示 人形杆的热压成型工艺如下:真空度为 压力为 将温度从室温升至 升温速率为 /保温时间为 保温结束后以 /的冷却速度冷却至 再以 /的冷却速度冷却至 然后脱模人形杆样品如图()所示 热压成型后四种人形杆样品的质量分别为 、和 图 ()人形杆几何形状()收拢示意图()人形杆样品实物图 ()()()图 /复合材料人形杆制备过程 /测试方法 单向层合板弯曲性能测试层合板弯曲性能的测试在万能试验机上进行并执行 弯曲测试标准在室温()、加载速度为 /的条件下测试层合板的弯曲性能两种不同厚度/复合材料织物制备的层合板弯曲实验分别测试 个试样 将试样放在 的真空干燥箱中
10、干燥 以消除含湿量对实验结果的影响 样品的弯曲强度()和最大应变()分别用以下公式计算:()()式中:为跨距中点外表面的弯曲正应力为载荷 为跨距、分别为试样宽度和厚度 为跨距中点外表面正应变 为跨距中点的挠度 人形杆的几何测试人形杆的初始形状是指人形杆在法兰区完全展开时的形状如图()所示主要尺寸参数包括长度、高度、法兰区曲率半径、开角、腹板区厚度 和宽度 采用图像测量法()对人形杆横截面的初始形状进行测量 年第 期超薄热塑性复合材料人形杆制备及其性能研究 人形杆收拢抗弯性能测试为得到人形杆在轮毂上缠绕的最小曲率半径和抗弯性能对人形杆进行了折叠弯曲测试测试方法如图 所示 对人形杆进行切割长度为
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