背景与意义复合材料在航空航天领域的应用纤维增强聚合物复合材料因其轻质、高强度、耐高温和耐腐蚀特性而广泛应用于航空航天领域。热塑性复合材料的优势热塑性复合材料相比热固性复合材料具有可...

背景与意义

复合材料在航空航天领域的应用

• 纤维增强聚合物复合材料因其轻质、高强度、耐高温和耐腐蚀特性而广泛应用于航空航天领域。

热塑性复合材料的优势

• 热塑性复合材料相比热固性复合材料具有可回收性、可焊接性、水热稳定性等优点。

拉挤工艺的重要性

• 拉挤工艺能够连续高效地生产高强度、轻量化的复合材料，是制造轻量化高性能结构件的关键技术。

  
  

材料与设备

原材料特性

• 使用的原材料为碳纤维/PEEK单向预浸带，宽度30mm，厚度0.3mm。

拉挤设备组成

• 设备包括加热模、成型滚轮、冷却模和牵引工具四个主要部分。
• 加热模长度230mm，成型区角度60°，圆角半径1.3mm。

牵引功能实现

• 上下牵引滚轮夹住型材并旋转，通过摩擦实现牵引功能。

拉挤过程

温度控制

• 通过加热棒控制加热模温度，并使用热电偶确保温度精度。

形成V形型材

• 预浸带通过加热模后逐渐形成V形型材，并通过冷却模进行冷却。

预浸带拉挤设备：(a) 自主设计的拉挤设备，(b) 拉挤加热模具尺寸（尺寸单位为毫米），(c) 加热模具和成型滚轮对预浸带作用的示意图，(d) 拉拔滚轮和型材位置的示意图，(e) 拉挤工艺流程的示意图。

V形型材的截面角度

温度对截面角度的影响

• 温度低于熔点时，随着温度升高，回弹角减小，截面角度接近目标值60°。
• 温度超过熔点时，截面角度不规则性显著增加。

表面粗糙度

温度对表面粗糙度的影响

• 温度低于熔点时，表面粗糙度变化较小。
• 温度超过熔点时，表面粗糙度显著增加。

力学性能

温度对弯曲载荷能力的影响

• 温度从230°C到330°C，弯曲载荷能力从58.1N提升至99.4N。
• 温度超过熔点时，弯曲载荷能力下降。

温度对V形型材尺寸精度的影响

回弹与流动性的关系

• 高温降低材料回弹，提高成型精度。
• 超过熔点时，材料流动性过大导致截面形状不规则。

温度对弯曲载荷能力的影响

几何形状与力学性能的关系

• 角度更接近目标值的型材具有更高的弯曲载荷能力。

V形型材性能评估

综合评分方法

• 根据表面粗糙度、截面角度和力学性能的不同权重计算综合评分。
• 最优成型温度为330°C，此时各项性能达到最佳平衡。

应用前景与挑战

在航空航天中的应用潜力

• 提出了基于优化参数的高质量V形型材生产工艺，适用于轻量化热塑性复合材料桁架结构。

• 温度超过熔点时，弯曲载荷能力下降。

最优工艺参数

• 最优拉挤温度为330°C，最优拉挤速度为25cm/min。

温度对性能的影响

• 温度是影响型材尺寸精度和力学性能的最关键因素。

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