碳纤维增强热固性复合材料固化变形机理实验研究

摘要

复合材料固化过程涉及复杂的热-化学-力学多场耦合作用，成型后普遍存在固化变形现象。由于其结构装配误差容限远小于金属结构，固化变形使复合材料装配难度显著增加，已导致大型民机装配时间大幅延长，成本显著攀升，严重阻碍了复合材料在未来航空结构中的大规模应用。目前虽然对固化变形问题开展了大量工作，但系统研究固化过程中材料性能变化及各因素影响过程的报道较少，难以对固化变形进行精准预测。因此，研究固化过程材料本征性能变化，通过实验系统分析各因素对固化变形的作用机理，对提高固化变形预报水平具有重要意义。本文选取碳纤维/环氧树脂预浸料为研究对象，分析了预浸料的固化度-相转变-力学性能演变规律；针对降温阶段热变形、固化阶段化学收缩、固化阶段模具作用及其他影响因素的作用过程展开了实验研究。采用便于埋置的FBG（Fiber Bragg Grating）传感器，对各因素的关键参数进行测试；选取平板、L型或 C型试样，分析了各因素对固化变形的影响机理。主要研究工作和结论如下： 通过建立固化动力学唯象模型、相转变模型和树脂弹性模量预报模型，准确预测了固化过程中的固化度变化、相转变点和树脂弹性模量变化。结果表明，在第二恒温阶段末期，固化反应基本结束，固化度不再增加。凝胶化和玻璃化转变均产生于第二恒温阶段。因此，热变形主要作用于降温阶段，化学收缩和模具主要作用于固化阶段。 分别选取非对称铺层平板试样和单向铺层 L型试样，采用回温法和中止固化法，研究了降温阶段复合材料翘曲和回弹两种典型热变形方式。结果表明，非对称铺层翘曲变形主要由不同纤维层之间的面内热变形差异产生，固化过程中的翘曲变形可根据玻璃化转变温度下的热变形进行预测。L型试样的热回弹角可根据面内和面外热膨胀系数差异进行预测。此外，L型试样存在显著的非热回弹角，本文后续采用碳纤维模具成型的单曲率 C型试样对化学收缩作用进行了分析。 开发了一种通过监测凝胶点和玻璃化点，测定有效化学收缩率的切尾 FBG监测法。相比传统方法，该方法测试的有效化学收缩率更适用于预测碳纤维模具成型C型试样的回弹角。采用中止固化法研究了固化过程中化学收缩对C型试样回弹变形的贡献。结果表明，复合材料有效化学收缩行为具有横观各向同性特点，固化过程中 C型试样回弹变形可根据有效化学收缩回弹和玻璃化转变温度之下的热回弹进行预测。 采用改进的FBG局部预固化定位技术监测了平板和U型试样固化过程中不同厚度纤维层内的应变变化，结合剪切拉伸测试分析了面内模具作用和构型约束作用的形成过程。采用 L型、U型和口型模具重点讨论了模具构型约束对固化变形的影响。结果表明，面内模具作用沿长度方向具有累积效应，预浸料层间滑移是翘曲变形的主要原因；而构型约束产生的模具作用沿长度方向无累积效应，压实引起的应力放松和层间滑移是翘曲变形的主要原因。且构型约束作用会使固化后拐角部位回弹变形显著增加。 最后，本文研究了大型构件生产中可能出现的模具温度滞后效应、褶皱缺陷以及搭接方式对固化变形的影响。采用切尾FBG法对温度滞后引起的凝胶不同步现象进行监测发现，固化不同步引起的有效化学收缩应变梯度是产生残余应力和翘曲变形的主要原因。拐角部位褶皱缺陷会减小回弹变形。搭接方式会影响升温过程中模具作用的传递途径，进而影响固化变形。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 复合材料热压罐固化工艺

1.3 预浸料固化度-相转变-力学性能演变的研究现状

1.4 复合材料固化变形成因及其研究现状

1.5FBG固化监测技术研究现状

1.6 主要研究内容及结构安排

第2章 预浸料固化度-相转变-力学性能演化研究

2.1引言

2.2固化动力学行为分析

2.3 固化过程相转变行为分析

2.4 材料力学性能变化分析

2.5 本章小结

第3章 降温阶段热变形对固化变形的影响研究

3.1 引言

3.2 热膨胀系数的测定

3.3 非对称铺层平板翘曲变形预测

3.4 基于中止固化法的非对称铺层平板翘曲行为分析

3.5L型试件热回弹行为分析

3.6 本章小结

第4章 固化阶段化学收缩对固化变形的影响研究

4.1 引言

4.2 切尾FBG法测试有效化学收缩率

4.3TMA法/双层梁法测试化学收缩率

4.4C型试样固化回弹角预测

4.5 基于中止固化法的C型试样化学收缩回弹行为分析

4.6 本章小结

第5章 固化过程模具作用对固化变形的影响研究

5.1 引言

5.2 预浸料层间和模具界面处滑移作用表征

5.3 基于FBG的固化过程模具作用分析

5.4 模具作用对复合材料固化变形量的影响

5.5 模具作用对L型试样回温过程回弹行为影响分析

5.6 本章小结

第6章 其他因素对固化变形的影响研究

6.1 引言

6.2 模具非均匀温度场的影响过程分析

6.3褶皱缺陷对L型试样回弹变形的影响

6.4 预浸料断层搭接方式对口型试样回弹变形影响

6.5 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

博士期间发表学术成果