碳纤维编织复合材料筋材的制备与性能分析

摘要

碳纤维增强树脂基(Carbon Fiber reinforced Polymer，CFRP)复合材料筋材与钢筋相比具有质量轻、耐腐蚀性能好、比刚度、比强度大、施工简便以及优异的力学性能等特点，在桥梁建筑、土木工程等领域得到越来越广泛的应用。
　　本课题以碳纤维增强环氧树脂基复合材料筋材的制备为基础，系统研究了环氧树脂的固化反应制度，获得了连续树脂传递模塑(Continuous Resin TransferMolding，CRTM)成型工艺的关键控制参数，制备了单向碳纤维复合材料筋材，验证了CRTM工艺的可行性;在此基础上，建立了连续编织-树脂模塑工艺方法，设计并制备了直径为5mm，编织角分别为30°、40°和50°的碳纤维编织复合材料筋材。通过对以上碳纤维复合材料筋材进行三点弯曲试验、压缩试验、剪切试验以及扭转试验，研究分析了试验温度、成型工艺以及编织角对碳纤维复合材料筋材性能的影响。得出以下结论:
　　(1)对所选用的CP-02A/B环氧树脂进行粘温测试和DSC测试，并对得出的数据进行分析，初步确定了此树脂体系的注胶温度为55℃～60℃，粘胶温度为98.9℃，固化温度为121.3℃，后处理温度为134℃，以此为理论基础制定了模具的三区温度。通过前期的实验工艺验证，得到本次实验的CRTM成型工艺参数如下：模具三区温度依次为，130℃，160℃，180℃;注胶温度为55℃，注胶压力为0.2MPa，拉挤速度为0.3m/min。
　　(2)以树脂基体的玻璃化转变温度Tg=183℃为依据，分别选取25℃、70℃和150℃三个温度，研究了单向复合材料的弯曲和压缩性能。实验结果表明，随着试验温度的升高，单向复合材料筋材的弯曲强度和压缩强度都逐有所降低。这与碳纤维与环氧树脂的热膨胀系数不同，从而使得温度升高时碳纤维与环氧树脂之间结合变差有关。
　　(3)当纤维体积含量和试样直径一定时，传统拉挤成型工艺制备的试样比CRTM成型工艺制备的单向复合材料筋材的弯曲强度和抗扭强度分别增加了11.11％和8.18％，剪切强度和压缩强度分别减小了1.59％和1.72％;但是CRTM制备试样的变异系数却有了较为显著的降低。综上所述，在本实验范围内采用CRTM成型工艺能够有效地降低实验数据的离散性，极大地提高测试结果的稳定性。
　　(4)编织角对复合材料的力学性能有重要的影响。编织复合材料筋材的弯曲强度随编织角的增加而减小，压缩强度随编织角的增加先增加后减小，剪切强度与抗扭强度随编织角的增加而增加。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 复合材料成型工艺概述

1．2．1 传统拉挤成型工艺

1．2．2 树脂传递模塑成型工艺

1．2．3 连续树脂传递模塑成型工艺

1．3 二维编织复合材料

1．4 复合材料筋材国内外研究现状

1．4．1 复合材料筋材国外的研究现状

1．4．2 复合材料筋材国内的研究现状

1．5 本文研究的目的、意义及主要研究内容

1．5．1 研究的目的与意义

1．5．2 主要研究内容

第二章 实验部分

2．1 引言

2．2 实验原材料

2．3 复合材料筋材制备的主要设备

2．3．1 二维编织机

2．3．2 液压拉挤机

2．3．3 注胶系统

2．3．4 注射模具

2．3．5 成型模具

2．4 CRTM成型工艺参数

2．4．1 树脂粘度与温度

2．4．2 注射压力

2．4．3 预制件的压缩量

2．4．4 模具温度

2．4．5 拉挤速度

2．5 碳纤维复合材料筋材制备的实验方案

2．5．1 单向碳纤维复合材料筋材的制备

2．5．2 碳纤维编织复合材料筋材的制备

2．6 分析测试方法

2．6．1 动态力学性能分析(DMA)测试

2．6．2 高温性能测试

2．6．3 弯曲性能测试

2．6．4 压缩性能测试

2．6．5 剪切性能测试

2．6．6 扭转性能测试

2．7 本章小结

第三章 单向复合材料筋材力学性能分析

3．1 单向复合材料筋材的动态力学性能分析

3．2 单向复合材料筋材的弯曲力学性能分析

3．3 单向复合材料筋材的压缩力学性能分析

3．4 单向复合材料筋材的剪切力学性能分析

3．5 单向复合材料筋材的扭转力学性能分析

3．6 本章小结

第四章 编织复合材料筋材力学性能分析

4．1 编织复合材料筋材的弯曲力学性能分析

4．2 编织复合材料筋材的压缩力学性能分析

4．3 编织复合材料筋材的剪切力学性能分析

4．4 编织复合材料筋材的扭转力学性能分析

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 本课题的主要结论

5．2 本课题的工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢