碳纤维增强树脂基复合材料的再制造工艺研究

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碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)因其质地轻、比强度高等优异特点广泛应用于航空航天、风叶发电等多个领域,但随着CFRP不断涌入市场,其废弃物的数量也持续增加;由于其废弃物仍具有较高的经济价值以及良好的力学性能,出于对环境保护以及节约能源的目的,其废品的回收成为了一个亟待解决的问题。本文的主要内容如下:(1)对CFRP废品进行策略研究,根据其大小、形状分类;并对机械、化学等工艺方法的优缺点进行分析,根据CFRP废品的种类,选取高温热解法和机械修补法作为本文的再制造方法。(2)对CFRP中的树脂基体分别在空气和氮气氛围下进行高温热解试验,结果表明:温度达到350℃以上时,树脂基体质量开始下降;在不同铺层角度以及不同升温速度的条件下进行试验,结果表明:铺层角度对CFRP热解试验的影响不大,但随着升温速率的提高,高温热解反应时间逐渐减少,其中在升温速率为10℃/min时反应时间需要73分钟,而在升温速率为25℃/min时反应时间需要24分钟。(3)在空气氛围和氮气氛围条件下分别进行高温热解试验,对比SEM图像、EDS能谱以及热失重图,试验结果表明:CFRP在500℃的空气氛围中能够完全热解,碳纤维表面上残留的热解碳能完全去除,当温度达到500℃以上时碳纤维发生了氧化反应;在氮气氛围中加热到650℃时可以完全去除树脂基体,但碳纤维表面上会存留热解碳,空气和氮气氛围两种方法对碳纤维的再制造都存在缺陷。(4)通过两步法对CFRP进行试验,先将其放入氮气氛围中加热到650℃,再将其放入空气氛围中加热到500℃,达到了既去除树脂基体和热解碳又保证了碳纤维不被氧化的目的;对碳纤维单丝进行拉伸强度试验得出其力学性能能够达到原丝的88.3%。(5)基于ANSYS有限元分析软件对不同机械修补方式的CFRP层合板进行仿真分析,分别建立直线式、三角式、梯形式、锯齿式四种机械修补方式,胶层的材料采用环氧树脂,对CFRP层合板的三维模型在拉伸载荷下进行仿真分析,能够得出结论:在各角度的铺层中,90°铺层最先发生失效;随着胶接层接触面积的增大,CFRP层合板的固有频率增大,层间应力减小,抗拉强度提高,并对CFRP层合板在不同转速下进行机械切割试验,结果表明在10000r/min时切割面形貌良好、边缘规整,有利于提升CFRP层合板的机械性能。
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