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时间:2019-11-27
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1、复合材料世界热塑性复合材料在航空航天中的应用ThermoplasticCompositesforAerospaceApplicationsUdayVaidya热塑性复合材料在航空航天领域迅速发展,如航博士、讲座教授伯明翰Alabama大学空和导弹防御中的应用。热塑性复合材料具有重量材料工艺与应用发展中心材料科学与工程主任轻、高比模量和强度、设计自由度高、易加工和可回收的优点。本文介绍了伯明翰阿拉巴马大学(UAB)在航空航天用不连续或连续碳纤维热塑性复合材料最热塑性复合材料由不连续/连续近的研究工作,包括电子产品外壳的复杂基板、配载纤维增强(如碳纤维、玻璃纤维或芳门、罩片和结构承重构件。所使
2、用的工艺包括挤压压纶纤维)热塑性树脂(如聚酰胺(PA)、缩、纤维注射、变截面板和真空成型,大大缩短了制备聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)周期。等)构成。热塑性树脂的热结构具有可逆性,当温度高于其玻璃转变温度时软化,而当温度低于该温度时固成商还没有发现在材料/加工/性能连续纤维、连续纤维和混合纤维(包化。综合性能足以取代铝和钛等传统各括不连续和连续纤维)。这对该材料热塑性树脂的优点包括:重量向同性金属的材料。从历史上看,热提供了非常宽的设计空间,以生产成轻、成本低、高比强度和硬度、增强振塑性塑料包括纤维增强材料是难以本效益、结构和性能综合优化的航空动阻尼和声音衰减、增强冲击损伤容加工
3、。历史上,热塑性复合材料当包航天产品图1为先进热塑性复合材限(动能吸收)、设计自由度高、能够模括纤维增强体时被认为很难加工。料典型代表,包括球、带、织物及合成塑成型复杂几何形状和结构、优良的近年来,热塑性复合材料快速剪切和断裂强度、可调的导热性、可发展,出现了很多新型热塑性复合材回收性、具有电磁屏蔽能力、在恶劣料,但是应用仍然非常有限。随着先环境和无害环境的稳定性/耐久性。进设计技术和高性能纤维增强热塑热塑性复合材料为有限和批量生产性聚合物制备技术的发展,该材料越航天航空结构件提供了非常灵活和来越有前途。高性价比制备过程,如弹道套、支架、碳纤维热塑性复合材料越来越底座电子板、地面材料、电网
4、鳍、翅优于传统的金属合金如铝合金和钛膀、整流罩、天线、发动机进气口和装合金。同样,碳纤维热固性环氧树载门。脂复合材料在减少重量的同时也具有优异的比模量、比强度和抗冲击性有前途的复合材料能。应用于航空航天领域的热塑性图1先进热塑性复合材料典型代表,包目前,航空航天领域设计者和集复合材料,其结构一般分为3种:不括球、带、织物及合成物2015年第14期·航空制造技术69复合材料世界物。177℃。这些部件都是从概念到原型工程热塑性树脂如PEEK、PEK通过挤压压缩和纤维注塑成型加工。和PPS已经成功应用于航空航天领孔、凹口和切口的后处理的机械加工域。然而,它们的高温处理需要昂贵性如图3所示。该热塑
5、性复合材料的高压釜,限制了其在更高端领域的解决方案满足设计要求。应用。碳纤维增强体的出现为制备薄壁壳体的微观结构如图4航空航天新产品提供可能。热塑性所示。基体燃烧试验表明所有的聚合物复合材料是熔融加工以产生位置,包括尖角、台阶和法兰,显示中间复合形式,如粒料和胶带,这些相对均匀的纤维分布(质量分数为可以在下游加工成高性能的结构。(a)基板装配32%~37%)。没有发现明显的孔和缺在热熔过程中,纤维束(碳纤陷,显示充分的结合和物质流。图4维、玻璃纤维、芳纶纤维等)被浸入中弯曲部分、尖角、法兰和台阶处的PEEK、PPS、PEK热塑性树脂中。用微观结构表明物质流和结合在所有于航空航天零部件制备工
6、艺主要包位置被优化了。括:挤压成型、长纤维注射成型、热塑例2:碳纤维LFT材料和挤压成性拉挤,以及薄板冲裁、放置和冲压。型工艺被用于制备航空电子复杂构通过热熔融浸渍制备的长纤维热塑(LFT)粒料被注射成型,挤出压缩模或以其他方式处理。在LFT中,纤维长径比(纤维长度/纤维直径)(b)飞机气动外壳装配高达2000,因此在承载过程中,能够图22块基板由铰接装配,飞机气动外壳由4块扇形组成实现90%以上连续纤维强度。在热熔浸渍材料中的纤维含量能够达到脂薄壁零件已经有很多研究,然而,10%~70%(重量比)。纤维含量越高,很少有研究报道碳纤维增强薄壁LFT制备产品的强度和刚度越高。热塑性复合材料构
7、件/壳。碳纤维增在挤压成型过程中,热熔浸渍颗强热塑树脂由于碳纤维高热导率导粒送入压塑机(低剪切挤出机)产生致其接触金属模具表面时迅速冷却,图3碳纤维LFT成型复合材料中孔、切边及开槽口的可加工性能的中间形式,也就是粘性聚合物熔体由于材料流动期间冷固层(接触模具和纤维优先在螺杆径向方向取向的冷壁)与熔融芯层的高比率,导致薄过程;然后放入封闭的空腔模具(金壁LFT碳纤维增强热塑性复合材料属模具)中以生产复杂形状的零件。(厚度
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