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短切碳纤维增强聚醚醚酮复合材料仪器支架 材料/结构/制造一体化设计

日期:2023年04月15日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:340
论文价格:150元/篇 论文编号:lw202304121421253517 论文字数:38566 所属栏目:工程硕士论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇工程硕士论文,本文的研究对象为聚醚醚酮基纳米复合材料,主要包括石墨烯增强PEEK复合材料、氨基化碳纳米管增强PEEK复合材料和短碳纤维增强PEEK复合材料的力学性能和动态力学性能的研究以及典型支架结构优化设计与制备的研究,完成了热塑性复合材料的材料-结构-制备一体化设计。

1  绪论

1.1  研究背景及意义

随着以飞行器为代表的高端装备的快速发展,人们对工程材料的需求不断提高,传统的单一功能材料已经远远不能满足高强、轻质、抗振等多方面结构设计需求。伴随新材料和新技术的不断进步,先进复合材料以其优越的材料属性以及结构、功能的可设计性,成为众多高端技术行业的首选材料之一[1]。例如,复合材料在波音与空客飞机上的应用逐年增长[7],在很多非主承力构件的设计中已经取代铝合金等金属材料结构件,并开始面向主承力结构中发展,如图1.1和图1.2所示。其中,树脂基复合材料以其高比刚度和高比强度而被广泛应用于航空航天等领域。目前,在航空航天等领域应用较多的是热固性复合材料,但其加工成本高、环境污染严重、耐冲击损伤较弱,极大地限制了其在新一代航空飞行器中的应用。相比于热固性复合材料的三维网络状结构,热塑性基体的分子结构呈线状,其拥有更好的韧性、抗冲击和抗损伤能力[4]。另外,热塑性复合材料还具有易加工、高比强度和可回收性等优势[5],从而受到航空航天等领域的广泛关注。热塑性复合材料独有的物理成型过程使其成型更便捷,可实现复杂结构制备。除此之外,热塑性复合材料具备组合材料的多种材料性能,经过多层次设计和优化,可具备全新的性能和功能。而随之带来的材料界面和多尺度,也成为了热塑性复合材料的研究基础、研究热点与发展方向[2,3]。

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1.2  纳米增强热塑性复合材料研究现状

在碳纤维(CF)获得巨大成功后,科学家们继续探索碳基材料的世界。由于sp、sp2和sp3的杂化能力,碳具有多种同素异形体和多种维数的结构,是一种高度通用的元素。自20世纪80年代中期以来,特别是在富勒烯(C60)、碳纳米管(CNTs)和石墨烯(GNP)的发现之后,碳基材料引起了世界范围内的广泛关注。它们特殊的多功能性为设计全新的和改善现有材料的性能提供了机会。此外,碳基材料在能源、环境、生物、医学等领域具有广泛的应用价值,吸引了大量学者开展相关研究,包括聚合物基复合材料。2020 NASA Technology Taxonomy中[9]所列出的重要轻质结构材料包括纳米材料、聚合物基复合材料等。

以GNP[10]和CNTs[11]为代表的纳米材料具有的超高模量和强度,并且在力学性能[12]、电学性能[13]和热学性能[14]等方面表现优异,通常被用作增强剂以改善不同树脂基体的各种性能。尤其在航空航天工业领域中,纳米纤维/聚合物复合材料的应用越来越广。其中,CNTs是目前研究最多的聚合物纳米级增强材料之一,因为它本质上是具有无缺陷结构的纳米碳纤维。碳纳米管(CNT)最早出现在Radushkevich和Lukyanovich[15]中,但直到Iijima[11]的文章,CNTs才引起了材料科学界的兴趣,成为一个深入研究的课题。根据Web of Science的统计,从1991年开始,其期刊发文量逐渐增加。CNTs的纳米结构表现出各种非凡的性能,如在力学性能方面,其刚度(1 TPa)和强度(50 GPa)都优于碳纤维[16]。

2  纳米增强PEEK复合材料制备及性能研究

2.1  实验原料和仪器设备

本文中针对PEEK基纳米增强复合材料开展相关研究,因此所采用的热塑性基体均为PEEK,纳米增强材料分别为石墨烯(GNP)、氨基化碳纳米管(CNT-NH2)和短碳纤维(SCF)。下文中将对上述复合材料制备材料及相关仪器设备开展详细介绍。

2.1.1  实验原料

本文中采用的PEEK来自于吉林省中研高分子材料股份有限公司,牌号为ZYPEEK® 550PF,其基本物理性质如表2.1所示。用于增强的纳米材料,石墨烯、氨基化碳纳米管和短碳纤维的基本信息表2.2所示。

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2.2  PEEK复合材料制备工艺及测试方法

2.2.1  PEEK板材制备工艺

PEEK板材制备工艺流程主要分为预处理、试样预压、试样热压和脱模四部分,具体步骤如下:

1) 预处理:使用电子天平称取定量的PEEK粉末,将400 ml无水乙醇加入到PEEK粉末所在烧杯中,磁力搅拌2小时,搅拌速率2000 r/min。然后通过抽滤除去乙醇,得到PEEK粉末,放入真空干燥箱,在100℃和真空条件下烘干,备用。预处理流程如图2.1所示。

2) 试样预压:清理模具表面的杂质并检查模具状态,将上下模具贴上聚酰亚胺薄膜,取烘干后的PEEK粉末,均匀倒入清洗干净的模具中,轻轻压实,并完成模具装配。进行试样预压,预压压力5.5 MPa。

3) 试样热压:启动热压机,设置温度参数,升温加热模具。PEEK的热压工艺参数如图2.2所示。具体来说,升温阶段,从室温到400 ℃,施加0.1 MPa接触压力;保温保压阶段,在400 ℃保持10 min,然后施加2.5 MPa热压压力,继续保持30 min;降温阶段,自然冷却。图2.3为热压中的PEEK复合材料。

4) 脱模:PEEK的玻璃态转换温度为143 ℃,因此待模具自然降温至143 ℃以下,大约130 ℃进行脱模,即可得到PEEK板材。

3 短切碳纤维增强PEEK复合材料制备及性能研究 .......................... 33

3.1 SCF对PEEK复合材料力学性能的影响研究 ..................... 33

3.1.1 SCF/PEEK复合材料的制备 .................................. 33

3.1.2 SCF/PEEK复合材料的实验表征 ......................... 34

4 热塑性复合材料典型支架结构优化设计与制备 .................................. 44

4.1 典型支架结构数值仿真与分析 ..................................... 44

4.1.1 支架结构数值模型介绍 ...................................... 44

4.1.2 仿真结果分析 ............................................. 46

5 结论与展望 ......................... 59

5.1 结论 .................................... 59

5.2 展望 ...................... 60

4  热塑性复合材料典型支架结构优化设计与制备

4.1  典型支架结构数值仿真与分析

4.1.1  支架结构数值模型介绍

某仪器安装支架由三部分组成,左右两侧分别是一个固定支架结构,与中间的设备连接板相连,基于商业有限元软件进行仿真计算,分析模型如图4.1所示。实际工程中两个仪器设备分别使用四个螺栓安装在中间的连接板上,仿真分析和优化设计时简化为两个带质量的参考点,与安装孔进行耦合,设备连接板结构如图4.2所示。另外,模型的具体仿真分析条件如下:

1) 材料属性:设备连接板的材料为7050-T7451,支架初始总质量为0.0698 kg;两侧固定支架结构的材料为2024-O-T42。模型分析所用具体材料属性如表4.1所示;

2) 边界条件:两个固定支架结构的三个侧面区域为固支边界条件,如图4.1中的固定边界1和2所示;

3) 网格单元:高阶四面体单元单元类型为C3D10,共包含393636个节点和211582个单元;

4) 相互作用:设备连接板的左边界和右边界与两个固定支架结构相接触的部分采用Tie连接进行约束;另外,在设备连接板的1号设备质心位置(5570.0715 mm,-527.5385 mm,-768.0435 mm)添加质量为4.3875 kg的参考点,在2号设备质心位置(5644.4785 mm,-522.3305 mm,-794.113 mm)添加质量为0.17 kg的参考点。如图4.1所示。

5) 载荷工况:共包含六种计算条件。载荷方向分别为+X、-X、+Y、-Y、+Z和-Z六个方向,每个方向的惯性载荷系数分别为1.5、9.0、4.1、7.5、3.0和3.0。在仿真分析时通过施加重力载荷进行计算。

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5  结论与展望

5.1  结论

本文的研究对象为聚醚醚酮基纳米复合材料,主要包括石墨烯增强PEEK复合材料、氨基化碳纳米管增强PEEK复合材料和短碳纤维增强PEEK复合材料的力学性能和动态力学性能的研究以及典型支架结构优化设计与制备的研究,完成了热塑性复合材料的材料-结构-制备一体化设计。得出以下结论;

(1) 采用热压成型工艺制备了纳米材料增强PEEK复合材料,开展不同含量、不同种类的纳米材料对PEEK材料的力学性能和动态力学性能影响规律的研究。结果表明:

① GNP在增强PEEK的刚度和动态力学性能的同时削弱了PEEK的强度和韧性,随着GNP含量的增加,GNP/PEEK复合材料的拉伸模量整体呈增加趋势,拉伸强度和断裂伸长整体呈下滑趋势,GNP含量超过5wt%后都基本收敛,储能模量和损耗模量在整个温度域上均呈增加趋势,相比于纯PEEK材料,GNP含量5wt%的GNPs/PEEK纳米复合材料的模量提升了14.49%,而强度和断裂伸长率分别降低了32.81%和85.79%。

② 随着CNT-NH2含