气流扰动式碳纤维展纤技术研究

摘要

运用气流扰动法将碳纤维展宽展薄，不仅展宽幅度大、碳纤维损伤小，而且效率高，可以提高树脂对碳纤维材料的浸润性，制造出高性能碳纤维增强体复合材料(CFRP)，因此气流扰动展纤方法成为碳纤维展纤技术的研究热点。本文在分析气流扰动展纤原理的基础上，对展纤过程中的影响因素、展纤器参数优化及张力控制进行了详细研究。
　　深入分析了展纤过程中气体流动及张力对展纤质量的影响，并分析了纤维的上浆剂、假捻等对展纤质量的影响，提出了提高展纤质量的方法。在此基础上确定了气流扰动展纤技术方案并完成了系统设计。
　　为实现展纤器结构参数的优化设计，建立了基于纳维斯托克斯方程的展纤器流场模型，并用FLUENT实现展纤器内部流场的仿真及分析。通过对比不同的展纤器侧板倾斜角度、开口宽度及挡风板高度下的流动特征，得到流场参数对展纤过程的影响规律，实现了展纤器结构参数的优化设计。
　　研究发现，张力大小对展纤质量有重要影响，因此本文设计了张力闭环控制系统，以实现对张力的快速、高精度控制。通过单级张力控制系统的变速积分PID控制及四级张力控制系统串联输出补偿控制，保证了在展纤过程中张力的稳定及在气流扰动下的抗干扰能力。
　　在此基础上研制了四级气流扰动碳纤维气流扰动展纤设备，并进行了碳纤维展纤实验。研究了展纤器结构参数对展纤效果的影响，验证了横向速度越大越有利于展纤的结论，实验结果与仿真分析结果具有一致性。通过实验研究了展纤过程中气流速度、张力及纤维进给速度对展纤效果的影响，确定了参数调整范围，其中张力的调节范围为6~20 g，入口流速的范围是10～16 m/s，为参数的合理调整提供了指导。实验中通过对展纤器结构的优化及对气流、张力、纤维进给速度的控制，消除了展纤过程中易出现打捻、塌陷等问题，获得了展纤均匀的薄层丝束，展开倍率可达3~5倍，连续展纤长度超过1250 m。研究结果对碳纤维气流扰动展纤设备的研制具有重要的参考价值。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景和研究意义

1.2碳纤维展纤技术国内外研究现状

1.3 主要研究内容

第2章 气流扰动展纤原理及系统设计

2.1 引言

2.2 气流扰动展纤原理

2.3 影响展纤质量的因素分析

2.4 多级气流扰动展纤技术方案及系统设计

2.5 本章小结

第3章 展纤器流场仿真与优化设计

3.1 引言

3.2 仿真模型的建立

3.3 展纤器内部流动特征对展纤影响的分析

3.4 展纤器结构参数的优化

3.5 抽吸速度对内部流场的影响

3.6 本章小结

第4章 张力控制系统设计

4.1 引言

4.2 张力控制方案及控制模型

4.3 张力控制系统的控制方法

4.4 收卷系统的控制方法

4.5 张力控制系统性能测试

4.6 本章小结

第5章 展纤实验研究

5.1 引言

5.2 实验平台的搭建

5.3 展纤器结构参数对展纤的影响

5.4 其他因素对展纤的影响

5.5 具体实施例及效果评价

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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