玻纤增强热塑性树脂基复合材料制备及其缺陷研究

摘要

随着全球油气资源开发的热点已逐渐由陆地转向海洋，海洋柔性管作为一种新型的海底管线产品，近几年在国内外的海洋油田开发中也越来越受到重视。其中采用玻纤增强热塑性复合材制备的粘合柔性管，在同等刚度和强度下，玻璃纤维缠绕层数大幅减少，用料大约仅需要非粘合柔性管的一半，具有耐腐蚀性好、不易形成气聚、制造工艺相对简单的优点。本文采用模压成型的工艺方法，以玻纤增强聚丙烯预浸带为原料，制备不同工艺条件下的复合材料。利用超声无损检测方法分析其缺陷状况，基于力学性能测试结果，研究了工艺参数、缺陷与性能的关系。建立了基于声阻抗的孔隙率测量模型和较佳的玻纤增强热塑性复合材料工艺制度。
　　通过对超声无损检测系统的对比分析，确定采用超声波扫描显微镜系统对玻纤增强聚丙烯复合材料进行缺陷评价。基于对含预制夹杂缺陷的复合材料C扫描结果分析，确定了玻纤增强聚丙烯复合材料较佳的超声无损检测参数为：换能器频率15MHz，增益值20dB，扫描速度1000mm/s。在较佳的检测参数下，分析了玻纤增强聚丙烯复合材料的质量和缺陷情况。由C扫描结果可知，随热熔合温度的上升，热熔合质量先提高后下降，在200℃达到最佳，在210℃以上开始出现纤维弯曲的缺陷；随热熔合压力的上升，热熔合质量先提高后下降，在0.3MPa时达到最佳，在0.5MPa时，开始出现贫脂缺陷；随着热熔合时间的延长，热熔合质量逐渐改善，在450s时达到较佳效果，随后时间对熔合质量影响不大。由A扫描结果可知，复合材料中无明显缺陷时只能观察到表面回波和底面回波；有分层缺陷时，可观察到表面回波和缺陷回波；有纤维弯曲和贫脂缺陷时，可观察到表面回波、缺陷回波和底面回波。声阻抗测试结果表明，随热熔合温度和压力的上升，声阻抗值先增大后减小，在200℃和0.3MPa时达到最大值，热熔合质量最好；而随着热熔合时间延长，声阻抗值增大，质量提高，450s以后声阻抗值无明显变化。
　　利用金相显微镜观察了复合材料孔隙的特征，获得了孔隙率与工艺参数的关系。结果表明，复合材料中孔隙的形貌主要有长条形、椭圆形和圆形。建立了声阻抗与孔隙率之间的关系，获得了孔隙率在0.59％~5.59%区间时，基于声阻抗的孔隙率检测模型：Z=25.11P2-527.46P+6335.43。
　　缺陷对复合材料性能的影响研究表明，在孔隙率＜1%时，对其弯曲强度和层间剪切强度影响不大，当孔隙率在1%~5%之间时，孔隙率每增加1%，复合板的弯曲强度和层间剪切强度分别下降2%和8%。复合材料力学性能的变化与材料中缺陷的变化规律一致，当复合材料中出现分层、纤维弯曲和贫脂缺陷时，复合材料的弯曲强度和层间剪切强度较低，性能变差。
　　综上，得到较佳的模压工艺：熔合温度200℃，熔合压力0.3MPa，熔合时间450s。

目录

声明

第1章 绪论

1.1课题研究背景

1.2复合材料无损检测的发展现状

1.3本文主要研究内容

第2章 试验材料与研究方法

2.1实验材料及设备

2.2材料制备方案

2.3 材料性能测试方法

2.4 材料微观组织表征

2.5缺陷的超声波检测方法

2.6本章小结

第3章 工艺参数对玻纤增强聚丙烯复合材料缺陷的影响研究

3.1 超声无损检测设备选型

3.2 超声波扫描显微镜检测系统参数选择

3.3 不同热熔合温度复合材料超声无损检测

3.4 不同热熔合压力复合材料超声无损检测

3.5不同热熔合时间复合材料超声无损检测

3.6 本章小结

第4章 缺陷对玻纤增强聚丙烯复合材料性能的影响研究

4.1 玻纤增强聚丙烯复合材料的力学性能

4.2 玻纤增强聚丙烯复合材料中缺陷对性能的影响

4.3 玻纤增强聚丙烯复合材料板层间剪切断裂机制

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢