碳纖維纏繞方管的力學性能研究

  纖維纏繞成型與其他成型方法比較,具有下述特點:纖維伸直和按規定方向排列的整齊和精確度高于其他任何工藝方法,制品能充分發揮纖維的強度,因此比強度和比剛度均較高。纏繞工藝的機械化程度比較高,可以成型各種尺寸的制品,而且制品質量較好,生產效率也較高。目前纏繞成型工藝主要用于纏繞兩端帶封頭的圓柱形、球形及某些外凸型回轉體容器等。

  基于碳纖維樹脂基復合材料方桿的可設計性和輕量化,且能承受高載荷和強振動,已經發展成為衛星、運載等高端科技領域的主承力結構件之一。由于方桿結構不是嚴格的回轉體結構,小角度纏繞過程中,更容易出現紗線滑移、線型不均等問題。本文通過改進工裝結構,完善小角度纏繞的工藝參數,實現方桿的全纏繞成型。并對比傳統方法,驗證全纏繞成型方桿的質量穩定性和性能優越性。

碳纖維方管

  增強材料選取高模量碳纖維,拉伸強度≥3500MPa,拉伸模量≥500GPa,延伸率≈0.7%。 基體材料選取改性的AG-80環氧樹脂體系。采用全纏繞法制備三組試驗件,90°采用環向纏繞,±45°、±2°、±4°和±6°均采用螺旋纏繞,其中±2°、±4°和±6°纏繞過程中須借助輔助工裝,保證纖維纏繞線型穩定。三組試驗件分別纏繞不同的角度(±2°、±4°、±6°),用于對比不同纏繞角試驗件的力學性能變化。

  在相同鋪層纏繞角度的試驗件中,采用全纏繞法制備的試驗件的拉伸性能普遍優于采用傳統法制備的試驗件。2#試樣采用全纏繞法,纏繞角為±45°/±4°/90°/(±4°)2/ 90°/±4°/±45°,4#試樣采用傳統法,纏繞角為±45°/ (0°)2/90°/(0°)4/90°/(0°)2/±45°,從數據可以看出,2#試樣和4#試樣的拉伸性能基本相當,說明采用±4°纏繞可以達到采用0°鋪層一樣的效果。1#試樣和2#試樣均采用全纏繞法,2#試樣拉伸性能優于1#試樣。試驗結果表明,全纏繞法比傳統法制備的方桿的纖維力學性能利用率高,采用±4°纏繞代替0°鋪層是最好的一種方法。

碳纖維方管

  采用全纏繞法制備的方桿試驗件比傳統法制備的彎曲強度的離散系數小。在傳統法制備的試驗件中,0°鋪層的試樣比其他角度鋪層的試樣離散系數小,說明0°鋪層的工藝性更優。全纏繞法制備的試驗件中,±4°纏繞的試樣的離散系數為2.8%,比±2°和±6°纏繞的試樣都小,說明±4°纏繞的工藝性最好。總體來看,全纏繞法制備的方桿的質量穩定性較好,且±4°纏繞的方桿質量穩定性比其他纏繞角度的方桿更好。

  全纏繞法制備的方桿試驗件的力學性能和質量穩定性均優于傳統法,在全纏繞法制備的方桿中,采用4°纏繞的方桿工藝性和力學性能更優。總之,在 工藝性和力學性能方面,全纏繞法比傳統法更優越,采用4°纏繞的方桿拉伸強度和模量分別為899.74 MPa和235.22GPa、彎曲強度和模量分別為823.57 MPa和220.22CPa、離散系數為2.8%,是代替0°鋪層的最佳選擇。

 

  閱讀延伸:《碳纖維方管模壓成型流程與工藝特點簡析