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復(fù)合材料常常是各項(xiàng)異性材料,其設(shè)計(jì)分析方法與金屬材料不同。復(fù)合材料的各項(xiàng)異性性能導(dǎo)致其與金屬材料性能測(cè)試方法的差異。復(fù)合材與其說(shuō)是材料不如說(shuō)是結(jié)構(gòu)更確切,它的性能與樹脂基體、增強(qiáng)材料、工藝條件、存放時(shí)間和環(huán)境有多種因素有關(guān)。在進(jìn)行復(fù)合材料設(shè)計(jì)工作之前對(duì)原材料性能進(jìn)行測(cè)試是非常必要的,復(fù)合材料性能測(cè)試是材料選擇,評(píng)價(jià)增強(qiáng)材料、樹脂基體、界面性能、成型工藝條件和制造技術(shù)水平,以及制品設(shè)計(jì)的依據(jù)。
一、單向纖維復(fù)合材料平板
單向復(fù)合材料的彈性性能有0度、90度、45度方向的拉伸、壓縮性能表征,纖維與樹脂之間界面性能由彎曲及層間剪切試驗(yàn)表征。為評(píng)價(jià)材料性能,根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的具體要求,完成單向纖維復(fù)合材料平板的制作,再將纖維復(fù)合材料平板加工成各項(xiàng)試驗(yàn)方法要求的試樣尺寸和數(shù)量。
1、單向纖維復(fù)合材料平板的制作
纏繞法是使從紗架上引出的纖維,依次通過(guò)張力器、膠槽、導(dǎo)紗輥、繞絲嘴,纏繞到芯模表面,最后固化成型。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定模板尺寸為270mm X 270mm,模板一次可纏繞制作兩塊平板(正反兩面),能夠加工拉伸、壓縮、彎曲、層間剪切等性能試驗(yàn)所需試件數(shù)量。制作平板用聚四氟乙烯布作為脫模片鋪覆在模具表面,不用脫模劑、預(yù)防脫模劑遷移到復(fù)合材料表面給粘接鋁片工序帶來(lái)困難。用少量硅酯使脫模片鋪覆在模具表面時(shí),能夠很好的展平,避免試件固化后表面不光滑。
纏繞過(guò)程中通過(guò)張力控制裝置調(diào)整每團(tuán)紗的張力,張力應(yīng)保持穩(wěn)定。纏繞速度不超過(guò)30r/min.工藝過(guò)程中可使膠槽加熱,降低樹脂粘度,提高樹脂對(duì)纖維的浸潤(rùn)性能。纖維應(yīng)均勻地分布在模具表面直至所需厚度,纏繞層數(shù)按下式計(jì)算。
纏繞結(jié)束后,放上、下壓板與厚度墊塊,預(yù)緊螺栓,放置2小時(shí)左右,使多余樹脂流出,均勻上緊螺栓,使模具上、下加壓板與墊塊接觸,用鋒利的刀片切斷芯模兩端的纖維,釋放纏繞張力,避免固化后板翹曲變形。但過(guò)早切斷纖維會(huì)使纖維排列不直。模具放入烘箱后按照規(guī)定的制度固化,溫度控制精度為士3℃,自然冷卻至室溫,拆開模具,取出制備的平板加了成各種規(guī)格的試樣。
2、試體的加工
單向纖維復(fù)合材料平板制備之后,清除表面灰塵,雜質(zhì)等異物,根據(jù)國(guó)標(biāo)要求的試樣尺寸和數(shù)量,考慮到切割刀口寬度,用特種鉛筆在平板上標(biāo)出纖維方向及0度、90度、45度拉伸、壓縮、彎曲試樣加工區(qū)域,用金剛砂輪片在專用銑床上切割試樣,試樣形狀和尺寸參見相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
3、加強(qiáng)片粘接
加強(qiáng)片用厚度為2-3mm正交鋪層的玻璃纖維復(fù)合材料板或厚度1-3mm的鋁板制作。用鋁板制作加強(qiáng)片時(shí),加強(qiáng)片表面應(yīng)平整,用砂布打磨去除表面氧化層,并將加強(qiáng)片放在酸處理液中加熱到65度,并放置15min,再用自來(lái)水沖洗干凈,然后在105度下烘2小時(shí),除去水分。處理后的加強(qiáng)片表面切勿用手觸摸。
粘接加強(qiáng)片之前,用100目砂紙打磨試件表面,擦去表面灰塵,用醋酸乙酯清除脫模劑及表面油垢,在用CH3COCH3清洗一遍試件冰涼干。由于單向復(fù)合材料在纖維方向上的拉伸強(qiáng)度很高,拉伸試驗(yàn)時(shí)加強(qiáng)片容易滑脫,建議選用環(huán)氧618:200#聚酰胺:二縮水甘油醚:咪唑=100:80:15: 2。試件和加強(qiáng)片涂好粘接劑施加接觸壓力固化。固化制度為:室溫升到60度,保溫2小時(shí)再升溫到120度,保溫8小時(shí)后降溫至室溫。垂直纖維方向的拉伸試件和45度偏拉伸試件的強(qiáng)度較低,可采用常溫膠粘劑。
加強(qiáng)片固化之后,在試件測(cè)試部位表面用砂紙打磨,露出纖維層,用CH3COCH3、醋酸乙酯處理去除表面油污,畫好測(cè)量方向線,采用502膠粘劑粘貼應(yīng)變片,應(yīng)變片粘貼方向與被測(cè)材料性能方向一致,膠粘劑固化后即完成試件的制作工作了。
二、NOL環(huán)試樣制作
纖維纏繞成型的高壓容器及固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等內(nèi)壓容器在設(shè)計(jì)上通常采用網(wǎng)格理論分析,網(wǎng)格理論忽略基體剛度,載荷全部由纖維承擔(dān),NOL環(huán)試驗(yàn)方法就是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。
NOL環(huán)試樣通常在專門的小型纏繞機(jī)上纏繞成型,NOL環(huán)制造有兩種方法:一是在專用組合模具單環(huán)纏繞,二是先纏繞環(huán)向圓筒,然后切制成環(huán)。環(huán)的外表面可以加工,也可以不加工。經(jīng)過(guò)加工的環(huán),其強(qiáng)度高,離散系數(shù)小。不加工的環(huán),表面凸凹不平,表面樹脂含量高,尺寸偏差大。筒切環(huán)比單個(gè)繞制環(huán)的強(qiáng)度低。這是因?yàn)閺膱A筒上切取環(huán)時(shí),一些連續(xù)纖維被切斷,降低了環(huán)的承載能力。實(shí)際試驗(yàn)中通常采用單個(gè)繞制的環(huán)。環(huán)的性能與纏繞張力、固化制度、纖維水分含量、纖維表面狀態(tài)、樹脂體系等均有一定關(guān)系,制造時(shí)應(yīng)引起注意。
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