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1、1O mm碳纤维复合材料管成型工艺及性能研究赵锐霞 尹 亮 潘玲英 董波宇航材料工艺 2012年第4期摘要 :对外径为l0 mm碳纤维复合材料管成型工艺及性能进行了研究。结果表明，采用热缩工艺成型的碳纤维复合材料管工艺简单、质量可靠，10 mm碳纤维复合材料管件弯曲刚度与不锈钢管相当，弯曲强度为不锈钢的3倍以上，质量仅为不锈钢的50 ，尺寸精度满足设计要求。关键词 : 碳纤维复合材料管，成型工艺，性能0 引言碳纤维增强复合材料(CFRP)杆、管结构是组成复合材料构件的一种典型单元，是航空航天器结构中常用的结构组件，大型卫星天线支架等大多采用CFRP圆管。CFRP管材成型一般采用纤维缠绕、预浸料
2、铺层、拉挤成型、热缩成型等工艺，针对不同结构形式及尺寸的复合材料管工艺及性能已有大量研究 1-4，但对于小尺寸复合材料管，这些成型工艺方法都有一定的局限性。通过铺缠结合热缩成型工艺新技术，解决了小尺寸CFRP管的表面质量及尺寸精度问题。热缩工艺是采用热收缩带的热缩特性对复合材料施加均压。热收缩塑料是指某些聚合物分子经过电离辐射后，其分子键间形成化学键，由线性结构变成三维网状结构。将交联后的结晶高分子材料加热到其熔点以上则成为弹性体橡胶，在此状态下施加外力作用进行拉伸、扩张并迅速冷却，此拉伸状态就被保留下来。使用时只需将其加热至一定温度，依靠弹性作用又收缩至扩张前状态 1-5。本试验中选材主要依
3、据：(1)热收缩带耐温满足复合材料的固化工艺要求；(2)固化过程中达到收缩压紧、改变复合材料表面状态的目的。本文研究的碳纤维复合材料管外径尺寸小(外径为l0 mm)，且内径尺寸精度要求较高，根据设计要求对碳纤维复合材料管进行了结构设计，并对其成型工艺及其弯曲、剪切等性能进行研究。1 实验1.1 原材料MT300603热熔法预浸料，航天材料及工艺研究所生产。1.2 复合材料平板性能测试采用岛津国际贸易有限公司AG-X300kN型数控电子万能试验机进行，拉伸、压缩、弯曲、层剪性能分别按GBT33541999、GBT3856-2005、GB33356-1999、JCT773-96进行测试1.3 复合
4、材料管性能测试采用ZEISS EVO60型扫描电镜观察试样微观形貌，扫描电压为20 kV；采用GJB332A-2004进行平均线胀系数测试，试样长度取65 mm；采用岛津国际贸易有限公司AG-X300kN型数控电子万能试验机进行，弯曲性能参照DqESJ23200l测试，剪切性能在自制圆管扭转原理工装上测试，跨距320 mm。2 结果与讨论2.1 MT300603单向板性能根据卫星天线系统在轨工作环境温度-7012O的要求，选用MT300603热熔法预浸料，控制预浸料树脂含量(343)wt ，预浸料挥发份含量1 ，单向板性能见表1。2.2 复合材料管结构设计碳纤维复合材料管以弯曲性能为主、满足与
5、外径相同的不锈钢管结构刚度相当要求进行设计，两种材料参数见表2。天线支架主要受力状态为弯曲，受力类似简支梁，梁的弯曲刚度即梁抵抗弯曲变形的能力，工程中梁的刚度是用其位移控制的，梁的位移是伴随梁的弯曲变形所引起的横截面形心的竖直位移(挠度)与横截面绕中性轴转过的角度(转角)6 。鉴于不锈钢管0.54 mm。碳纤维复合材料管结构设计不但要满足性能要求，而且适应复合材料制造工艺水平，综合考虑碳纤维复合材料管表面质量状况及铺层工艺控制要求，返算后复合材料管壁取0.63 mm。同时，对碳环氧管端部进行了局部加强设计，端部的加强可以弥补端部缺陷，降低端部碳纤维的曲屈，避免因应力集中引起端部失稳破坏，可以有
6、效提高碳纤维复合材料薄壁管的轴向压缩强度7 。2.3 复合材料管成型工艺2.3.1 复合材料管成型工艺方案碳纤维复合材料管采用预浸料铺层后缠绕热收缩带辅助成型，首先在钢芯模表面按铺层顺序铺放预浸料，然后在预浸料表面直接缠绕热收缩带，最后整体一次固化成型，成型后进行长度加工，得到制品，具体流程见图1。2.3.2 复合材料管铺层工艺碳纤维复合材料管铺层采用铺缠结合的方法，0。、90。采用搓管机进行铺覆，45。采用预浸带缠绕方法，对铺层工艺来讲，单层预浸料的铺覆质量尤为关键，预浸料铺覆质量直接影响产品最终质量及性能，铺放过程需控制预浸料层间包裹的空气，铺覆后需要进行放气处理，避免在后续固化过程中因包
7、裹空气造成局部疏松或鼓起现象；预浸带缠绕过程中需严格控制缠绕角度，避免因纤维屈曲而影响复合材料管最终力学性能。2.3.3 复合材料管热收缩带工艺碳纤维复合材料管热收缩带采用在铺覆的预浸料表面进行缠绕的工艺方法，关键在于热收缩带缠绕预紧张力和均质性等方面控制。热收缩带缠绕质量是决定产品最终质量的前提保证，在产品固化过程中，收缩带紧张力尽量保持均衡，且满足产品固化要求，热收缩带缠绕过程中，若预紧力不够，则产品固化时，局部收缩力小，加压不足，可能会造成产品局部出现疏松或鼓起现象。2.4 复合材料管质量分析产品成型后发现，碳纤维复合材料管局部加强区与中间直线段部分连接处有部分管件出现了局部鼓起现象。分
8、析原因，主要是由于纤维层厚度不一致，固化过程中在局部加强区轴向收缩量过大使热收缩带在收缩时拉动复合材料管的表面纤维，使纤维错位，改变了纤维的铺层方向，造成不同厚度铺层过渡处出现局部鼓起现象，也有分析认为 8，加热方式不当，也会导致受热不均匀，轴向、环向收缩量、收缩率不一致导致纤维错位。在上述原因分析的基础上，进行了热收缩带缠绕张力调整、不同厚度铺层过渡处工艺处理及固话工艺优化，优化后成型的复合材料管质量良好，尺寸满足设计使用要求。为验证复合材料管纤维与基体界面粘结质量情况，对所用复合材料层间进行了电镜扫描，见图2从层间扫描电镜照片可以看出，热收缩带成型的复合材料管纤维、树脂界面粘结良好。同时对
9、成型的碳纤维复合材料管进行了无损检测，结果显示，管件无损检测未发现缺陷，说明热收缩工艺成型的碳纤维复合材料管质量良好，复合材料管成型过程中所采用的热收缩带收缩力和固话条件合适。2.5复合材料管性能复合材料管纤维体积分数测试结果为60.1%，RT-120条件下轴向线胀系数为0.2510-6/K。试验结果表明，复合材料管纤维体积分数较为理想，满足（603）%的控制指标，同时也充分展现了碳纤维复合材料低膨胀特点。不同铺层设计碳纤维复合材料管的弯曲性能试验结果见表3铺层板的弯曲性能较为复杂，主要是由于铺层沿板厚的位置不同引起的，单层沿板厚的位置在弯曲刚度中起很大作用，铺层顺序对层压板的弯曲性能有很大影
10、响9，铺层顺序是铺层放向沿层压板厚度分布的描述，层压复合材料结构的性能，诸如刚度，尺寸稳定性和强度等都与层压板的铺层顺序有关，每一种性能与铺层顺序的关系并不相同，在每一种给定的设计应用中，都包含了对铺层顺序的折中考虑。试验中考虑与不锈钢等刚度设计，铺层1复合材料管性能明显优于铺层2，主要取决于0。铺层是优先铺设在靠近复合材料的表面。从试验结果可以看出，不同铺层对碳纤维复合材料管弯曲性能影响明显，主要表现在对外层0。层的设计，即在弯曲试验中外层0。层对弯曲的贡献很大，优选铺层1进行了碳纤维复合材料管的研制。10mm碳纤维复合材料管与10mm不锈钢管（壁厚0.3mm）弯曲、剪切性能与平行对比试验结
11、果见表4。在进行弯曲性能试验时发现，不锈钢表现为管件受弯后材料屈服现象，而碳纤维复合材料管则表现为纤维曲屈处断裂及层间分层破坏。可以看出，10mm碳纤维复合材料管刚度与不锈钢相当，弯曲强度为不锈钢的3倍以上，质量仅为不锈钢的50%，采用碳纤维复合材料管大幅减轻了质量，提高了性能，达到了轻质高强的目的。利用热收缩工艺已成型不同批次、不同规格碳纤维复合材料管件，并通过了振动、热真空等相关试验，满足设计使用要求。3 结论采用铺层后缠绕热收缩带辅助成型的工艺方法成型10mm碳纤维复合材料管，该方法工艺简单、可操作性强，能有效保证复合材料管的成型质量及尺寸精度控制要求，其弯曲刚度与不锈钢相当，弯曲强度为
12、不锈钢的3倍以上，结构质量仅为不锈钢的50%。参考文献1 靳武刚，高建军，吴利英碳纤维复合材料管材热缩成型工艺技术J现代塑料加工应用，2001，14(2)：30-322 杜刚，曾竞成，张长安，等硅橡胶热膨胀模塑成型法制备碳环氧复合材料管研究J纤维复合材料，2003(2)：26-283 郑志才，孙士祥，陈艳，等碳纤维复合材料薄壁管的制备及其轴向压缩性能研究J工程塑料应用，2008，36(4)：44-474 吴非，王翔，蔡浩鹏，等复合材料力矩管扭转性能的研究J武汉大学学报(理学版)，2011，57(2)：175-1785 靳武刚，高建军，吴利英热缩塑料在CFRP管中的应用塑料科技，2001(12)：9-116 张新占材料力学M西安：西北工业大学出版社，20057 郑志才，孙士祥，陈艳，等碳纤维复合材料薄壁管的制备及其轴向压缩性能研究J工程塑料应用，2008，36(4)：44-478 靳武刚，高建军，吴利英热缩塑料在CFRP管中的应用J塑料科技，2001(12)：9-119 复合材料手册第三卷聚合物基复合材料性能使用、设计和分析M北京：中国航空综合技术研究所，2004：175-184