长纤维增强热塑复合材料的性能研究

摘要

热塑性复合材料(Fiber Reinforced Thermoplastics Composites，英文简称为FRTP)是以各种热塑树脂为基体，以玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维等各种增强纤维为增强材料的复合材料的总称。尤其是长纤维增强热塑性复合材料具有很多的优点，比如较高的耐冲击强度，较好的拉伸性能，较好的弯曲性能，生产周期短，可循环利用等。
　　 本文选择用环锭纺的纺纱方法来纺制包芯纱。芯纱采用高强、高模、耐高温的玄武岩纤维长丝，包缠纱采用已经制得的丙纶粗纱，最后制得丙纶纤维/玄武岩纤维包芯纱。通过对包芯纱的结构参数和力学性能进行分析，经反复实验确定了合适的芯纱张力状态后，制得的包芯纱强力较高，毛羽很少。
　　 本课题主要研究了三维机织物的结构，采用角联分层接结结构。此三维机织物的织造过程，主要包括确定穿综顺序，选择筘号，穿综，如何织造的工艺流程。还讨论了织造过程中出现的问题及解决的办法。
　　 复合工艺参数主要包括温度、压力和时间。实验表明：温度大于185℃时，树脂容易外溢，而且表层树脂颜色变暗。压力的大小影响纤维束之间的紧密结合、树脂在纤维束中的渗透、树脂在材料中的溢出，要根据织物的结构，树脂的温度等因素确定。最大压力以能够达到试样完全渗透时的厚度为限。由于树脂受力的衰减和纤维束孔隙率的减小，树脂在纤维束中的渗透是一个有限过程，延长浸渍时间不能保证树脂在纤维束中的完全渗透。
　　 本课题还主要对三维机织热塑性复合材料基本力学性能中的抗冲击性能、拉伸性能和孔隙率进行了测试和研究。研究结果表明，三维机织热塑复合材料预型件的结构、预型件的预拉伸工艺、复合成型工艺及复合材料孔隙率，都对复合材料的力学性能有着一定的影响。在此基础上建立了三维机织热塑复合材料的工艺.结构.性能之间的关系，为确定这种复合材料的合理生产工艺及提高复合质量提供了理论依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

学位论文的主要创新点

第一章 综述

1.1 热塑性复合材料的概况

1.2 长纤维增强热塑性复合材料的制备工艺

1.2.1 预浸工艺

1.2.2 成型工艺

1.3 混纤纱热塑复合材料的研发概况

1.3.1 国外对混纤纱热塑复合材料的研发进展

1.3.2 国内对混纤纱热塑复合材料的研发进展

1.4 本课题的研究意义和主要内容

1.4.1 本课题的研究意义

1.4.2 本课题的主要内容

1.5 课题研究的创新点

第二章 包芯纱的纺制

2.1 混纤纱的概述

2.2 选择纺制包芯纱的纤维

2.2.1 玄武岩纤维(basalt fiber)

2.2.2 丙纶纤维(polyproplene fiber,英文简称PP)

2.3 选择纺制包芯纱的方法

2.4 影响包芯纱性能的主要工艺参数

2.5 纺制丙纶粗纱的工序

2.5.1 开清棉

2.5.2 梳棉

2.5.3 并条

2.5.2 粗纱

2.6 纺制丙纶/玄武岩纤维包芯纱的细纱工序

2.6.1 实验设备和实验原料

2.6.2 工艺参数的设置

2.7 上机捻系数的选择过程

2.7.1 选用六个捻系数进行比较

2.7.2 不同捻系数下包芯纱强力测试与数据分析

2.8 包芯纱的结构参数和力学性能

本章小结

第三章 三维机织物及复合材料的制作

3.1 包芯纱的合股

3.1.1 包芯纱需要合股的原因

3.1.2 包芯纱合股后的断裂强力测试

3.1.3 包芯纱股线的特数和捻度

3.2 确定织物组织结构并画出组织图

3.2.1 三维机织物的组织结构

3.2.2 选择组织结构

3.2.3 三维织物组织图的绘制过程

3.3 织造三维机织预型件

3.4 制做热塑性复合材料

3.4.1 实验设备

3.4.2 试验方案

3.4.3 试验步骤

3.4.4 试验结果分析

本章小结

第四章 玄武岩纤维增强热塑复合材料的性能测试

4.1 拉伸性能实验

4.1.1 拉伸性能实验设备及方法

4.1.2 拉伸性能实验结果讨论

4.2 冲击强度实验

4.2.1 冲击实验设备及方法

4.2.2 冲击性能实验数据和分析

4.3 测定复合材料的孔隙率

4.3.1 复合材料实际密度的测定

4.3.2 测试复合材料的孔隙率

4.3.3 测试结果与分析

本章小结

第五章 结束语

5.1 本课题的结论

5.2 长纤维增强热塑性复合材料的研究存在的问题

5.3 应用前景展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢