气流展纤工艺中不同压差和送丝速度对碳纤维展宽的影响.pdf
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1、97气流展纤工艺中不同压差和送丝速度对碳纤维展宽的影响牛雪娟1.2徐妍慧!(1 天津工业大学机械工程学院,天津300387)(2天津市现代机电装备技术重点实验室,天津300387)文摘商为探究气流展纤工艺中不同出口压差和送丝速度对碳纤维丝束展宽效果的影响,依据Venturi原理,搭建气流展纤试验平台,并记录大丝束碳纤维展宽过程,计算不同工艺参数下碳纤维丝束在不同阶段的展宽率和展宽均匀程度。研究结果表明:通过搭建的气流展纤试验台,能获得展宽率高于40 0%,展宽均匀程度在90%以上的碳纤维丝束,得到的碳纤维丝束的展宽率与出口压差呈正相关,与送丝速度呈负相关;碳纤维丝束的展宽均匀程度与出口压差呈负
2、相关,与送丝速度呈正相关。关键词气流展纤,碳纤维束,气压差,送丝速度中图分类号:TB332D01:10.12044/j.issn.1007-2330.2023.04.015The Influence of Different Pressure Difference and Feeding Speed on theExpansion of Carbon Fiber in the Process of Air Flow SpreadingNIU Xuejuanl.2XU Yanhuil(1 College of Mechanical Engineering,Tiangong University,
3、Tianjin 300387)(2 1Key Laboratory of Modern Mechanical and Electrical Equipment Technology,Tianjin300387)AbstractIn order to explore the influence of different outlet pressure difference and feeding speed on theexpansion effect of carbon fiber bundles in the air spreading process,an air spreading pl
4、atform was establishedaccording to Venturi principle.The process of carbon fiber broadening was recorded,and the ratio and uniformity ofcarbon fiber broadening at different stages were calculated under different technological parameters.The results showthat the carbon fiber bundles with a broadening
5、 rate of more than 400%and a broadening uniformity of more than90%can be obtained by the air flow spreading test platform.The expansion rate of the carbon fiber bundle ispositively correlated with the outlet pressure difference and negatively correlated with the feeding speed.Theevenness of the expa
6、nsion of the carbon fiber bundle is negatively correlated with the outlet pressure difference andpositively correlated with the wire feeding speed.KeywordsAir fiber spreading technology,Carbon fiber bundles,Pressure difference,Feeding speed0引言复合材料被广泛运用于航空航天、交通运输、建筑桥梁以及新能源技术等多个领域。其中,碳纤维复合材料是一种具有质轻、高强
7、高模等优异性能的新一代增强材料。大丝束碳纤维更是碳纤维中最具发展潜力和前景的品种2 。在实际应用中,需要通过展纤工艺将碳纤维丝束展宽展薄,以得到物理性能偏差小、力学性能更佳的复合材料。传统的机械展纤方法,由于存在机械摩擦,会导致纤维表面磨损,甚至出现断丝。因此近年来,研究人员开始逐渐尝试气流展纤法,以应对有高表面质量和高机械性能要求的应用3。日本开发了气流控制丝束辊压方法,能够精确控制气流,充分展宽纤维束4。陈金良等5 通过设计高温射流冲击试验装置,以研究大丝束碳纤维在射流冲击作用下的展宽效果。CHEN等6 设计了一种高效的碳纤维气动铺展系统。本文搭建气流展纤试验平台5-6 ,分析不同出口压差
8、以及送丝速度对碳纤维丝束展宽率以及展宽均收稿日期:2 0 2 1-0 8-1 8;修回日期:2 0 2 1-1 0-2 8基金项目:天津市自然基金面上项目(No:1 8 JC YBJC 8 90 0 0)第一作者简介:牛雪娟,1 97 7 年出生,副教授,博士,主要从事机电一体化研究工作。E-mail:n i u x u e j u a n t i a n g o n g.e d u.c n宇航材料工艺http:/2023年第4期98匀程度的影响,以期为气流展纤工艺的进一步优化和改进提供思路1气流展纤机理气流展纤器的工作基于Venturi效应,即:当流体在通过小断面时,出现流速增大的现象,同时
9、在高速流动流体的附近会产生低压区域,从而造成吸附作用。在气流展纤器中,展纤通道内的气流通过气流间隙时,就会产生Venturi效应,具体展纤机理如图1所示。其中图1(a)为碳纤维束刚进人气流场时的初始状态。气流间隙相对展纤通道为小断面,因此气流间隙处的气流速度高于展纤通道中央的气流速度,即VP1。在低压区的作用下,碳纤维逐渐向两侧展宽,最终状态如图1(b)所示低压区低压区VV12345678910VPV(a)初始状态低压区低压区VVV12345678910VP(b)最终状态图1气流展纤原理图Fig.1Schematic diagram of airflow expansion fiber2试验2
10、.1原材料选取沧州中丽新材料科技有限公司定制生产的48K碳纤维丝束进行实验。该型号为无抢纤维,展纤前无须解捻。碳纤维丝束原始宽度为1 6 mm,单丝直径为7 m,丝束表面包裹有上浆剂。2.2试验台搭建气流展纤试验台如图2 所示。其中,I为放卷装置;为铝制加热箱;为预展纤热风枪;IV为传送辊组;V为张力检测装置;VI控制面板;VI为气流展纤器;VI为收卷装置气流展纤器为对称结构,是气流展纤试验平台的核心部分,其详细几何参数如图3所示。纤维人口宽2 0 mm,纤维出口宽度1 0 0 mm。展纤通道由相对对称面分布的隔板围成,宽1 0 0 mm,长30 0 mm。隔板上分布有9个气流间隙,沟通展纤器
11、的内外流场。气流间隙宽度均为5mm,相邻两气流间隙的间距为20mm。最右侧气流间隙至碳纤维出口的距离为24 mm。气流展纤器的3维模型如图4所示。用无影胶粘接透明亚克力板制成气流展纤器,并检测其气密性,如图5所示碳纤维丝束从纤维入口进人展纤通道,在气流压差作用下展开后,从纤维出口离开展纤通道。而气流在离心风机的作用下,从气流人口1 和气流人口2进人展纤通道。通过气流间隙后,从气流出口离开气流展纤器。展纤通道正下方放置有4个ESP32-CAM,用于拍照记录碳纤维展开的情况。展纤器的两个气流出口通过一个Y型接头与变频离心风机相连接,可通过调节风机频率改变气流出口压差。IVVVIVIIVVII图2气
12、流展纤试验台Fig.2Airspreadfibertestbench宇航材料工艺http:/2023年第4期99纤维人口纤维出口(气流人山1)对称面(气流人口2)300.024.0隔板气流间隙!展纤通道气流间源900SOOOT气流出口95.020.0(a)气流展纤器半几何平面图隔板气流间隙!气流间隙9300.0工粘接范围JL5.020.024.0(b)气流展纤器隔板平面图图3气流展纤器几何信息图Fig.3Geometrical information diagram of air spreader气流出口对称面纤维出口纤维人口展纤通道气流间隙气流出口(a)气流展纤器整体图气流间隙1234567
13、89(b)气流展纤器局部放大图图4气流展纤器3维模型Fig.43D model of air spreader纤维人日ECAM纤通道气流出口气流可除,纤维出口(汽流人I1)(气流人门2)图5气流展纤器实物Fig.5Real air spreader宇航材料工艺http:/2023年手第4期2.3展纤流程设计碳纤维丝束在传送辊组的牵引作用下,通过加热箱,使保护丝束的上浆剂融化,有利于后续展宽。根据上浆剂的树脂体系,试验中将加热箱内温度设置为1 8 0 2 30。为使丝束中单丝充分向两侧分散,在气流展纤试验台中设置预展纤工序,如图6 所示,采用固定温度(40 0)和风速(4m/s)的热风枪对碳纤维
14、丝束进行吹拂,气流方向与纤维束面垂直。预展之后的碳纤维丝束绕过张力监测装置,实时监测,以确保张力稳定在一定区间内。碳纤维丝束进入展纤通道后,因受到来自两侧气流间隙的气流造成的压力差而展宽。收卷装置带有超声测距传感器,通过反馈调节电机的转速,以确保收卷的线速度不变。展宽后的碳纤维丝束缠绕于收卷筒上。a热风枪吹拂前(b)热风枪吹拂后图6 热风枪吹拂前后丝束形态对比Fig.6Comparison of tow shape before and after heat gunblowing2.4试验参数利用YYT-2000B倾斜式微压计测量并计算离心风机频率与气流出口压差之间的关系,如表1 所示表1 离
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