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碳纤维增强树脂基复合材料与铝合金随焊滚压激光连接技术研究

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碳纤维增强树脂基复合材料与铝合金随焊滚压激光连接技术研究

作者：康鸿锐北京工业大学

学位级别：硕士

碳纤维增强热塑性树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced plastics,CFRP)具有比重小、比强度及比模量大、耐腐蚀性强等优异性能,因此可广泛应用于航空航天、汽车工业及新能源装备等领域。铝合金具有密度小、比强度大、耐腐蚀及导热性... 详细信息

碳纤维增强热塑性树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced plastics,CFRP)具有比重小、比强度及比模量大、耐腐蚀性强等优异性能,因此可广泛应用于航空航天、汽车工业及新能源装备等领域。铝合金具有密度小、比强度大、耐腐蚀及导热性强等优点,在汽车工业的轻量化进程中具有广泛的应用前景。随着汽车工业轻量化进程的进一步发展,已涉及到CFRP与铝合金的连接。激光连接作为一种非接触、高效的连接方式,与机械连接、胶接及塑性变形连接等相比,具有速度快、热影响区小、易于实现自动化等特点。目前激光连接CFRP与铝合金的研究均是在使用尺寸较小的试样的基础上完成,对于在汽车生产中使用到的大尺寸板材的激光连接尚无相关报道。此外,以连续碳纤维作为增强相的CFRP表面的树脂含量较少,在激光连接过程中无法提供足够的熔融态树脂填充接头结合面,造成CFRP与铝合金接头性能的下降。因此开发大尺寸连续编织碳纤维增强树脂基复合材料与铝合金板材的激光连接技术,对推动两种材料在汽车工业中的应用具有重要意义。本文首先设计并制作了一套针对大尺寸板材长焊缝的随焊滚压激光连接装置,包括气缸系统、压力传导系统、激光头系统、预紧压轮系统,其中以气缸系统为核心,直接与机床连接,而激光头系统、压力传导系统、预紧压轮系统则分别安装在气缸系统的不同部位。主压轮及预紧压轮系统可跟随激光束进行长距离移动,以实现随焊滚压的效果。通过机床沿Z轴方向移动来施加压力,根据压力传导系统中的压缩弹簧的形变量调整压轮压力值。焊缝高度发生变化时,气缸系统中的气缸可保证压轮与焊缝间的良好接触,使作用在焊缝上的压力保持恒定。此外,被连接工件的尺寸较小或受热变形不明显时,可不加装预紧压轮系统。然后进行了连续编织碳纤维增强树脂基复合材料与6061铝合金的随焊滚压激光连接工艺研究,验证了随焊滚压激光连接装置的可行性。使用尺寸为60mm×25 mm×2 mm的CFRP及尺寸为60 mm×30 mm×2 mm的6061铝合金试样探究了激光功率和连接速度对连接接头力学性能的影响规律,获得了完整的工艺窗口,结合6061铝合金表面飞秒激光刻蚀、在结合界面处预置树脂的预处理方式,连接接头的最大剪切强度约为32.58 MPa。在此基础上,使用尺寸均为220 mm×70mm×2 mm的CFRP及6061铝合金试样探究了压轮压力对连接接头力学性能的影响规律,发现压轮压力较小时,CFRP与6061铝合金未完全贴合,而压轮压力较大时,CFRP表面的熔融态树脂被挤出结合界面处。在适当的压轮压力下,连接接头成形良好,焊缝单位长度的剪切载荷可达134.49 N/mm。

关键词：碳纤维增强树脂基复合材料 6061铝合金随焊滚压激光连接飞秒激光刻蚀预置PA

碳纤维增强树脂基复合材料及其拉索抗低速冲击性能综述

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复合材料学报 2022年第11期39卷 5049-5061页

作者：王安妮刘晓刚岳清瑞北京科技大学土木与资源工程学院城镇化与城市安全研究院北京100083

碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced polymer composite,CFRP)拉索具有轻质高强特性和优异的耐腐蚀疲劳性能,可替代钢拉索应用于桥梁结构中以应对桥梁更大跨度、更恶劣服役环境的需求。然而,CFRP拉索较差的抗低速冲击性... 详细信息

碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced polymer composite,CFRP)拉索具有轻质高强特性和优异的耐腐蚀疲劳性能,可替代钢拉索应用于桥梁结构中以应对桥梁更大跨度、更恶劣服役环境的需求。然而,CFRP拉索较差的抗低速冲击性能导致其在服役期间面临车辆、落石等撞击的威胁。为全面了解CFRP的抗冲击性能,促进CFRP拉索在工程结构中的应用,本文对CFRP及其拉索的基础动态力学性能、冲击响应及损伤失效研究现状进行了总结。现有研究表明:CFRP具有应变率敏感性,但CFRP的应变率效应尚不明确,需建立包含全应变率范围的力学性能数据库;CFRP层合板抗冲击性能研究较为全面,然而截面形式差异、较大的长细比、轴向应力耦合等因素导致CFRP层合板的研究结论不能完全适用于CFRP拉索;现有研究停留在冲击能量、锚固长度及温度对小吨位CFRP拉索抗冲击性能的影响,缺乏对大吨位CFRP拉索抗冲击性能及损伤失效机制的研究;CFRP拉索在车辆撞击下破断时的峰值索力远低于其轴向拉伸破断力,应对拉索进行严格的防撞设计。

关键词：碳纤维增强树脂基复合材料冲击性能拉索应变率效应动态本构损伤失效

碳纤维增强树脂基复合材料飞秒激光精密切割工艺研究

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电加工与模具 2022年第5期 35-40页

作者：薛博徐洁洁张寰臻崔梦雅黄婷肖荣诗北京工业大学材料与制造学部北京100124 河北工程大学数理科学与工程学院河北邯郸056038

针对碳纤维增强树脂基复合材料的切割问题,采用515 nm波长飞秒激光进行切割工艺研究,分别用热影响区宽度、切缝锥角、切割表面粗糙度表征切割质量,用等效切割速度表征切割效率,研究了激光功率、扫描速度、脉冲频率对切割质量和效率的影... 详细信息

针对碳纤维增强树脂基复合材料的切割问题,采用515 nm波长飞秒激光进行切割工艺研究,分别用热影响区宽度、切缝锥角、切割表面粗糙度表征切割质量,用等效切割速度表征切割效率,研究了激光功率、扫描速度、脉冲频率对切割质量和效率的影响规律,并进行最终的工艺优化。结果表明:在激光功率20 W、扫描速度2500 mm/s、脉冲频率50 kHz的条件下,可以获得较优的切割质量与效率,得到的切缝周围热影响区宽度约2μm、切缝锥角约1.5°、切割表面粗糙度约Ra1.6μm。

关键词：飞秒激光激光切割碳纤维增强树脂基复合材料

碳纤维增强树脂基复合材料在轨道交通车辆车体中的应用与思考

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城市轨道交通研究 2018年第12期21卷 10-13页

作者：周伟旭中车长春轨道客车股份有限公司长春教授级高级工程师130062

提出了碳纤维增强复合材料应用于轨道交通车辆车体的技术需求和技术优势。介绍了国内外轨道交通车辆碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)车体的应用现状。对中车长春轨道客车股份有限公司研制的全碳纤维复合材料车体的应用实例和技术特点进... 详细信息

提出了碳纤维增强复合材料应用于轨道交通车辆车体的技术需求和技术优势。介绍了国内外轨道交通车辆碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)车体的应用现状。对中车长春轨道客车股份有限公司研制的全碳纤维复合材料车体的应用实例和技术特点进行了分析,证实了全碳纤维复合材料车体承载结构应用的可行性。对持续快速发展碳纤维复合材料技术,以及推进轨道交通复合材料车体的应用提出可行性建议。

关键词：轨道交通车辆车体碳纤维增强树脂基复合材料

碳纤维增强树脂基复合材料表面功能涂层制备研究

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碳纤维增强树脂基复合材料表面功能涂层制备研究

作者：倪新亮中国科学技术大学

学位级别：硕士

本研究旨在提高碳纤维增强树脂基复合材料在特殊应用下的耐特殊介质腐蚀能力,采用等离子体表面技术在碳纤维增强树脂基复合材料表面进行功能涂层的制备。为了克服碳纤维增强树脂基复合材料表面极性弱、表面膜层结合强度低等缺点,先使用... 详细信息

本研究旨在提高碳纤维增强树脂基复合材料在特殊应用下的耐特殊介质腐蚀能力,采用等离子体表面技术在碳纤维增强树脂基复合材料表面进行功能涂层的制备。为了克服碳纤维增强树脂基复合材料表面极性弱、表面膜层结合强度低等缺点,先使用霍尔源放电等离子体对碳纤维增强树脂基复合材料进行表面活化处理,以提高其表面极性和浸润性,再通过直流磁控溅射技术在碳纤维增强树脂基复合材料表面低温制备Al涂层。设计不同等离子体处理工艺,改变等离子体类型,通过接触角测试、拉伸试验、金相分析、扫描电镜分析和红外光谱分析,对比等离子体处理前后碳纤维增强树脂基复合材料表面浸润性、表面形貌、力学性能和表面官能团的变化,并探究等离子体处理碳纤维增强树脂基复合材料的最佳工艺。利用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)分析碳纤维增强树脂基复合材料表面Al涂层组织结构,自行设计垂直拉伸装置测定涂层与基体间的结合强度,并探究不同等离子体处理功率和处理前后不同涂层厚度对膜基结合强度的影响。通过耐含氟介质腐蚀性实验,对比Al涂层制备前后碳纤维增强树脂基复合材料的耐含氟介质腐蚀能力,结果表明： (1)等离子体处理后碳纤维增强树脂基复合材料与蒸馏水的接触角明显降低,表面浸润性和自由能显著提高。等离子体处理效果与工艺参数和等离子体类型密切相关,接触角随处理电流、气压的增加先降低后上升,随处理时间的延长先迅速降低后趋于稳定,当处理电流为1A、气压为1Pa、处理时间为10min时,接触角达到极小值,表面浸润性最佳。相同工艺参数下,不同类型等离子体处理效果依次为：O2>N2>Ar。 (2)经等离子体处理后,碳纤维增强树脂基复合材料表面的处理效果存在时效性,即随着放置时间的延长处理效果下降。等离子体处理时效性与气体源和保存环境有关,常温去离子水中保存可提高时效性,氧等离子体处理后时效性较好,氩等离子体次之,氮等离子体最差。 (3)金相显微镜和SEM观察可知,等离子体处理后碳纤维增强树脂基复合材料表面吸附的杂质小颗粒明显减少,刻蚀痕迹明显,表面粗糙度增加,纤维树脂间粘连程度增加。红外光谱分析结果显示,氩等离子体处理后,碳纤维增强树脂基复合材料表面C-C数量减少,C-O数量增加,同时酯基数量减少,酮基、羧基和醇羟基数量相应增加;氧等离子体处理后CH2-O-CH2吸收峰强度增大;氮等离子体处理后出现C=N和C≡N两个较明显的含氮吸收峰。 (4)等离子体处理后,Al涂层与碳纤维增强树脂基复合材料间结合强度显著上升,且随处理电流的增大先上升再降低,在电流为1A时最佳。膜基结合强度随涂层厚度增加而降低的趋势减弱,在涂层厚度达到25um时,膜基结合强度仍较大,为2.88MPa,而未经等离子体处理时仅为1.22MPa。 (5)耐含氟介质腐蚀性实验表明,Al涂层制备后碳纤维增强树脂基复合材料在含氟介质中的平均腐蚀速率为4.17×10-3g/m2.h-1,相比较Al涂层制备前的3.78×10-2g/m2·h-1,减小了一个量级,耐含氟介质腐蚀能力显著提高。

关键词：碳纤维增强树脂基复合材料浸润性等离子体处理 Al涂层结合强度耐含氟介质腐蚀

碳纤维增强树脂基复合材料表面阻抗调制与结构吸波性能研究

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碳纤维增强树脂基复合材料表面阻抗调制与结构吸波性能研究

作者：陆晓欣哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

在航空航天领域中，碳纤维增强树脂基复合材料由于其轻质高强等优良特性占据了非常重要的地位，为了适应现代战争对隐身的需要，对碳纤维增强树脂基复合材料机身的吸波性能提出了很高的要求。其中，碳纤维增强树脂基结构型吸波材料由于... 详细信息

在航空航天领域中，碳纤维增强树脂基复合材料由于其轻质高强等优良特性占据了非常重要的地位，为了适应现代战争对隐身的需要，对碳纤维增强树脂基复合材料机身的吸波性能提出了很高的要求。其中，碳纤维增强树脂基结构型吸波材料由于可以在提高吸波性能的同时保证一定的承载能力，从而得到了更广泛的应用。本文从从原理和实验两方面出发，利用设计碳纤维增强树脂基复合材料表面连续碳纤维周期性结构铺层，实现表面阻抗的调制，从而在保证材料良好力学性能的同时在8-12GHz实现结构吸波特性。并在此基础上，研究了该复合材料在应变非接触测量上的可行性并通过改进结构实现了1-4GHz低频段吸波的目标。首先从表面阻抗匹配的结构吸波原理出发，在碳纤维增强树脂基复合材料表面引入连续碳纤维周期结构铺层，利用Ansoft HFSS软件探索表面连续纤维铺层在单向排列、单层网格状排列、双层网格状排列等不同排布方式下材料的表面阻抗调制及吸波特性的规律，从而建立了不同铺层方式下材料结构参数和吸波性能之间的关系，同时分析了不同碳纤维种类对于材料结构吸波特性的影响。结果表明表层为碳纤维单向铺层的结构无法达到良好的吸波效果，而具有碳纤维网格结构表面铺层的材料经过合理的设计可以在8-12GHz实现吸波的作用。对于单层碳纤维网格结构表面铺层，其反射衰减最大峰所在的频率随着碳纤维条幅宽度和条幅间距的增加而减小，综合两个参数考虑，经优化宽度为4mm的碳纤维网格结构铺层，当间距为11mm时，反射衰减峰在10.4GHz达到最大值-18dB，电磁波的衰减主要是由电谐振引起的电损耗。其次，在仿真计算的基础上进行了结构的优化，选取了三种不同的碳纤维表层结构进行了编织，制备了相应的复合材料并进行了吸波性能的测试，和计算结果相比较从而对于软件模拟的可行性进行了验证。结果表明，由于界面对电磁波的散射作用，测试结果和计算结果相比反射吸收系数的值更高，也具有更宽的带宽，但是谐振峰位置的差距很小。进一步的，试验中通过将表层碳纤维和底层碳纤维背底相连通大幅降低了谐振频率，使得同样结构的试样在4-8GHz出现了反射吸收峰。最后，对于该种结构吸波材料在应变非接触测试上的应用和低频段吸波调谐进行了初步探索。通过Ansoft HFSS软件计算了材料在不同方向产生一系列拉伸形变下谐振频率的变化量，结果表明对于表面为单层碳纤维网格铺层的复合材料，当试样受到沿入射电磁波电场方向的拉伸作用时，反射谐振峰频率变化和应变量可严格拟合成一条直线，同时变形量在测量仪器精度范围内，可以应用于应变的非接触测量。另一方面，在表面为碳纤维单向排列铺层的材料结构基础上进行改进，将表层碳纤维和底层碳纤维板相连通，并扩大单胞及碳纤维尺寸，通过仿真分析，可以实现使材料实现在1-4GHz低频段内吸波的特性，获得-10dB以下的反射吸收峰值。此时，材料在低频的吸波性能仍可以通过调整表面结构参数进行调谐。

关键词：碳纤维增强树脂基复合材料表面阻抗结构吸波应变非接触测量

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碳纤维增强树脂基复合材料的研究探讨

化工时刊 2020年第12期34卷 25-27,36页

作者：付璐孟玲刘顺强南京交通职业技术学院南京211188 连云港职业技术学院连云港222006

碳纤维增强树脂基复合材料因其所具有的物理和力学性能都很优异而被广泛应用在了航空航天、交通运输以及电子行业等多个领域的结构件制造。本文主要对碳纤维增强树脂基复合材料的发展进程、制备方法、应用领域、连接技术等方面进行了探... 详细信息

碳纤维增强树脂基复合材料因其所具有的物理和力学性能都很优异而被广泛应用在了航空航天、交通运输以及电子行业等多个领域的结构件制造。本文主要对碳纤维增强树脂基复合材料的发展进程、制备方法、应用领域、连接技术等方面进行了探讨,并对其在结构件制造方面的应用前景和发展方向进行了总结。

关键词：碳纤维增强树脂基复合材料结构件制造发展方向

考虑左旋切削刃切削连续性的碳纤维增强树脂基复合材料铣削研究

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中国机械工程 2020年第8期31卷 991-996页

作者：王泽刚王福吉卢晓红赵猛樊俊峰大连理工大学机械工程学院大连116024

采用右旋切削刃铣刀加工碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)时,纤维层受单向轴向力作用而易产生分层、毛刺等损伤,采用左右旋切削刃共存的多刃微齿铣刀对纤维层施加双向轴向力能有效抑制损伤,但如何保证每层纤维都受到左右旋切削刃的切削... 详细信息

采用右旋切削刃铣刀加工碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)时,纤维层受单向轴向力作用而易产生分层、毛刺等损伤,采用左右旋切削刃共存的多刃微齿铣刀对纤维层施加双向轴向力能有效抑制损伤,但如何保证每层纤维都受到左右旋切削刃的切削作用成为抑制损伤的关键。以多刃微齿铣刀为研究对象,通过设计不同的分屑槽螺旋角,获得左旋切削刃切削面积连续、重叠及未连续三种类型的铣刀。通过实验研究发现:切削面积连续时,CFRP加工表面有少量毛刺及翻边;切削面积重叠时,CFRP加工表面无毛刺及撕裂损伤,效果最好;切削面积未连续时,加工表面有大量毛刺和撕裂损伤;此外,表面粗糙度值会随着分屑槽螺旋角的增大而增大。

关键词：碳纤维增强树脂基复合材料多刃微齿铣刀表面粗糙度左旋切削刃切削面积

碳纤维增强树脂基复合材料高速电火花穿孔加工试验研究

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碳纤维增强树脂基复合材料高速电火花穿孔加工试验研究