连续玄武岩纤维复合材料制备技术研究

摘要

连续玄武岩纤维是由单一的玄武岩矿石为原料在高温下熔化和拉丝制造而成，其生产原料是天然存在的，同时由于玄武岩熔化过程中没有硼和其它碱金属氧化物排出，使玄武岩连续纤维的制造过程对环境危害较小。玄武岩连续纤维增强的复合材料其强度、化学稳定性、电绝缘性能均较好，因此广泛用于航空航天、石油化工、建筑、汽车等领域。 本文采用热压工艺制备了不同连续玄武岩纤维复合材料，研究了材料体系、纤维表面处理、复合材料结构对材料力学性能的影响。同时研究了连续玄武岩纤维复合材料的RTM成型工艺及后加工工艺。 对不同热固性塑料的性能以及不同树脂为基体的连续玄武岩纤维复合材料力学性能进行了对比，结果表明乙烯基酯树脂不仅具有良好的力学性能、化学稳定性能、耐腐蚀性能，同时还具有良好的加工性能，因此可作为连续玄武岩纤维复合材料的基体树脂。而对于增强纤维，减小纤维直径不仅可以有效抑制材料缺陷的产生，还可增加纤维/基体之间的拔脱功，从而提高复合材料强度。 采用不同的处理剂与处理工艺对玄武岩纤维表面进行了处理，研究了表面处理对纤维表面及其复合材料力学性能的影响。结果表明，经过表面处理以后，不仅修复了纤维表面的缺陷，使纤维强度提高，还改善了基体与纤维之间的界面，使纤维与基体的结合力增强，对外力的抵抗作用增加，从而强度和弹性性能均得到提高。采用KH550处理剂效果比采用沃兰处理剂效果要稍好，而增加处理时间对复合材料力学性能影响不明显。纤维、基体以及处理剂之间化学作用占主要因素。 对不同织物结构、纤维体积含量、织物面密度与纤维铺层方向的连续玄武岩纤维复合材料的力学性能进行了研究，结果表明织物结构对复合材料强度性能影响较大，单向布与双轴向布结构的复合材料强度较高。随着纤维体积含量的增大，复合材料的力学性能先升高后降低，在50％～65％左右达到最大值。而面密度对复合材料力学性能的影响不明显。不同铺层方向上复合材料力学性能也不相同，平行于纤维的0°方向力学性能最优，垂直于纤维的90°方向力学性能最差。对于正交复合材料，0°/90°正交铺层比±45°正交铺层时的力学性能要好。 研究了利用RTM成型工艺连续玄武岩纤维复合材料时，促进剂含量对凝胶时间以及促进剂、固化剂用量对凝胶时间的影响。结果表明随着固化剂、促进剂含量的增加，凝胶时间降低。同时研究了不同注射位置、温度以及纤维方向对树脂流动前锋形态的影响。 对连续玄武岩纤维复合材料高压水切割加工技术进行了研究，研究了磨料种类、纤维体积含量、材料厚度对切割速度的影响。结果表明加入磨料可以大大提高切割速度，加入金刚砂的效果最优，对切割速度尤其是曲线切割速度的提高十分明显。而随着复合材料纤维体积含量以及厚度尺寸的增加，切割速度逐渐下降。同时设计了预应力辅助打孔装置、台阶孔加工专用钻头，可解决复合材料打孔过程中的拉毛、分层、台阶孔加工等问题。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.1.1玄武岩纤维材料的发展

1.1.2玄武岩纤维材料组成

1.1.3玄武岩连续纤维的物化性能

1.1.4玄武岩连续纤维复合材料的应用及其研究进展

1.2本文研究的目的、意义及主要研究内容

1.2.1研究的目的与意义

1.2.2主要研究内容

第二章材料体系优选及设计

2.1引言

2.1.1基体材料作用

2.1.2基体材料选择

2.1.3增强材料选择

2.2试验部分

2.2.1原材料

2.2.2试验设备

2.2.3试验过程

2.3结果与讨论

2.3.1基体材料筛选试验结果

2.3.2增强纤维筛选试验结果

2.4小结

第三章玄武岩纤维复合材料界面优化

3.1引言

3.1.1复合材料界面的形成过程

3.1.2树脂基复合材料界面结构与界面效应

3.1.3树脂基复合材料的界面结合理论

3.1.4树脂基复合材料界面损伤破坏机理

3.1.5纤维表面处理技术

3.2试验部分

3.2.1试验用原材料

3.2.2试验用设备

3.2.3试验过程

3.3结果与讨论

3.3.1玄武岩纤维单丝表面处理结果

3.3.2表面处理对复合材料力学性能的影响

3.3.3复合材料表面处理作用机理

3.4小结

第四章玄武岩纤维复合材料结构优化

4.1引言

4.1.1复合材料结构设计的特点

4.1.2复合材料结构设计的过程

4.1.3复合材料层合板设计原则

4.2试验部分

4.2.1试验用主要原材料

4.2.2试验用设备

4.2.3试验过程

4.3结果与讨论

4.3.1不同织物结构对复合材料性能的影响

4.3.2不同纤维体积含量对复合材料性能的影响

4.3.3织物面密度对复合材料性能的影响

4.3.4纤维铺层方向对复合材料力学性能的影响

4.4小结

第五章玄武岩纤维复合材料RTM成型工艺

5.1引言

5.1.1手糊成型

5.1.2模压成型

5.1.3树脂传递模塑成型

5.1.4喷射成型

5.1.5纤维缠绕成型

5.1.6拉挤成型

5.1.7注射成型

5.2试验部分

5.2.1试验用原材料

5.2.2试验用设备

5.2.3试验过程

5.3结果与讨论

5.3.1 RTM工艺设计

5.3.2树脂浸润纤维机理与计算机模拟仿真

5.4小结

第六章玄武岩纤维复合材料后加工技术

6.1引言

6.1.1复合材料切削机理的研究

6.1.2复合材料切削刀具材料及结构的改进

6.1.3复合材料特种加工技术的研究

6.1.4复合材料表面质量评价技术的研究

6.2试验部分

6.3结果与讨论

6.3.1高压水切割工艺研究

6.3.2复合材料打孔专用工装设计

6.4小结

结论

参考文献

攻读硕士期间完成的学术论文

致 谢