碳纤维复合材料“成型—冲裁—固化”一体化制造工艺实验研究

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节能、安全、环保、舒适是当今世界汽车发展的主题。为了能够显著降低能源消耗同时减少环境污染,车身轻量化已成为现代车身结构设计的发展趋势。碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,简称CFRP)因其高比强度和比模量、制件力学性能优异、可设计性强等一系列优点,顺应了汽车工业发展需求,在车身轻量化领域得到了认可,应用前景广阔。然而,固化后的CFRP材料由于其高硬度、不连续、非均质、各向异性等特点,属于典型的难加工材料,其制造成本高,目前只能在一些高档轿车及赛车上使用。因此,在轻量化背景下,迫切需要开发适用于CFRP车身制件批量化生产的低成本、高效率制造工艺,从而促进CFRP材料在车身轻量化进程中更为广泛的应用。  为此,本文将树脂膜熔渗成型(Resin Film Infusion,简称RFI)工艺与传统冲裁工艺(Cutting)相结合,提出了CFRP制件“成型-冲裁-固化”一体化制造工艺,详细介绍了其工艺原理、特点及实现步骤。  基于上述工艺思想,开发了CFRP材料“成型-冲裁-固化”一体化制造工艺实验装置,通过CFRP制件“成型-冲裁-固化”一体化制造工艺实验,从宏观角度将该成型工艺下所得的CFRP制件断面质量与钻削、铣削及激光切割所得断面质量进行了比较分析,验证了该工艺的可行性和有效性。  以上述工艺实验为基础,研究了CFRP材料熔融树脂浸渗状态下增强碳纤维织物的剪切冲裁所得断面质量及其缺陷的形成机理,确定了冲裁断面质量的优化工艺方案,提出了相应的断面质量控制措施。  综合考虑CFRP制件“成型-冲裁-固化”一体化制造工艺中CFRP叠层片材由碳纤维织物与树脂膜交替铺放制成,材料加热通过模面传导实现等特殊工艺环境,对CFRP制件“成型-冲裁-固化”一体化制造工艺成型中树脂的浸渗行为进行了仿真及实验研究,考察了碳纤维织物层数及浸渗压力对浸渗时间的影响,并分析了原因,验证了所建立浸渗模型和所采用研究方案的合理性和有效性。
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