连续纤维增强热塑性复合材料浸渍模拟及优化研究

摘要

熔融浸渍工艺是目前国内外制备连续纤维增强热塑性复合材料的主流技术之一，该工艺的主要难点在于如何使高黏度的树脂熔体能够很好的浸润到纤维表面，实现纤维和树脂之间的良好结合。为解决这一难题，国内外针对该工艺的浸渍模拟和优化进行了大量的研究，其中，纤维束和浸渍辊之间的楔形区被公认为是实现熔体浸渍到纤维束中的关键区域，成了主要的研究热点。但由于该区域的“黑匣子”特性，大部分研究更多的只是结合经验公式进行间接的模拟研究，无法准确描述该区域和纤维束浸渍程度的关系。
　　本文利用实验室自行研发的辊系熔融浸渍设备，采用实验设计方法(DOE)进行连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料熔融浸渍工艺的初步工艺实验研究，建立主要工艺参数（加工温度、牵引速度、浸渍辊数）和浸渍程度关系的经验模型。
　　将雷诺方程和达西定律相结合，建立了楔形区熔体压力与浸渍工艺参数之间的理论模型，采用有限差分法理论计算了楔形区的压力分布，并在此基础上建立了楔形区熔体浸渍纤维束的效率评价体系，计算分析了主要工艺参数对纤维束浸渍程度的影响规律，实验结果验证了理论计算模型的准确性。进一步深入分析了模具结构参数和各项工艺参数对楔形区纤维束浸渍效率及纤维束浸渍程度的影响规律。结果表明:牵引速度加快，熔体黏度升高、浸渍辊半径减小，楔形区内熔体对纤维束的浸渍效率降低;纤维束的浸渍程度随着牵引速度的降低，加工温度的升高，浸渍辊数的增加而增大;浸渍辊半径增大，辊间距减小可以增大纤维束和浸渍辊之间的包覆角，使纤维束分散展宽变大，从而有利于提升纤维束的浸渍程度。
　　为了提升树脂对纤维的浸润性，提高纤维和树脂之间的界面结合强度，本文利用纳米SiO2颗粒修饰玻璃纤维表面，协调PP-g-MAH的增容作用，有效改善了纤维和树脂之间的界面结合，明显提高了复合材料的力学性能。改性后复合材料的孔隙率降低了59.88％，层间剪切强度提高了116.06％，拉伸强度提高了109.14％，弯曲强度提高了99.85％，冲击强度提高了116.70％。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 纤维增强树脂基复合材料发展

1．1．2 纤维增强热塑性复合材料发展

1．2 连续纤维增强热塑性复合材料的制备成型技术

1．2．1 连续纤维增强热塑性复合材料的浸渍工艺

1．2．2 连续纤维增强热塑性复合材料的成型技术

1．3 连续纤维增强热望性复合材料熔融浸渍理论研究进展

1．3．1 连续纤维增强热塑性复合材料的熔融浸渍压力研究

1．3．2 连续纤维增强热塑性复合材料的熔融浸渍程度研究

1．4 纤维增强热塑性复合材料的界面研究

1．4．1 FRTP复合材料的界面特性

1．4．2 纤维增强热塑性复合材料的界面结合强度表征

1．4．3 纤维增强热塑性复合材料的界面结合优化

1．5 本课题主要研究内容和意义

1．5．1 本课题主要研究内容

1．5．2 本课题的研究目的和意义

第二章 熔融浸渍工艺参数对纤维束浸渍程度的影响

2．1 引言

2．2 实验方法和条件

2．2．1 实验工艺和设计

2．2．2 实验设备和材料

2．2．3 表征方法

2．3 实验结果分析与讨论

2．3．1 浸渍程度模型拟合及分析

2．3．2 加工温度对浸渍程度的影响

2．3．3 牵引速度对浸渍程度的影响

2．3．4 浸渍辊数对浸渍程度的影响

2．4 实验工艺参数优化

2．5 本章小结

第三章 熔融浸渍压力计算模型推导及求解分析

3．1 引言

3．2 浸渍压力计算模型推导

3．2．1 基本假设

3．2．2 计算模型推导

3．2．3 模型参数计算

3．3 浸渍压力计算模型求解

3．3．1 有限差分法基本原理

3．3．2 有限差分法计算方程

3．3．3 计算方程Matlab编程求解

3．4 模型计算结果分析

3．4．1 牵引速度对压力的影响

3．4．2 熔体黏度对压力的影响

3．4．3 纤维束厚度对压力的影响

3．4．4 纤维束孔隙率对压力的影响

3．4．5 浸渍辊半径对压力的影响

3．5 压力和工艺参数对浸渍的耦合作用

3．5．1 牵引速度对浸渍效率的影响

3．5．2 熔体黏度对浸渍效率的影响

3．5．3 浸渍辊半径对浸渍效率的影响

3．6 本章小结

第四章 熔融浸渍程度的理论计算及分析研究

4．1 引言

4．2 熔融浸渍程度理论计算方程

4．2．1 计算方程推导

4．2．2 方程参数确定

4．2．3 计算方程求解

4．3 理论方程计算验证及对比分析

4．3．1 加工温度对浸渍程度的影响

4．3．2 牵引速度对浸渍程度的影响

4．4 理论方程计算对结构设计的优化分析

4．4．1 辊间中心距对浸渍程度的影响

4．4．2 浸渍辊数对浸渍程度的影响

4．4．3 浸渍辊半径对浸渍程度的影响

4．5 本章小结

第五章 纤维增强热塑性复合材料界面结合优化研究

5．1 引言

5．2 实验方法和条件

5．2．1 工艺流程

5．2．2 实验设备和材料

5．2．3 实验方案

5．3 测试表征方法

5．3．1 SEM测试表征

5．3．2 预浸料孔隙率测试表征

5．3．3 层间剪切强度测试表征

5．3．4 力学性能测试表征

5．4 PP-g-MAH和纳米SiO2对纤维和树脂界面结合的优化

5．4．1 纳米SiO2对纤维表面的影响

5．4．2 PP-g-MAH和纳米SiO2对预浸料孔隙率的影响

5．4．3 PP-g-MAH和纳米SiO2对界面结合强度的影响

5．4．4 PP-g-MAH和纳米SiO2对材料力学性能的影响

5．5 本章小结

第六章 结论

6．1 全文总结

6．2 有待进一步解决的问题

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介