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来源:西宁京瑞口腔 更新时间:2015-04-06 11:09 点击:
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复合材料“热塑性复合材料夹芯结构熔融连接研究进展”综述论文

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开云导读

航空航天等重大工程领域对结构轻量化、多功能化提出了迫切需求。夹层结构具有重量轻、强度高、隔热、吸波等多功能设计优势。在高端国防和工业装备中显示出广阔的应用前景。近年来,国内外学者针对不同的材料体系和几何拓扑构型,开发了多种复合夹层结构制备工艺,对其力学性能进行了深入研究。相关工作的开展进一步推动了夹层结构的工程化。应用。面芯界面性能是复合夹层结构发挥其机械/多功能优势的关键。如何保证面板与芯层的可靠连接,从而充分发挥夹层结构的整体性能优势,一直是学术界和工业界长期关注的问题。重点。热塑性树脂具有可熔融重建的特性,这使得热塑性复合夹层结构能够在不引入新材料的情况下形成连续可靠的面芯界面。

近日,重庆大学陈黎明教授团队在《复合材料学报》上发表了题为“热塑性复合材料夹层结构融合连接的研究进展”的综述论文。梳理一下,总结了常用的构型和使用的材料,重点总结了主要的熔接连接方式,展望了这种连接方式未来的发展趋势和应用前景。重庆大学航空航天学院博士后杜冰为第一作者,陈黎明教授为通讯作者。

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简单的介绍

1 常见配置和材料

开云夹层结构由刚性面板和轻质芯层组成。面板主要承受弯曲和面内载荷,芯层主要承受面板传递的横向剪力,同时支撑面板并防止局部屈曲。根据芯层拓扑结构是否规则,夹层结构可分为无序泡沫夹层结构和蜂窝周期性有序多孔夹层结构两大类。面板由增强纤维和热塑性树脂组成,通过叠层设计与各种芯层复合得到热塑性复合夹层结构。常用的增强材料包括纤维毡、连续单向纤维和纤维机织物。常用的树脂有PP、PA等工程树脂,PEI、PEEK等高性能树脂。应根据设计要求和工艺成本选择具体的材料类型。. 学者们提出了适用于不同结构形式和材料体系的纤维增强热塑性复合夹层结构,并验证了表芯熔接的可行性。

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常见的夹层结构配置

开云2 融合连接方式

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熔接是一种通过界面树脂的熔化和固结将聚合物部件连接成一体的过程。具体而言,两个接触面上的树脂在压力和温度的作用下软化,达到完全接触后树脂分子链在界面迁移。链迁移完成后,树脂在压力下冷却固结,完成熔接。现有热塑性复合夹层结构的代表性熔接方法总结如下:

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熔接原理

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热塑性复合材料夹层结构的常用熔接方法

2.1 热板焊接

在热板焊接中,表芯界面树脂被热板熔化夹芯板机械设备,取出热板快速压合面板与芯层,最后树脂冷却固结,形成热塑性复合夹层结构。施耐德等人。提出了一种预拉伸-切割拉伸成型工艺,分别制备 SrPET 金字塔晶格芯层和具有预埋凸台的面板。用预热过的铝板将被粘表面加热至树脂熔点(约200℃)以上,并在0.014bar的压力下使面板和芯层与被粘表面保持压力接触,直至达到冷却并固化。研究了面外压缩条件下夹层结构的承载力,未破坏面芯界面。该工艺方法首次制备出热塑性复合材料金字塔格子夹层结构,具有批量连续生产的潜力。然而,面板的凸起改变了锥体细胞杆的受力状态,导致锥体细胞容易产生屈曲效应。

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热板焊接制备的SrPET金字塔夹心结构

为了进一步提高夹层结构的整体力学性能,Velea 等人。提出了热板熔合折叠焊接工艺,保证了载荷传递路径,提高了结构承载力。之后,杜等人。开发了热塑性复合夹芯结构热压成型和面芯热熔粘合工艺,制备了GF/PP波纹夹芯板结构。通过平面压缩实验验证,不同相对密度的GF/PP波纹夹芯板结构在平面压缩载荷作用下不存在表芯脱粘现象。

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层状热塑性复合波纹夹层结构:(a)工艺路径;(b) 准备好的标本;(c) 联合

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GF/PP瓦楞夹芯板制备流程图

2.2 压缩成型

热塑性复合夹层结构的压缩成型有两种工艺路径:等温(Isothermal)和非等温(Non-isothermal)。在等温压缩成型中,面板与芯层在外压作用下整体受热,表芯界面处的树脂受热熔化,然后冷却固结,完成连接。但是,面板树脂熔化再冷却固结的时间窗口短,芯层容易发生局部塌陷。针对这一问题,学者们提出了模内发泡、面芯共固结、热熔粘合、非等温成型等解决方案。

(1) 模内发泡

模内发泡法属于等温成型的范畴。这种方法预先加热预制板并将其固定在模腔中。采用原位发泡技术,可一步制备热塑性复合材料夹。核心结构。根据发泡原理的不同,模内发泡主要包括注射发泡和薄膜发泡。在传统的等温成型方法中,压力从模具从面板传递到芯层,模内发泡时泡沫芯层的厚度逐渐增加。在达到夹芯板的设计厚度后,保持模具行程和温度可以机械地削弱芯层。局部破碎的不利影响。

(2)面核共整合

施耐德等人。提出了一种用于 SrPET 材料的填充铝模具的表面-核心共固结成型方法。在这个初步方案中,每个波纹单元之间的材料是不连续的,并且在过渡处出现了富含树脂的区域,这限制了结构的整体力学性能。进一步提出了具有连续芯层的面芯共固结工艺。实验结果表明,夹层结构没有面芯失效。为了进一步提高face-core接口性能夹芯板机械设备,Schneider等人。开发了面芯拼接联合加固工艺。芯层预浸料和下面板用凯夫拉/不锈钢线缝合,然后间隔放置铝芯模具。复合波纹夹层结构。

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SrPET复合波纹夹层结构面芯共固结:(a)不连续芯层;(b) 核心层连续层;(c) 缝合加固

值得注意的是,施耐德等人的系列作品。使用高度灵活的基质材料 (SrPET),从而使预制的核心单元和共固结能够产生夹层结构。在室温下,以玻璃纤维或碳纤维为增强材料的热塑性复合材料具有较高的刚度,通过共固结表芯形成夹层结构相对较难。胡等人。提出了一种原位热压制备碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)复合金字塔状夹芯板的方法,并通过落锤试验评估了结构面芯的连接性能和抗冲击性能。在不同的核心密度、冲击能量和冲击位置下,

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CF/PEEK金字塔夹层结构面对面连接方式:(a)胶粘连接;(b) 原热压

(3) 热熔胶

高等人。针对汽车内外饰PP复合结构的需求,提出了PP薄膜复合热压工艺,制备了GF/PP复合蜂窝夹层结构。在该方案中,PP薄膜具有微观的纤维网状结构,有助于提高面芯界面的强度。同时,使用热熔胶膜后,树脂熔接主要发生在面芯界面附近,既避免了树脂过度熔融导致芯层性能下降,又缩短了工艺时间。进一步研究了拼板和芯层几何参数对结构三点弯曲性能的影响,

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GF/PP复合蜂窝夹层结构:(a)面芯叠层方案;(b) 制造流程图

(4) 非等温成型

在非等温成型法中,面板在加热后与芯层快速复合,芯层树脂在表面与芯的连接处因面板温度而熔化固结。Grünewald 等人。开发了一种非等温成型方法来制备热塑性复合泡沫夹层结构。基于Thermabond®的理念,CF/PEEK面板表面先复合PEI薄膜并加热,再与PEI泡沫芯层在压力下复合,形成夹层结构。非晶树脂PEI的玻璃化转变温度低于半结晶树脂PEEK的熔点,因此PEI泡棉表面和CF/PEEK面板的PEI层发生热传导,发生分子链运动,冷却固结后可形成表芯界面。由于面板温度低于PEEK树脂的熔点,保证了面板形状和力学性能,为热塑性复合泡沫夹层结构的面芯熔接提供了可靠的解决方案。在此基础上,还可以在PEI泡棉中设置热塑性胶棒,以增强芯层的承载能力。热塑胶棒在芯层两端形成铆接,与面板的机械互锁连接可进一步提高表芯界面性能。为热塑性复合泡沫夹层结构的面芯熔接提供了可靠的解决方案。在此基础上,还可以在PEI泡棉中设置热塑性胶棒,以增强芯层的承载能力。热塑胶棒在芯层两端形成铆接,与面板的机械互锁连接可进一步提高表芯界面性能。为热塑性复合泡沫夹层结构的面芯熔接提供了可靠的解决方案。在此基础上,还可以在PEI泡棉中设置热塑性胶棒,以增强芯层的承载能力。热塑胶棒在芯层两端形成铆接夹芯板机械设备,与面板的机械互锁连接可进一步提高表芯界面性能。

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(a) TPC泡沫夹层结构制备示意图;(b) 泡沫芯增强示意图

2.3 连续热压

目前最成熟的热塑性复合夹层结构生产工艺是双带复合工艺。面板和芯层堆叠后,由传送带自动送至含有发热元件的生产线。树脂在压力下被加热熔化和熔化。然后可以形成热塑性复合夹层结构。通过调整温度、压力、时间、输送速度等关键工艺参数,可实现热塑性复合夹层结构的连续热压成型,再根据需要进行切割加工或二次热成型。利用。目前,PP蜂窝夹层结构应用广泛,主要有六角蜂窝和圆形蜂窝。表芯连接形式是蜂窝单元与面板之间的线面连接。为提高界面连接性能,一方面可以将键合形式从线面连接优化为面面连接,另一方面也可以通过复合流延膜来实现蜂窝芯层和面板之间有无纺布。

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ThermHex®蜂窝结构的制备示意图:(a)非闭孔;(b) 封闭单元

2.4 面芯共编

预制体采用增强纤维与基体纤维的共织技术制成,可通过可拆卸模具实现三维编织复合芯结构与面芯的一体成型。在协作研究中心SFB 639项目“功能集成多材料设计中用于复杂轻量化应用的织物增强复合材料部件”的支持下,德国德累斯顿工业大学的研究人员开发了一种三维编织复合材料三明治结构。系列研究。蒙塔西尔等人。开发改进的双剑杆织机,制备GF/PP共编织纤维预制棒,通过在线热压实现树脂固结和结构成型同步,并成功制作出三维编织复合夹芯板。通过优化包芯与高卷曲纱线的连接面积,可以提高连接性能。使用可拆卸模具或用轻质泡沫填充单元也可以实现结构成型和结构性能改进。胡芬巴赫等人。精心设计芯模剪力控制系统,配合单曲面热压模具成功制备三维编织复合夹芯曲面板。胡芬巴赫等人。精心设计芯模剪力控制系统,配合单曲面热压模具成功制备三维编织复合夹芯曲面板。胡芬巴赫等人。精心设计芯模剪力控制系统,配合单曲面热压模具成功制备三维编织复合夹芯曲面板。

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(a) 零件和可拆卸芯模;(b) 销引导剪切力机构;(c) 弯曲结构成型模具

2.5 增材制造

根据增强纤维的不同形式,现有的3D打印热塑性复合材料主要分为不连续纤维增强和连续纤维增强两种。其中,不连续纤维增强热塑性复合材料的3D打印相对成熟,但其对结构力学性能的影响相对成熟。改进是有限的,目前的重点是连续纤维增强热塑性复合材料的 3D 打印。基于连续纤维增强复合材料的 3D 打印,Hou 等人。提出芯材纵横交错面芯一体化制造策略,成功制备凯夫拉/聚乳酸(Kevlar/PLA)波纹夹芯板。当打印喷嘴通过交叉搭接接头时,搭接处的树脂被加热熔化,并与喷嘴中新挤出的线材进行第二次固结。在这种方法中,纤维体积分数是可控的。当纤维含量为11.5 vol%时,结构的面外抗压强度可达17.17 MPa。为了进一步提高树脂的浸润性和层间粘合性能,Luo 等人。在现有的连续纤维增强复合材料 3D 打印系统中集成了激光加热模块。优化打印参数后,CF/PEEK复合材料的抗弯强度和刚度可以达到480 MPa和37 GPa,制备出轻质波纹夹层结构,进一步验证了复杂配置夹层结构3D打印一体成型的可行性。曾等人。使用碳纤维增强聚乳酸 (CF/PLA) 来 3D 打印具有形状记忆能力的波纹夹层结构。综合考虑板件破坏、板件屈曲、芯板剪切和挤压破坏,得出破坏竞争机制并预测结构。三点弯曲下的承载力和破坏模式。比较弯曲性能,发现 3D 打印的波纹夹层结构比其他夹层结构具有更高的弯曲强度。

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(a) 路径设计;(b) 瓦楞型材;(c) 3D打印工艺;(d) 3D打印制备的Kevlar/PLA波纹夹层结构

3-face-core接口性能表征

轻质夹层结构的优异性能取决于良好的面芯界面。缺乏或太弱的粘合将影响面板和芯层之间的剪切应力传递。剥离区域甚至可能扩散到整个面芯界面,导致夹层结构的整体失效。因此,有必要研究复合夹层结构的面芯界面特性。一方面,通过研究夹层结构在剪切、横向压缩和弯曲条件下的宏观力学性能,并比较之前是否发生过面芯界面的脱粘破坏,可以定性表征面芯界面的性能。其他故障模式;另一方面,由于面芯界面的脱粘通常表现为裂纹扩展,因此临界应变能释放率也可以用来定量表征面芯界面的性能。常见的表征方法包括:双悬臂梁 (DCB)、裂纹夹心梁 (CSB)、混合模式弯曲 (MMB) 和双悬臂梁-不均匀弯矩 (DCB-UBM)。DCB 和 CSB 分别对应于 I 型(开口)和 II 型(滑动)裂纹加载模式。MMB 和 DCB-UBM 表征了 I 型和 II 型裂纹加载模式下结构的表芯界面特性。笔者自主设计搭建了电阻焊平台,制备了电阻焊热塑性波纹夹层结构。

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脱胶夹层样品:(a) DCB;(b) MMB;(c) 公务员事务局;(d) DCB-UBM

4 应用

迈耶等人。设计了一种压力驱动的多孔结构(PACS),并在最小驱动压力下得出了最佳电池厚度。采用风洞试验和有限元法对结构刚度进行了研究。该结构能在不同的气动载荷下保持其完整性,并能实现翼型在目标载荷下的高速可控驱动。同时,热塑性蜂窝夹芯板已应用于电动汽车集成地板和卡车车厢,可大大减轻车辆的整体重量,降低油耗。布拉戴等人。利用pCBT树脂的高流动性和真空热压法制备最大的一体式全热塑性复合材料风力发电叶片。刀片长 12.6 m,重 500 kg,纤维体积含量为50 vol%,可用于250 KW。使用风力涡轮机。国家可再生能源实验室 Murray 等人。通过真空辅助树脂传递模塑 (VARTM) 和二次粘合方法成功制造了基于 Elium® 树脂系统的热塑性复合材料风力涡轮机叶片。刀片长9米,常温下仅需3小时即可完成固结,大大降低了时间和能源消耗成本。由于在这项工作中叶片的每个部分都用环氧树脂粘合,因此粘合和固化过程与结构成型所需的时间一样多。因此,默里等人。进一步探讨了使用熔接的可行性。以玻璃纤维增​​强Elium®复合材料叶尖为研究对象,采用电阻焊接法制造全长5 m的玻璃纤维增​​强Elium®复合叶尖。

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(a) 可变形副翼;(b) 车辆地板;(c) 风力涡轮机叶片

5 总结

面对热塑性复合夹层结构的面对面连接问题,学术界和工业界的研究人员针对不同的材料体系和结构形式提出了多种不同技术成熟度的熔接技术方法,并取得了一定的应用。在总结和分析研究和应用现状的基础上,从以下几个方面展望了熔结热塑性复合夹芯结构的发展趋势:

(1)采用多步法时,面板和芯层可以独立成型,材料和工艺的选择比较灵活。一步法受材料、工艺、面芯连接形式等诸多因素的限制。芯层采用模具支撑可以避免芯层在受热压缩时局部变形,但也在一定程度上阻碍了热塑性夹层结构的量产。目前,连续热压具有大批量、低成本制备的潜力,但纯树脂芯层的力学性能相对较低。对于纤维增强热固性复合材料,Wei 等人。开发了复合蜂窝切割折叠工艺,有效提高了全热固性复合蜂窝夹层结构的面芯界面强度,改善了结构的力学性能。对于纤维增强热塑性复合材料,预浸料在室温下具有较高的刚度,其批量制备工艺有待进一步探索。

(2)电阻焊、超声波焊、感应焊具有可控的发热、远距离连续焊接,具有大批量生产熔结热塑性复合材料的潜力。国内外学者在制备技术、发热机理、性能测试等方面开展了初步研究工作,现有研究主要依靠大量实验结果确定工艺窗口,数值模拟方法未考虑焊接过程的热耦合。下一步将开展大型热塑性复合夹层结构的批量制备研究工作。

(3)连续纤维3D打印技术可以通过调整工艺参数实现复合材料性能的可控制造。开发的3D打印多界面强化方法可以提高复合材料的界面结合强度,也可以实现复合材料部件的低成本、快速制造。目前应用的构型主要是波纹和蜂窝夹层结构,其拓扑构型可以看成是沿平面法线拉伸的特定形状。对于不垂直于平面的轮廓引导线,引导线是弯曲的,其他复杂配置的夹层结构,以及新的材料系统,

(4)编织预制棒成型后,主要有两种工艺路线可供选择:压缩成型和液体成型。压缩成型适用于增强纤维和基体纤维的混合系统,其中需要在芯层的孔隙中填充可移动的模具或增强材料(例如泡沫)。液体成型(如 VARTM)依赖于树脂的高流动特性。需要根据结构几何形状设置进、出口浇口和流道。选择合理的工艺参数可以实现更好的树脂浸润。具有广阔的应用前景。

原始文件

开云杜冰、刘厚昌、潘鑫、秦伟明、陈黎明*。热塑性复合夹层结构熔接研究进展[J]. 复合材料学报夹芯板机械设备,2022夹芯板机械设备,DOI:10.13801/ki.fhclxb.20220228.001。

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