碳纤维增强热塑性复合材料盒形件热冲压成型研究.pdf

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1、论坛FORUM碳纤维增强热塑性复合材料*盒形件热冲压成型研究11121韩宾，王宏，于杨惠文，周涛，张琦（1.西安交通大学机械工程学院，西安710049；2.西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，西安710049）[摘要]碳纤维增强热塑性复合材料型材传统成型工艺存在操作复杂、成型效率低、成本高、不适合大批量生产等问题，限制其在航空航天领域的大规模应用。为改善成型工艺，提出一种采用模具直接加热纤维增强复合材料板的热冲压成型方法，通过板料拉伸试验和盒形件热拉深成型试验，研究纤维铺向工艺参数以及分析成型过程中试件纤维变形，得出极限拉深深度及成

2、型极限剪切角。针对纤维编织复合材料盒形件热冲压成型，建议采用坯料纤维经纬方向与模具直边平行的放置方式。关键词：碳纤维增强热塑性复合材料；热冲压；盒形件；纤维铺向；剪切角DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2017.16.040随着航空航天事业的飞速发展，低成本、符合大批量生产的复合材料航空航天领域对先进材料的轻量化、成型新工艺。高性能、多功能及可设计性等需求目前，部分学者针对复合材料[1]不断提升。碳纤维增强复合材料板材热冲压成型技术开展了研究。[8]（CFRP）具有密度小、比强度高、比模Wakeman等进行了碳纤维复

3、合材量大、抗冲击性能好、可设计性强等料板材的热冲压试验，分析了冲压参优点，符合航空航天工业轻量化和高数对成型效果的影响，研究结果表性能的发展理念。与传统钢、铝材相明复合材料预热温度和初始固结程比，碳纤维复合材料的应用能够减轻度是影响成型效果的两个主要因素。[9]航空航天器结构重量的30%，在提高Alcock等针对高强度复合材料板航空航天器性能的同时，还能降低发进行热冲压直接成型，研究表明温度[2-4]射成本。和压力是成型的主要影响因素，并且[10]目前常用的复合材料成型工艺热冲压成型更加节省能源。Ji等韩宾固体力学博士、讲师,从事轻质多孔包

4、括手糊铺层、树脂传递模塑成型研究了压边力对复合材料热冲压成功能材料轻量化设计、复合材料变形理（RTM）、拉挤成型、模压成型、热压罐型的影响，发现增加压边力有助于改论及成型研究。[5-6]成型、模塑成型等。然而，这些传善球形制件的不对称纤维剪切变形统成型工艺或操作复杂、成型效率情况以及预防褶皱。低、制造成本高，或依赖于独立的预本文提出一种采用模具直接加浸过程，无法满足航空工业对复杂型热纤维增强复合材料板的热冲压成*基金项目：国家自然科学基金面上项材大批量、低成本的工业化生产需型方法，通过直接加热模具将复合材目（51375369）；中国博士后科

5、学基金项目要，一定程度限制了复合材料的大规料板材与模具接触区域加热软化，并（2016M600782）；陕西省博士后科学基金项目[7]（2016BSHYDZZ18）。模应用。因此，亟需提出能够高效、随着冲头运动逐步成型。针对纤维40航空制造技术·2017年第16期MouldingTechnologyforComposites复合材料成型技术编织复合材料板材热冲压成型中的下拉伸试样的真实应力-真实应变由公式（3）、（4）可以看出，碳纤拉深工艺，研究坯料纤维方向与模具曲线，见图1。纤维本身性能对温度维编织复合材料斜拉伸过程中，纤维直边分别成0°和

6、45°的盒形件拉不敏感，但树脂处于热成型温度下会剪切角和中心宽度均是拉伸位移的深成型过程，并分析不同纤维铺向下发生软化，且纤维模量远大于基体，函数。的变形机制。因此不同温度下树脂的软化程度对图3为不同温度（110~150℃）应力应变曲线并没有明显影响。下斜拉伸试验的应力-应变曲线。热冲压成型方法2碳纤维复合材料板斜拉伸性能拉伸至应变为0.4时，试件均未发生碳纤维编织热塑性复合材料板测试断裂。对比单向拉伸试验结果可知，是由编织碳纤维增强体和树脂基体在单向拉伸材料测试试验基础试件在沿纤维θ=45°的延展性远高复合而成。热冲压成型过程中，板料上，

7、针对不同成型温度下的复合材料于沿纤维方向，这是由于斜拉伸下板将会被加热至成型温度，基体树脂会板料进行斜拉伸试验研究。图2所内纤维以剪切变形为主导致。由于发生一定程度的软化，使得树脂与纤示为斜拉伸试验中板料内部编织纤试验温度高于PC/ABS树脂的转化维之间约束下降。在外力作用下纤维布的变形几何原理。本文试件纤温度，树脂软化程度足以使编织纤维维束间通过相互挤压和面内剪切变维方向与拉伸方向夹角为θ=45°。在其中自由移动发生剪切变形，因此形来适应曲面曲率变化，与此同时受由图2中几何关系可以得出斜试件的伸长率较高，且应力应变关系热软化的树脂基体随纤

8、维布流动并拉伸过程中纤维剪切角变化关系式：表现出显著的非线性特征。不同温及时填补纤维变形引入的材料空隙，γ=π−2θ（1）度下树脂软化程度对板料内部纤维2从而获得一个相对稳定的状