1o mm碳纤维复合材料管成型工艺及性能研究

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1、Φ1Omm碳纤维复合材料管成型工艺及性能研究赵锐霞尹亮潘玲英董波宇航材料工艺2012年第4期摘要:对外径为Φl0mm碳纤维复合材料管成型工艺及性能进行了研究。结果表明，采用热缩工艺成型的碳纤维复合材料管工艺简单、质量可靠，Φ10mm碳纤维复合材料管件弯曲刚度与不锈钢管相当，弯曲强度为不锈钢的3倍以上，质量仅为不锈钢的50％，尺寸精度满足设计要求。关键词:碳纤维复合材料管，成型工艺，性能0引言碳纤维增强复合材料(CFRP)杆、管结构是组成复合材料构件的一种典型单元，是航空航天器结构中常用的结构组件，大型卫星天线支架等大多采用CFRP圆管。CFRP管材成型一般采用纤维缠

2、绕、预浸料铺层、拉挤成型、热缩成型等工艺，针对不同结构形式及尺寸的复合材料管工艺及性能已有大量研究[1-4]，但对于小尺寸复合材料管，这些成型工艺方法都有一定的局限性。通过铺缠结合热缩成型工艺新技术，解决了小尺寸CFRP管的表面质量及尺寸精度问题。热缩工艺是采用热收缩带的热缩特性对复合材料施加均压。热收缩塑料是指某些聚合物分子经过电离辐射后，其分子键间形成化学键，由线性结构变成三维网状结构。将交联后的结晶高分子材料加热到其熔点以上则成为弹性体橡胶，在此状态下施加外力作用进行拉伸、扩张并迅速冷却，此拉伸状态就被保留下来。使用时只需将其加热至一定温度，依靠弹性作用又收缩

3、至扩张前状态[1-5]。本试验中选材主要依据：(1)热收缩带耐温满足复合材料的固化工艺要求；(2)固化过程中达到收缩压紧、改变复合材料表面状态的目的。本文研究的碳纤维复合材料管外径尺寸小(外径为Φl0mm)，且内径尺寸精度要求较高，根据设计要求对碳纤维复合材料管进行了结构设计，并对其成型工艺及其弯曲、剪切等性能进行研究。1实验1.1原材料MT300／603热熔法预浸料，航天材料及工艺研究所生产。1.2复合材料平板性能测试采用岛津国际贸易有限公司AG-X300kN型数控电子万能试验机进行，拉伸、压缩、弯曲、层剪性能分别按GB／T3354—1999、GB／T3856-2

4、005、GB／33356-1999、JC／T773-96进行测试1.3复合材料管性能测试采用ZEISSEVO60型扫描电镜观察试样微观形貌，扫描电压为20kV；采用GJB332A-2004进行平均线胀系数测试，试样长度取65mm；采用岛津国际贸易有限公司AG-X300kN型数控电子万能试验机进行，弯曲性能参照DqESJ23—200l测试，剪切性能在自制圆管扭转原理工装上测试，跨距320mm。2结果与讨论2.1MT300／603单向板性能根据卫星天线系统在轨工作环境温度-70～12O℃的要求，选用MT300／603热熔法预浸料，控制预浸料树脂含量(34±3)wt％，预

5、浸料挥发份含量≤1％，单向板性能见表1。2.2复合材料管结构设计碳纤维复合材料管以弯曲性能为主、满足与外径相同的不锈钢管结构刚度相当要求进行设计，两种材料参数见表2。天线支架主要受力状态为弯曲，受力类似简支梁，梁的弯曲刚度即梁抵抗弯曲变形的能力，工程中梁的刚度是用其位移控制的，梁的位移是伴随梁的弯曲变形所引起的横截面形心的竖直位移(挠度)与横截面绕中性轴转过的角度(转角)[6]。鉴于不锈钢管δ<0.1R，为薄壁圆管，按碳纤维复合材料管与不锈钢管等刚度设计要求，即碳纤维复合材料管挠度不大于不锈钢管，按挠度计算公式：式中，F-荷载；l-跨度；I-惯性矩。同等荷载、同等跨

6、距情况下，将表2参数代入，得碳纤维复合材料管壁厚δ>0.54mm。碳纤维复合材料管结构设计不但要满足性能要求，而且适应复合材料制造工艺水平，综合考虑碳纤维复合材料管表面质量状况及铺层工艺控制要求，返算后复合材料管壁δ取0.63mm。同时，对碳环氧管端部进行了局部加强设计，端部的加强可以弥补端部缺陷，降低端部碳纤维的曲屈，避免因应力集中引起端部失稳破坏，可以有效提高碳纤维复合材料薄壁管的轴向压缩强度[7]。2.3复合材料管成型工艺2.3.1复合材料管成型工艺方案碳纤维复合材料管采用预浸料铺层后缠绕热收缩带辅助成型，首先在钢芯模表面按铺层顺序铺放预浸料，然后在预浸料表面

7、直接缠绕热收缩带，最后整体一次固化成型，成型后进行长度加工，得到制品，具体流程见图1。2.3.2复合材料管铺层工艺碳纤维复合材料管铺层采用铺缠结合的方法，0。、90。采用搓管机进行铺覆，±45。采用预浸带缠绕方法，对铺层工艺来讲，单层预浸料的铺覆质量尤为关键，预浸料铺覆质量直接影响产品最终质量及性能，铺放过程需控制预浸料层间包裹的空气，铺覆后需要进行放气处理，避免在后续固化过程中因包裹空气造成局部疏松或鼓起现象；预浸带缠绕过程中需严格控制缠绕角度，避免因纤维屈曲而影响复合材料管最终力学性能。2.3.3复合材料管热收缩带工艺碳纤维复合材料管热收缩带采用在铺覆的预浸