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无屈曲织物(Non-crimp fabric,NCF)是一种新型增强结构织物,具有优异的力学性能、工艺性能和显著的经济优势,已广泛应用于航空航天、船舶游艇、风机叶片、汽车制造等众多领域。NCF复合材料力学性能的研究是一个十分重要的问题。目前,国内外学者已对碳纤维NCF复合材料力学性能进行了大量的研究,所用的碳纤维均为日、美等碳纤维垄断国的产品,而采用国产碳纤维制备NCF并以其作为增强体制备复合材料的研究未见相关报道,并且关于碳纤维NCF复合材料力学性能的诸多研究结果存在许多不一致,值得我们亲身实验加以探索。
本论文针对采用国产CCF3003K替代日本东丽T70012K碳纤维制备四轴向NCF进行了设计,在进口碳纤维NCF复合材料不同方向的力学性能研究基础上,对国产碳纤维NCF复合材料的力学性能进行了详细的研究,并将国产碳纤维NCF成功应用于电动汽车车身部件的制备;同时,对比研究了NCF复合材料与传统增强结构——单向带预浸料(UDPT)、斜纹织物复合材料的力学性能。论文的研究为国产碳纤维NCF及其复合材料的工程应用提供了性能参数依据和理论指导,对扩大国产碳纤维的应用亦具有重要的意义,积累了一定的NCF复合材料工程性能数据,对NCF的工程选择具有指导意义。
本论文主要工作如下:
1、首先针对选定的基体树脂——环氧树脂,通过非等温DSC法研究其固化反应。采用n级反应模型和Malek等转化率法确定了固化反应动力学方程,通过外推法优化其固化工艺,测试了优化后工艺下制备的树脂浇铸体的固化度和力学性能。结果表明:n级反应模型与实验值差别较大;采用等转化率法判断固化反应按自催化反应机理进行,在2.5～15℃/min升温速率下,自催化模型计算曲线与实验曲线吻合较好;优化确定固化工艺为70℃/2h+110℃/2h,在该工艺下制备的浇铸体固化度达98.51％,拉伸强度和弯曲强度分别为75.11MPa和128.10MPa。
2、针对国产CCF3003K替代日本东丽T70012K碳纤维制备四轴向NCF进行了设计,采用东丽T70012K碳纤维和大部分国产替代CCF3003K碳纤维(与东丽T3003K碳纤维相当)分别制备了两种NCF织物。通过真空辅助树脂注入成型工艺(VARI)制备了两种织物增强的复合材料,对这两种复合材料0°、90°和±45四个方向的拉伸、弯曲和层间剪切性能进行了测试与对比研究。结果表明:在现有生产条件下,国产CCF3003K碳纤维最多可以代替四轴向NCF中66.7%的进口TT0012K碳纤维;国产碳纤维NCF复合材料各方向归一化后的拉伸强度比进口碳纤维NCF复合材料低18.7～26.1%,而其它性能没有显著差别;两种NCF复合材料的拉伸、弯曲和层间剪切破坏模式相似。
3、通过VARI工艺制备了NCF复合材料和斜纹织物复合材料,以及通过热压罐工艺制备了UDPT复合材料,对四轴向NCF复合材料各方向的富树脂区参数进行了表征,定性比较了NCF复合材料、UDPT复合材料及斜纹织物复合材料中丝束的屈曲程度及富树脂区的大小,并对比研究了三种复合材料的力学性能。结果表明:①四轴向NCF复合材料中0°方向丝束层的富树脂区为矩形状,宽度为0.33mm;90°、-45°和+45°方向富树脂区为菱形状,其长轴分别为1.16mm、3.18mm和1.16mm,短轴分别为0.06mm、0.16和0.06mm。②UDPT复合材料中的丝束严格平行伸直排列,不存在屈曲,并且不存在富树脂区;NCF复合材料中由于存在厚度方向的缝合,丝束存在一定的屈曲,并且存在富树脂区;斜纹织物复合材料中由于经纬方向丝束的交叉,丝束存在严重的屈曲,且富树脂区较大。@INCF复合材料中丝束的屈曲程度和富树脂区均大于UDPT复合材料,因此LIDPT各方向的归一化拉伸模量和归一化弯曲性能均大于NCF复合材料,但是由于厚度方向的缝合作用提高了拉伸过程中的分层阻力,使得NCF复合材料的归一化拉伸强度略大于UDPT复合材料。虽然斜纹织物复合材料中丝束的屈曲程度和富树脂区均大于NCF复合材料,但是结果表明与斜纹织物复合材料相比,NCF复合材料的拉伸性能和弯曲性能的优越性并不显著。计算得到的三种复合材料的归一化层间剪切强度没有显著差别,说明三种复合材料中的树脂基体与纤维的界面结合作用相似。