基于高导热碳纤维复合材料的大尺寸高稳定桁架结构
碳纤维综述
PAN基碳纤维摘要:聚丙烯晴基碳纤维是一种力学性能优异的新材料，具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。
本文简要介绍了其结构，制备方法，性能，应用领域及其前景。
关键词：PAN基碳纤维碳纤维结构 PAN基碳纤维制备 PAN基碳纤维性能PAN基碳纤维应用前景航天军事体育用品1.碳纤维结构碳纤维属于聚合的碳，它是由有机物经固相反应转化为三维碳化合物，碳化历程不同，形成的产物结构也不同。
碳纤维和石墨纤维在强度和弹性模量上有很大差别，这主要是由于其结构不同，碳纤维是由小的乱层石墨晶体所组成的多晶体，含碳量约75%~95%；石墨纤维的结构与石墨相似，含碳量可达98%~99%，杂志少。
碳纤维的含碳量与制造纤维过程中碳化和石墨化过程有关。
2.PAN基碳纤维的制备从原料丙烯晴到聚丙烯晴基碳纤维的制备过程中可以看出四个关键步骤：PAN的聚合，原丝的制备，原丝的预氧化以及预氧化丝的炭化和石墨化。
2.1 PAN的聚合由于PAN分子结构的特性，纯聚体PAN不适宜作为碳纤维前驱体。
工业生产中，往往采用共聚PAN来制备PAN原丝。
引入共聚单体可以起到如下作用：减少聚合物原液中凝胶的产生；增加聚合物的溶解性和可纺性；降低原丝环化温度及变宽放热峰。
但也可能带来一些负作用：降低原丝的结构规整性和结晶度；增加大分子链结构的不均匀性；引入更多的无机和有机杂质等。
2.2 原丝的制备PAN在熔点（317°C）以下就开始分解，因此形成纤维主要通过湿法或干湿法进行纺丝。
干湿法纺丝由于将挤出膨化与表皮凝固进行了隔离，纤维的成形机理有所改变，因此湿法纺丝凝固过程中皮层破裂或径向大孔及表皮褶皱等现象基本消失，干湿法纺丝的原丝表面及内部的缺陷减少、致密性提高。
干湿法纺丝还具有高倍的喷丝头拉伸（3~10mm的空气层是有效拉伸区），纺丝速度高（为湿法纺丝的5~10倍），容易得到高强度、高取向度的纤维等特点，从而保证了碳纤维有足够的强度，是当前碳纤维原丝生产的发展方向。
碳纤维增强复合材料及其应用研究
目前，生产和销售的产品结构采用玻璃钢（复合材料， 主要成分是树脂和玻璃纤维）箱体，其导热系数为 0.4W/（nk）， 密度为 2.3g/cm，且具备较高的拉伸强度，是一种综合性能 优异的复合材料。随着材料技术的不断更新发展，市场对于 轻量化需求日益突出，然而，在现有玻璃钢材料基础上，其 结构形式已无法实现更高的减重目标。碳纤维复合材料具有 质轻、比强度高、比刚度大、抗疲劳好、减震性好等特点， 本文将对不同铺层结构的碳纤维复合材料进行分析，结合产 品进行轻量化设计应用研究。 1 碳纤维增强复合材料
7.8
1.08
210
制造技术成熟，耐蚀性性好，成本低
机械性能较弱，强度偏低
1.5 ～ 2
2.0 ～ 7.0 200 ～ 700
力学性能优异，轻量化程度高
成本高，加工工艺复杂烦琐
1.4 ～ 2.5
1.5
42
优秀低绝缘、高低温及抗腐蚀能力，价格较低
性脆，耐磨性较差
保各部分的建设情况能够严格按照施工设计要求落实。 5 结语
（2）采用足够多的铺层，并使其纤维轴线与内力拉压 方向一致时，可以最大强度利用复合材料的高强度特性；
（3）避免相同纤维取向的铺层叠置； （4）对于较厚的层合板，相邻铺层纤维角度比一般不 超过 6°； （5）铺层中以 0°、±45°、90°的四种铺层角度， 每种占比应不少于 10%，以避免任何方向的基体直接受载； （6）载荷 0°方向时，避免采用 90°的层组，应该用
为了得到最优铺层方案，保证碳纤维复合材料满足刚 度需求，在初始设计过程中，根据铺层原理，选用环氧树 脂为基体，选用厚度为 0.3mm 的碳纤维板层，按照（0°、 45°、90°、-45°、0°）的铺层角度进行复合层板的设计， 本文以下所述碳纤维样片、碳纤维产品材料，均采用该铺层 方案进行设计和加工。 3 有限元分析及实验验证 3.1 有限元分析
短碳纤维增强铝基复合材料的制备及其性能研究
短碳纤维增强铝基复合材料的制备及其性能研究一、内容描述短碳纤维增强铝基复合材料（Short Carbon Fiber Reforced Aluminum Matrix Composite, SCFRA）作为一种先进的复合材料，凭借其轻质、高强、高刚度、良好的耐腐蚀性等优异性能，成为了现代材料科学领域的研究热点。
本文将围绕SCFRA的制备及其性能展开深入探讨。
在制备方面，本文首先介绍了短碳纤维（Short Carbon Fiber, SCF）的基本特性和常用的制备方法。
SCF具有高强度、低密度、良好的热导性和电导性等特性，因此在众多工业领域如航空航天、汽车制造、建筑工程等得到了广泛应用。
文章详细阐述了铝基复合材料（Aluminum Matrix Composite, AMC）的组成、分类及制备工艺。
铝基复合材料以铝合金为基体，通过填充其他材料如陶瓷颗粒、碳纤维、塑料等，可以显著提高其力学性能、耐磨性、耐高温性等。
结合SCF和AMC的特点，本文提出了一种新型的短碳纤维增强铝基复合材料，旨在充分发挥两者优势，实现高性能化。
通过优化SCF 与AMC的配比、制备工艺和微观结构调控，有望获得具有更高比强度、更高比刚度、良好耐磨性和耐腐蚀性的复合材料。
在性能研究方面，本文首先分析了SCFRA的基本力学性能，如拉伸强度、弯曲强度、压缩强度等。
实验结果表明，SCFRA的力学性能明显优于相同成分的铝合金，显示出短碳纤维对铝基体的增强作用。
本文还探讨了SCFRA的热稳定性、耐磨损性、耐蚀性等性能，并与铝合金和碳纤维增强铝基复合材料进行了对比分析。
研究结果显示，SCFRA在高温下仍能保持较高的力学性能和热稳定性，同时具有良好的耐磨性和耐腐蚀性。
针对SCFRA在实际应用中可能遇到的问题，如界面结合强度低、复合材料易氧化等，本文也提出了相应的解决方案。
通过优化表面处理工艺、控制SCF与AMC的界面相容性等手段，可以提高SCFRA的整体性能。
大跨度钢结构空间管桁架设计要点分析
大跨度钢结构空间管桁架设计要点分析1. 引言1.1 背景介绍钢结构在建筑领域中扮演着重要角色，其特点是强度高、承重能力强、施工速度快等优点。
随着建筑技术的不断发展，大跨度钢结构空间管桁架成为了一种常见的设计形式。
其通过管道和节点的连接形成桁架结构，具有较高的抗压和弯曲能力，适用于大跨度空间内的支撑和承载。
大跨度钢结构空间管桁架设计是一门研究工程结构的综合性科学，涉及材料力学、结构力学、工程力学等多个领域的知识。
设计者需考虑力学性能、结构稳定性、材料选择等方面的因素，以确保结构在使用过程中能够安全可靠地承受外部荷载。
钢结构空间管桁架的设计也需要考虑建筑的功能需求和美学要求，使其既能实现结构的功能，又能融入到建筑环境中。
在本研究中，我们将对大跨度钢结构空间管桁架的设计要点进行分析和探讨，包括结构形式选择、节点连接设计、梁柱设计和稳定性分析等方面。
通过对这些要点的深入研究和分析，希望能够为工程设计者提供一定的参考和指导，促进大跨度钢结构空间管桁架的应用与发展。
1.2 研究目的研究目的是为了深入探讨大跨度钢结构空间管桁架设计的关键要点，从而提高设计质量和施工效率。
通过对管桁架结构形式选择、节点连接设计、梁柱设计和稳定性分析等方面进行详细分析，可以为工程师在实际项目中提供参考和指导。
研究也旨在总结经验教训，发现设计中存在的问题和不足，为今后类似工程的设计提供更好的建议和解决方案。
通过本研究的开展，可以促进大跨度钢结构空间管桁架设计技术的进步和应用，推动工程结构领域的发展，提升我国在大跨度钢结构设计领域的竞争力和声誉。
1.3 研究意义大跨度钢结构空间管桁架在现代建筑中起着至关重要的作用。
其研究意义主要体现在以下几个方面：大跨度钢结构空间管桁架设计的研究可以有效提高建筑结构的抗震性能和承载能力。
由于大跨度空间结构受到外力作用较大，必须具有较高的稳定性和抗风、抗震能力。
对其设计关键点进行分析和优化可以大幅提高整体结构的安全性。
碳纤维复合材料热导率
碳纤维复合材料热导率摘要碳纤维复合材料是一种新型的材料，具有优异的机械性能和热导性能。
本文将分析碳纤维复合材料的热导性能，并探讨其在工程领域的应用。
首先介绍了碳纤维复合材料的基本结构和材料性能，然后分析了其热导率以及影响热导率的因素。
最后针对碳纤维复合材料的热导性能进行了展望和总结。
引言碳纤维复合材料是一种由碳纤维和树脂基体组成的复合材料，具有高强度、高模量、低密度等优异的机械性能，因此在航空航天、汽车、船舶、体育器材等领域具有广泛的应用。
与此同时，碳纤维复合材料还具有良好的热导性能，对于一些需要高温稳定性的应用具有重要的意义。
因此，研究碳纤维复合材料的热导性能及其影响因素，对于进一步提高其性能和拓展应用领域具有重要意义。
一、碳纤维复合材料的基本结构和材料性能碳纤维复合材料由碳纤维和树脂基体组成，碳纤维是由石墨化聚丙烯纤维经高温处理而成，具有高强度、高模量、低密度等优异的机械性能；树脂基体是由环氧树脂、酚醛树脂、环氧树脂等高分子材料组成，具有较好的耐热性和耐腐蚀性。
碳纤维和树脂基体相互作用，形成了一种强度和刚度较高的复合材料。
由于碳纤维本身是导电材料，因此碳纤维复合材料具有良好的热导性能。
二、碳纤维复合材料的热导率碳纤维复合材料的热导率是指在单位温度梯度下，单位厚度的材料内传热的能力。
一般来说，导热系数越大，对热的传导能力越强。
碳纤维复合材料的热导率主要受到以下几个因素的影响：1.碳纤维的取向和密度：碳纤维的取向和密度对于热导率有很大影响。
通常情况下，碳纤维的取向越好，密度越大，热导率越高。
2.树脂基体的类型和含量：树脂基体的类型和含量对于热导率也有很大的影响。
通常情况下，树脂基体含量越少，热导率越高。
3.温度和压力：温度和压力对于热导率也有很大的影响。
通常情况下，温度和压力越大，热导率也越大。
4.材料的内部结构：材料的内部结构对于热导率也有很大的影响。
通常情况下，内部结构越均匀，热导率也越高。
高热导率复合材料
一、高导热率复合材料1、导热非绝缘塑料1）金属粉填充一般有Cu、Ni、Sn、Al粉和填充的PVC、HDPE、PP、碳纤维(CF)或环氧树脂(EP)基体及固化剂的填充。
填料体积渗滤临界值取决于粒子形状和粒子在树脂中的空间分布，与填充因子呈线性关系；填充因子决定着材料的导热系数，它包含了材料中填料空间布局及粒子形状对导热系数的影响；由于材料内部的多孔性，在接近填充极限时很难实现材料的高导热性。
复合材料的热导率随着金属粉末含量增加而增加，当金属含量低于10%时，材料的热导率缓慢增加，当体积份数大于30%时，含铜粉的材料热导率高于含锡粉的材料；同时还研究了铜粉体积份数为40%时，材料的热导率与颗粒直径关系，实验表明当铜粉直径为40～60μm时，材料热导率较高。
但是目前这类的研究一般只得到小于10W/m.K的导热复合材料。
2）石墨及CF填充有研究结果表明，用热导率高、粒径小的石墨对聚丙烯进行填充改性，可以显著提高复合材料的热导率，当石墨质量百分含量为45％时，石墨/PP复合材料的热导率达到129W/（m·K），是纯聚丙烯树脂的6倍多；但流动性能和力学性能有所下降。
西安交大的井新利研究了天然鳞片状的石墨填充EP的导热及力学性能。
发现单独使用过粗或过细的石墨都不利于改善加工工艺性，而将几种不同细度的石墨搭配使用则有比较好的效果，搭配可使材料中石墨的堆砌更致密，能提高导热系数。
当石墨为60％时，导热系数达10 W/(m·K)，比纯EP提高了约50倍。
钱欣等研究了石墨填充改性酚醛的导热行为。
发现石墨含量并不是越大越好，呈现先慢增后快增然后再慢增甚至不变的情况。
张舜喜研究了石墨、炭黑填充PE的导热、力学性能。
发现随石墨填充量增多，导热系数明显增加，在50％用量时，导热系数达47.4 W/(m·K)；石墨粒子大小对PE性能也有影响，石墨粒子小，弯曲弹性模量、冲击性能高，反之就低；偶联剂增强了石墨与树脂间的界面粘合力，使制品具有实用价值。
有色金属复合材料
有色金属复合材料有色金属复合材料是一种新型的高性能材料，它是由有色金属或合金作为基体，与其他金属或非金属材料（如陶瓷、碳纤维、金刚石等）作为增强相，通过不同的制备工艺复合而成的。
有色金属复合材料具有许多优异的性能，如高强度、高硬度、高韧性、高耐磨性、高导热性、低热膨胀系数、低密度等，因此在航空航天、汽车、电子、能源等领域有广泛的应用前景。
本文将从以下几个方面介绍有色金属复合材料的基本概念、特点、分类、制备工艺、界面特性和应用领域。
一、有色金属复合材料的基本概念有色金属复合材料是一种多相材料，它由两种或两种以上不同的组分构成，其中一种称为基体，另一种或几种称为增强相。
基体是有色金属或合金，它决定了复合材料的整体性能和加工性能，同时也提供了与增强相之间的结合力。
增强相是金属或非金属材料，它可以提高复合材料的某些特定性能，如强度、硬度、耐热性等。
增强相可以是颗粒、晶须、纤维或片状等不同的形态，其尺寸和分布也影响了复合材料的性能。
有色金属复合材料的基本结构示意图如下：二、有色金属复合材料的特点有色金属复合材料具有以下几个显著的特点：高比强度和高比模量。
比强度和比模量是指单位质量的强度和模量，它们反映了材料的轻量化程度。
有色金属复合材料由于增加了高强度和高模量的增强相，使得其比强度和比模量大大提高，远高于单一的有色金属或合金。
例如，铝基复合材料的比强度和比模量分别是纯铝的2~3倍和3~5倍。
导电和导热性能。
有色金属复合材料由于基体是导电和导热的有色金属或合金，因此具有良好的导电和导热性能。
同时，如果增强相也是导电和导热的（如碳纤维、金刚石等），则可以进一步提高复合材料的导电和导热性能。
例如，碳纤维/铜复合材料的导电率是纯铜的1.5倍，碳纤维/铝复合材料的导热系数是纯铝的2倍。
热膨胀系数小和尺寸稳定性好。
热膨胀系数是指材料在温度变化时，单位长度的变化量，它反映了材料的热稳定性。
有色金属复合材料由于增加了热膨胀系数小的增强相（如陶瓷、碳纤维等），使得其热膨胀系数降低，尺寸稳定性提高，特别适用于高温或温度变化大的环境。
聚丙烯腈基(PAN)碳纤维复合材料
聚丙烯腈基（PAN）碳纤维复合材料2010136103徐铭华摘要:对PAN基碳纤维的发展历程、现状以及以其为增强体的复合材料进行了综述，并对PAN基碳纤维增强复合材料在航天领域的主要使用情况进行了介绍，最后对我国高性能碳纤维复合材料的现状及发展重点进行了探讨。
关键词:PAN基碳纤维;复合材料;航天领域;使用Abstract:In this article, the development of PAN-based carbon fiber, its character and composites reinforced by it is overviewed. The main application of carbon fiber reinforced composites on aerospace is also introduced here .Finally, the status and future development of PAN-based carbon fiber is discussed.Key words: PAN-based carbon fiber; composites; aerospace; application1.前言随着科技的发展和进步以及各国对空间光学遥感器的进一步需求，空间遥感器必然向高分辨率、长焦距、大口径、大视场、大体积而质量更轻的方向发展[1]，然而，发展质量更轻的空间光学遥感器，必须采用性能优异的轻质结构材料，碳纤维复合材料(CFRP)的使用是实现这一要求的最好途径之一。
CFRP是以树脂为基体，碳纤维为增强体的复合材料[2]碳纤维具有碳材料的固有本征特性，又有纺织纤维的柔软可加土性，是新一代军民两用的增强纤维。
它优异的综合性能是任何单一材料无法和其比拟的，现在己经成为先进复合材料的主要增强纤维之一。
CFRP是20世纪60年代中期崛起的一种新型结构材料，一经问世就显示了强大的生命力[3,4]。
大跨度钢结构首榀桁架吊装施工及数值模拟分析
施工人员行走时挂设安全带，确保施工
安全。
4.2 首吊阶段模拟
钢桁架吊装尽量选择有水平支撑的
首榀桁架吊装刚好落位的瞬间，桁
结构单元先吊装。第一榀钢桁架梁吊装
架与钢柱进行临时固定，分析此时结构
到位后，在松钩之前，为防止钢桁架歪
的变形及应力水平。经计算，考虑结构
扭，应拉设临时缆风绳。缆风绳在吊装
础进行组合工况分析。边界条件将 6 根
行连接，固定桁架端部。
设在附近的钢柱柱脚。选用 Ф16mm 的
钢柱柱脚设置为刚结点，施工时屋架跨
缆风绳，并使用 1t 手拉葫芦拉紧。待第
中上下弦系缆风绳位置设置为弹性支
架跨中测量点的偏差，采用缆风绳调整
二榀钢桁架吊装就位后，起重机未完全
座，刚度为 150N/mm。
大跨度钢结构首榀桁架吊装施工及数值模拟分析
武
（安徽富煌钢构股份有限公司，安徽
摘
作者简介：
孙武（1989-），男，安徽六安人，毕业于安徽建
筑大学结构工程专业，硕士，助理工程师。专
业方向：结构工程。
合肥
238076）
要：一直以来，大跨度钢结构厂房建筑的屋面桁架吊装施工都是施工过程中的重难
点环节，不仅精准度要求高，受施工环境扰动也很大，首榀桁架起步单元吊装又是重中
1500 亿元。
渡。同时利用数字化监控、测量设备控
1
引言
近年来，随着国民经济的快速发展，
201A 芯片生产厂房钢结构主要由
制桁架坐标及标高，将首榀桁架安装在
屋面钢桁架、屋面檩条、下挂檩条、钢骨
预定位置，极大地提升了施工效率，同时
各种大型工业和公共建筑采用大跨度钢
碳纤维导热材料
碳纤维导热材料简介碳纤维是一种具有优异性能的导热材料，广泛应用于高技术领域，如航空航天、能源和电子器件等。
本文将介绍碳纤维导热材料的特点、制备方法及其在不同领域的应用。
特点碳纤维导热材料具有以下几个特点：1.高导热性能：碳纤维具有优异的导热性能，其导热系数远高于传统金属材料，使其能够快速传导热量。
2.低密度：碳纤维的密度相对较低，使其在航空航天等领域中能够减轻重量，提高燃料效率。
3.强度高：碳纤维具有很高的强度和刚度，能够承受较大的载荷，具有优异的结构稳定性。
4.耐高温性：碳纤维在高温环境下仍能保持其性能稳定，不易受到热膨胀和热变形的影响。
5.耐腐蚀性：碳纤维不易受酸碱、溶剂等腐蚀介质的侵蚀，具有较强的化学稳定性。
制备方法碳纤维的制备通常采用以下几种方法：1.基于聚丙烯腈（PAN）纤维的制备：首先通过拉伸法或湿法纺丝将PAN转变为聚丙烯腈纤维，然后对纤维进行氧化、炭化和石墨化等处理，最终得到碳纤维。
2.基于天然纤维的制备：利用天然纤维如竹子、木材等作为原料，通过炭化和化学气相沉积等方法制备碳纤维。
3.化学气相沉积法（CVD）：通过在高温下将碳源气体在衬底或模板上沉积，得到碳纤维。
应用领域碳纤维导热材料在以下领域得到广泛应用：航空航天由于碳纤维具有高强度、低密度和耐高温性等特点，被广泛应用于航空航天领域。
碳纤维复合材料的使用可以减轻飞机、火箭等载具的重量，提高燃料效率。
同时，在发动机和热防护系统中，碳纤维导热材料也能有效传导和分散热量，提高能源利用效率。
能源碳纤维导热材料在能源领域具有重要作用。
例如，在太阳能光伏板中，碳纤维导热材料能够将太阳能转换为电能的过程中产生的热量快速散发，提高光伏板的效率。
此外，在核能领域中，碳纤维导热材料也可用于导热管和热交换器等部件，实现核能的高效利用。
电子器件碳纤维导热材料在电子器件中有广泛的应用。
由于碳纤维具有优异的导热性能，可以用于散热材料，避免电子器件因过热而损坏。
高导热C_C复合材料的发展现状_孔清
收稿日期：2013－11－22基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划），“高导热碳/碳复合材料结构设计与实现机制”（2011CB605802）作者简介：孔清，1986年出生，硕士，主要从事C /C 复合材料的研究工作。
E －mail ：kongq703@163．com 通讯作者：冯志海，1965年出生，研究员，主要从事烧蚀防热复合材料的研究．E －mail ：fengzhh2006@sina．com高导热C /C 复合材料的发展现状孔清樊桢余立琼冯志海（航天材料及工艺研究所，先进功能复合材料技术重点实验室，北京100076）文摘高导热C /C 复合材料具有高热导率、低密度、低热胀系数和高温下高强度等性能，成为近年来最具发展前景的散热材料之一。
本文综述了国内外高导热C /C 复合材料的发展现状，分析了C /C 复合材料的热物理性能及影响其热导率的因素，介绍了C /C 复合材料的导热机理、碳纤维、基体炭的导热性能，以及高导热C /C 复合材料的制备和改性等。
关键词C /C 复合材料，热导率，碳纤维，导热机理中图分类号：TQ342+．74DOI ：10．3969/j．issn．1007－2330．2014．01．002Progress of High-Thermal Conductivity Carbon /Carbon CompositesKONG QingFAN ZhenYU LiqiongFENG Zhihai（Science and Technology on Advanced Functional Composites Laboratory ，Aerospace Ｒesearch Institute ofMaterials ＆Processing Technology ，Beijing 100076）Abstract Carbon /carbon composites are attractive candidates for heat dissipation due to their high thermal con-ductivity ，low density ，low dilatability and excellent mechanical properties．The paper summaries the research anddevelopment of high-thermal conductive C /C composites domestic and overseas ，the thermophysical properties of C /Ccomposites and the factors affecting on thermal conductivity are discussed．The thermal conductive mechanism of C /Ccomposites ，carbon fibers and matrix carbon are introduced ，and the preparation and modification of C /C composites are also recommended．Key words C /C composites ，Thermal conductivity ，Carbon fiber ，Thermal conductive mechanism 0引言随着科学技术的迅猛发展，散热成为许多领域发展的关键技术。
纤维增强聚合物复合材料性能与制造概述
纤维增强聚合物复合材料性能与制造概述复合材料是将两种或两种以上不同品质的材料通过专门的成型工艺和制造方法复合而成的一种高性能新材料,按使用要求可分为结构复合材料和功能复合材料,到目前为止,主要的发展方向是结构复合材料,但现在也正在发展集结构和功能一体化的复合材料。
通常将组成复合材料的材料或原材料称之为组分材料(constituent materials),它们可以是金属、陶瓷或高聚物材料。
对结构复合材料而言,组分材料包括基体和增强体,基体是复合材料中的连续相,其作用是将增强体固结在一起并在增强体之间传递载荷;增强体是复合材料中承载的主体,包括纤维、颗粒、晶须或片状物等的增强体,其中纤维可分为连续纤维、长纤维和短切纤维,按纤维材料又可分为金属纤维、陶瓷纤维和聚合物纤维,而目前用得最多的和最重要的是碳纤维。
范围在6~8μm内,是近几十年发展起来的一种新型材料。
目前用在复合材料中的碳纤维主要有两大类:聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维,分别用聚丙烯腈原丝(称之为前驱体)、沥青原丝通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得。
通过碳化工艺,使纤维中的氢、氧等元素得以排出,成为一种接近纯碳的材料,含碳量一般都在90%以上,而本身质量却大为减轻;由于碳化过程中对纤维进行了沿轴向的预拉伸处理,使得分子沿轴向进行取向排列,因而碳纤维轴向拉伸强度大大提高,成为一种轻质、高强度、高模量、化学性能稳定的高性能纤维材料。
用碳纤维和高性能的树脂基体复合而成的先进树脂基复合材料是目前用得最多,也是最重要的一种结构复合材料。
此外,用天然纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维作增强体的树脂基复合材料也在快速发展。
1、纤维增强聚合物基复合材料的特性1)比强度、比模量大碳纤维、硼纤维等有机纤维增强的聚合物基复合材料的比强度比钛合金高3-5倍,比模量比金属高4倍。
这种性能因增强的纤维排列不同会在一定的范围内浮动。
2)耐疲劳性能好金属材料的疲劳破坏常常是没有明显预兆的突发性破坏,而聚合物基复合才来哦中纤维与基体的界面能阻止材料的受力所致裂纹的扩展。
复合材料概论第2章--复合材料的基体材料[研究材料]
![复合材料概论第2章--复合材料的基体材料[研究材料]](https://img.taocdn.com/s3/m/b865338b3186bceb19e8bbfb.png)
调研学习
1
2.1 金属材料
现代科学技术的发展对材料性能的要求越来 越高，特别是航天航空、军事等尖端科学技术的 发展，使得单一材料难以满足实际工程的要求， 这促进了金属基复合材料的迅猛发展。
调研学习
2
1
与传统金属材 料相比，金属 基复合材料具 有较高的比强 度、比刚度和 耐磨性
2
3
与树脂基复合材
与陶瓷材料相
抗弯强度
度（℃） （室温三点）Mpa
密度 /g·cm-3
反应烧结SiC 1600～ 1700
159~424
3.09~3.12
热压SiC
1800～ 2000
718~760
3.19~3.2
CVD SiC涂层 1200～ 1800
重结晶SiC 1600～ 1700
烧结SiC 1950～ （掺SiC－B4C ） 2100
调研学习
17
如何增强基体 与增强物的相
容性？
A 对增强纤维进行表面处理改性
B 在金属基体中添加其他成分
C 选择适宜的成型方法
调研学习
18
注意：在用铁、镍作为基体时，不适宜用碳（石墨） 纤维作为增强物。
因为，铁、镍元素在高温时能有效促使碳纤维石墨化， 破坏了碳纤维的结构，使其丧失原有的强度，而不能 提高复合材料的综合性能。
烧结SiC （掺B）
1950～ 2100
731~993 2.95~3.21
~170
2.6
~280
3.11
~540
3.1
调研学习
弹性模量 /MPa
380~420×103
440×103
480×103 206×103
－
导热型复合材料
聚合物是热绝缘体，其导热率在 0.2W/m.K 左右。可以想一下饭锅和电熨斗的手柄。聚 合物还具有较高的 CTEs，通常在 50-80ppm/K 范围内，而铝合金约 23。这些性能在许多工 程应用中是严格的限制条件。从表上可以看出，添加非连续性玻纤增加了刚度，降低了 CTE， 但对于导热性没影响。
8. 9 2. 7 15- 17 1. 4- 1. 6
环氧
23
0. 9
0. 6
10
2. 1
环氧
63
6
0. 5
2. 3
1. 6
环氧
110
23
0. 5
0. 4
1. 7
环氧
各种 聚合物
碳
铝 铝 铜 银 碳化硅
165
30- 140
240 115- 265 220- 250 255- 410 250- 300
140
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350- 400 170- 220 325- 450 465- 550 550- 650 600- 680
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40 170- 220 325- 450 465- 550 550- 650 600- 680
-1
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602- 16. 2 6- 10
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增强材料
无 无 钨 粉碎 E 玻纤 连续粉碎 E 玻纤 连续中模量 PAN 基碳纤维 连续超高模量 PAN 基碳纤维 连续沥青基 碳纤维 非连续沥青基 碳纤维 连续沥青基 碳纤维 碳化硅粒子 金刚石粒子 金刚石粒子 金刚石粒子 金刚石粒子
一种航天器桁架结构热稳定性优化设计方法和系统[发明专利]
![一种航天器桁架结构热稳定性优化设计方法和系统[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/cc9bc816f011f18583d049649b6648d7c1c70815.png)
专利名称：一种航天器桁架结构热稳定性优化设计方法和系统专利类型：发明专利
发明人：马健,刘凤晶,王成伦,余快,刘宁,孔祥皓,朱玛
申请号：CN201810168112.6
申请日：20180228
公开号：CN108509678B
公开日：
20220304
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种航天器桁架结构热稳定性优化设计方法和系统，其中，所述方法包括：根据材料特性获取纤维及基体热膨胀系数，并计算单层板的力学与热膨胀性能；根据所述单层板的力学与热膨胀性能，建立热膨胀系数、刚度和铺层三者之间的函数关系；根据所述函数关系，求出给定目标与约束条件下的管件设计参数，以及所需热膨胀系数的碳纤维复合材料管件的铺层方式，以实现定热膨胀性能管件的反向设计。
通过本发明，可在给定材料与管件尺寸的情况下，反向计算出满足设计要求的复合材料管件的铺层形式，提高了复合材料结构设计水平。
申请人：北京空间飞行器总体设计部
地址：100094 北京市海淀区友谊路104号
国籍：CN
代理机构：中国航天科技专利中心
代理人：范晓毅
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地铁车辆用碳纤维构架横梁工艺制造技术研究
第1期纤维复合材料㊀No.1㊀82 2024年3月FIBER㊀COMPOSITES㊀Mar.2024地铁车辆用碳纤维构架横梁工艺制造技术研究陈东方1,刘鑫燚2,周㊀骐2,孙厚礼1,户迎灿1,陈燕荣1,邹红阳2(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司,青岛266111;2.哈尔滨玻璃钢研究院有限公司,哈尔滨150028)摘㊀要㊀随着以碳纤维为代表的纤维复合材料的推广和应用,在轨道交通领域,复合材料逐步从非承载件向主承力结构发展㊂转向架作为列车车辆的核心部件,其较重的质量为列车轻量化革新提供了可观的空间㊂本文基于纤维缠绕工艺及树脂传递成型工艺,通过对原材料的筛选㊁模具的设计㊁工艺参数的优化,成功实现了多腔㊁曲面㊁大尺寸㊁厚壁的碳纤维转向架构架横梁的一体成型㊂测试结果表明,孔隙率㊁纤维体积含量㊁固化度及内部质量等性能充分达到设计要求且减重效果明显,完成了结构功能一体化的复合材料构架横梁国产化研制目标㊂关键词㊀地铁车辆;构架横梁;碳纤维;轻量化Study on Manufacturing Technology of Carbon Fiber FrameCrossbeam for Metro VehiclesCHEN Dongfang1,LIU Xinyi2,ZHOU Qi2,SUN Houli1,HU Yingcan1,CHEN Yanrong1,ZOU Hongyang2(1.CRRC Qingdao Sifang Co.,Ltd.,Qingdao266111;2.Harbin FRP Institute Co.,Ltd.,Harbin150028)ABSTRACT㊀With the promotion and application of fiber composite materials represented by carbon fibers,composite ma-terials are gradually developing from non load-bearing components to main load-bearing structures in the field of rail tran-sit.As the core component of train vehicles,the heavy weight of the bogie provides considerable space for lightweight inno-vation of trains.This article is based on the fiber winding process and resin transfer molding process.Through the selection of raw materials,design of molds,and optimization of process parameters,the integrated molding of multi cavity,curved, large-sized,and thick walled carbon fiber bogie frame crossbeams have been successfully achieved.The test results show that the porosity,fiber volume content,curing degree and internal quality fully meet the design requirements and the weight reduction effect is obvious,and the research goal of localization of composite frame beam with integrated structure and func-tion is completed.KEYWORDS㊀metro vehicle;frame crossbeam;carbon fiber;lightweight通讯作者:刘鑫燚,男,工程师㊂研究方向为树脂基复合材料成型㊂E-mail:liuxinyi201607@㊀1期地铁车辆用碳纤维构架横梁工艺制造技术研究1㊀引言随着科技与产业的迅速发展,轨道交通行业在满足人们日益增加的出行及运输需求的同时,也对轨道交通智能化㊁绿色化㊁轻量化等方面提出了更高的要求[1]㊂其中,轻量化一直以来都是轨道交通车辆设计制造追求的目标,兼具环保意义[2]㊂产品 以新代旧 ,材料 更新换代 是实现轨道交通向自重小㊁性能好㊁舒适度高㊁绿色化等方向快速发展的有效措施之一[3]㊂纤维复合材料作为轻质高强的典型材料体系[4-5],被广泛应用于航空航天㊁武器军工㊁汽车工业等行业,其比强度㊁比刚度㊁抗疲劳性及耐腐蚀性等优于钢材和铝[6],且具有可设计性㊂目前,在轨道交通领域,纤维复合材料已成功应用于车辆内饰㊁司机室㊁转向架㊁设备舱㊁车体[8]等部分㊂转向架作为轨道交通的核心结构之一,其主体由构架横梁和构架侧梁组成,不仅支撑车厢运行外,还担负着牵引和制动力传递到车轮上的任务㊂传统的转向架采用钢材焊接而成,约占整车重量的30%~40%[9],较高的重量为新材料代替提供了宝贵的空间,减重意义重大[10]㊂纤维复合材料经过数十年的发展,设计㊁制造及成型工艺已较为成熟[11-12]㊂20世纪80年代,德国开发了名为HLD-E的世界首台复合材料转向架,时速可达200公里[8]㊂1989年,日本基于纤维缠绕工艺,成功研制了复合材料转向架构架,较原钢制构架减重70%[13],2014年,川崎重工有限公司开发的ef-WING转向架,可减重40%[14]㊂2018年,在德国举行的柏林国际轨道交通技术展上,中车四方股份发布了新一代碳纤维地铁车辆 CETROVO ,该车采用碳纤维复合材料转向架,不仅使整车减重13%[15],而且有效提升了构架的屈服强度和抗疲劳性能[9]㊂2021年,中车唐山公司研制的新型都市快轨列车下线,该车的转向架设计突破传统轨道交通车辆转向架的设计思路,首次推出 全装配无焊接㊁多级刚度挠性构架 理念的 弓 系轻量化转向架,可减重20%~40%,全生命周期成本降低15%以上㊂纤维复合材料成功应用于转向架等结构,验证了复合材料在轨道交通领域主承力件上适用的可行性,但随着产品逐渐向结构功能一体化方向发展,复合材料的链接问题逐渐凸显,更加复杂㊁多样的结构被设计出来,构架横梁也由单一腔体㊁小尺寸的简单结构趋向于多腔㊁较大尺寸的一体化设计,结构效率更优㊂本文基于干态纤维缠绕预成型坯+树脂传递成型(Resin Transfer Molding, RTM)的复合材料混合式成型工艺成功研制了多腔的碳纤维构架横梁㊂2㊀材料与设备为实现结构功能一体化的设计目标,本次设计的碳纤维构架横梁为多腔,类 哑铃 型的曲面结构,外形尺寸为1804mmˑ749mmˑ221mmˑ275 mm,壁厚为8mmˑ20mm不等,内部设有加强筋,贯穿构架横梁前后㊂图1㊀碳纤维构架横梁结构图树脂基复合材料成型工艺主要有模压成型㊁缠绕成型㊁拉挤成型㊁热压罐成型㊁真空导入成型㊁RTM成型等[16]㊂碳纤维构架横梁结构如图1所示,常见复合材料成型工艺对照和碳纤维构架横梁成型用原材料及设备如表1和表2所示,根据图1的构架横梁结构形状及铺层信息,对比表1不同成型工艺的成型特点㊁适用范围,最终优选纤维缠绕预成型坯+真空-高压RTM的混合式成型工艺,该成型方式不仅发挥了纤维缠绕工艺的高效率㊁高自动化程度㊁准确铺层角度及优异的稳定性等优点,同时兼具了真空-高压RTM工艺,产品内部质量优异㊁孔隙率低的特点,并可一体成型㊂表1㊀常见复合材料成型工艺对照表成型方法常见制品工艺问题及难点经济投入是否可行模压工艺大批量薄壳结构尺寸大㊁壁厚大大ˑ拉挤成型恒定横截面制品变曲面不可成型较小ˑ38纤维复合材料2024年㊀续表1成型方法常见制品工艺问题及难点经济投入是否可行缠绕成型筒㊁管等回转体多腔体湿法缠绕组装难较小ɿ热压罐成型薄壁件不宜厚壁,成型效率低大ˑ真空导入成型简易薄壁件不宜厚壁,内部质量较差较小ˑRTM 批薄壁㊁大尺寸件树脂流动通道设计,工艺稳定性较小ɿ手糊法范围广效率低,稳定性差较小ˑ表2㊀碳纤维构架横梁成型用原材料及设备材料及设备型号厂家应用增强材料T700级碳纤维制品哈尔滨玻璃钢研究院有限公司原材料树脂基体环氧树脂哈尔滨玻璃钢研究院有限公司原材料缠绕机ZYSC -0187哈尔滨玻璃钢研究院有限公司预成型缠绕真空泵SL22-466青岛东方三力压力容器有限公司真空辅助排气注胶机JHG1J60XC20C5东莞久耐机械有限公司高压RTM 成型固化炉YN12-B1400-J 哈尔滨北方炉窑制造有限公司固化探伤仪EPOCH650OLYMPUS超声探伤3㊀工艺设计与制造3.1㊀基体材料选型RTM 工艺是一种低成本㊁较高自动化㊁绿色化的复合材料成型技术之一[17]㊂根据真空辅助情况㊁合膜方式㊁注胶压力等条件,RTM 又衍生出高压注射树脂传递成型(HP -IRTM)㊁高压压缩树脂传递成型(HP -CRTM)㊁真空辅助树脂传递成型(VARTM)㊁轻质树脂传递模塑成型(LRTM)等技术[18-19]㊂理论上,RTM 用树脂应具有较低且相对稳定的粘度,使用期内粘度为100~500mPa㊃s 较佳,为防止树脂灌注过程中发生固化反应,在注射过程的30~250min 内,粘度宜小于1000mPa㊃s [20]㊂依据碳纤维构架横梁的应用要求,树脂基体为环氧树脂体系,在满足强度㊁模量㊁断裂韧性等力学性能要求㊁玻璃化转变温度等理化性能的条件下,还应考虑成型工艺要求㊂构架横梁筛选树脂的理化性能如表3所示㊂表3㊀构架横梁筛选树脂的理化性能表树脂序号1#2#3#4#5#6#7#(对照组)固化剂类型胺类酸酐类胺类酸酐类胺类酸酐类酸酐类密度/g /cm 3 1.1-1.2 1.1-1.2 1.1-1.2 1.1-1.2 1.1-1.2 1.1-1.2 1.1525ħ粘度/mPa㊃s 200-300200-300200-300300-600140-240350-600500-600室温可操作时间130-200min 5h 以上,5h 粘度到310mPas约2h 6h 以上60-90min ȡ4.5h ȡ4h 拉伸强度/MPa 65-7570-8065-80ȡ7070-8075-8562.71拉伸模量/GPa 2.8-3.2 2.7-2.9 2.8-3.2ȡ3.0 2.8-3 2.7-3.2 3.16断裂伸长率/%6-103-57-10ȡ33-5 6.5-9 2.26弯曲强度/MPa 100-120115-125110-130ȡ115110-130120-130118.5弯曲模量/GPa 2.8-3.2 2.7-2.93-3.3ȡ3.0 2.8-3 2.7-3 3.03冲击强度/(kJ /m 2)--20-54--------层间剪切/MPa 35-7056--------玻璃化转变温度/ħ72-82120-13080-90ȡ120100-110120-130115凝胶时间120ħ下18-28min 150ħ下1.5-2min ------固化条件100ħ∗1h +150ħ∗2h110ħ∗2h +160ħ∗4h--90ħ∗2h +110ħ∗3h120ħ∗2h +160ħ∗4h48㊀1期地铁车辆用碳纤维构架横梁工艺制造技术研究㊀㊀由表3可知,牌号1#及3#的树脂玻璃化转变温度低于要求的100ħ㊂5#树脂可操作时间较短,不利于工艺成型㊂作为2#树脂改型的6#树脂,其力学性能,如断裂延伸率等优于2#,与4#树脂相比,固化效率更高㊁能源损坏更少,同时相对于其他几种牌号的树脂,6#性能表现全面且优异㊂最终综合了经济㊁工期等多方面因素,最终选定6#环氧树脂体系,作为构架横梁成型用基体树脂㊂6#树脂是一种双组份的高性能环氧树脂体系,具有低粘度㊁可操作时间长㊁工艺性能好等优点,并且在适当的温度下可以快速固化,具有优异的力学性能和极强的纤维粘接性㊂构架横梁成型工艺将采用RTM,而7#环氧树脂是工艺成熟且适用于RTM 的树脂体系,故选择7#树脂作为6#树脂性能的对照参考㊂树脂粘度是影响RTM 工艺过程的关键因素之一㊂在成型工艺过程中常需要将树脂预热,以提高树脂的流动性㊂按照说明配比,配置6#及7#树脂体系,测量其在不同温度下的粘度,如图2所示㊂整体上,两种牌号的树脂粘度随着温度升高而降低㊂除25ħ时,6#树脂粘度低于7#树脂外,其余温度下6#树脂粘度普遍较高于7#树脂㊂6#树脂粘度在70ħ时略高于60ħ,并与7#树脂50ħ时相差不多,这是因为7#树脂的固化温度高于6#树脂,试用期更长,在70ħ时,6#树脂已开始发生固化反应㊂图2㊀6#及7#树脂粘度随温度变化曲线测量6#及7#树脂在恒温60ħ下的粘度,每次测量间隔为30min,其粘度随时间变化曲线如图3所示,树脂粘度随保温时间的延长而逐渐升高,这是因为树脂中已加入了酸酐类固化剂,随着试验的进行,树脂发生反应㊂整体上粘度曲线随保温时间呈指数变化,6#变化较为缓慢,在约250min 前,6#树脂粘度均低于7#树脂粘度,表明在60ħ的温度下,一定时间内,6#树脂更适于RTM 成型㊂图3㊀6#及7#树脂-恒温60ħ粘度随时间变化曲线测量6#及7#树脂在恒温80ħ下的凝胶时间如图4所示,可见6#及7#树脂凝胶时间相差不多,约115min㊂玻璃化转变温度上,6#树脂略高于7#树脂㊂在树脂浇注体的力学性能方面,6#树脂的断裂延伸率㊁冲击强度显著优于7#树脂,该性能可一定程度内提高构架横梁抗砂石冲击的能力,即排除了7#树脂作为构架横梁的基体选择㊂图4㊀6#及7#树脂理化性能对照目前,7#树脂RTM 工艺时,预热温度为60ħ,根据7#与6#树脂的粘度测试结果,6#在60~70ħ时,接近7#树脂在50~60ħ时的粘度㊂同时,凝胶时间也相差不多㊂因此,6#在粘度及凝胶时间上适合于本次成型采用的RTM 工艺㊂58纤维复合材料2024年㊀作为轨道交通的主承载结构件,同时为实现多腔碳纤维构架横梁的国产化目标,纤维增强材料选择国产T700级碳纤维㊂碳纤维是一种的力学性能优异的新材料,兼具碳材料的强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征,国产T700级碳纤维拉伸强度>4500MPa,弹性模量为220~260GPa,密度为1.8g /cm 3㊂为考量原材料强度及成型工艺的优异,参照构架横梁的典型铺层,采用RTM 工艺制备了层压板,并依据国标分别进行了拉伸性能㊁压缩性能㊁弯曲性能及面内剪切性能的力学测试,如图5所示,测得强度分别为738.40MPa㊁197.54MPa㊁471.21MPa 和168.42MPa,均大于理论设计值㊂图5㊀典型铺层层压板力学性能测试3.2㊀模具设计㊀㊀在缠绕及RTM 成型工艺中,相当部分的成本花在模具和夹紧装置上㊂本方案模具设计为45#钢材质,分为干态纤维缠绕成型用模具和RTM 成型用模具㊂根据横梁的结构及铺层信息,构架横梁分为五腔体单独缠绕(左上㊁左下㊁中心㊁右上㊁右下型腔模具),左右腔体组装({左上+左下}㊁{右上+右下})缠绕,最后进行整体缠绕({左上+左下}+中心+{右上+右下}),共进行缠绕工艺8次㊂由于构架横梁结构似 哑铃型 ,脱模时不能沿模具轴向脱出,如图6所示,特将模具按照产品内腔形状,设计分瓣结构,彼此之间采用沉头螺栓+插接的方式固定㊂模具轴向长度需大于产品长度,考虑后期的加工余量和缠绕钉环占位㊂不同组装缠绕阶段采用端板固定㊂纤维缠绕后进行RTM 成型㊂一定注胶压力的RTM 成型工艺,既可以保证产品内部质量,又可以降低传统真空辅助RTM 工艺对树脂流动通道的设计依赖㊂RTM 成型用模具主要用于真空和高压注胶过程,分为阴模和阳模㊂RTM 成型模具示意如图7所示,模具采用组装形式,分为外模具上半部㊁中部及下半部,三者采用螺栓紧固,并在中部模具上设计密封槽用于模具密封,在外模上下半部外表面设计网格加强筋以提高耐压强度,保证模具型腔的准确㊂图6㊀纤维缠绕成型模具设计图图7㊀RTM 成型模具示意图68㊀1期地铁车辆用碳纤维构架横梁工艺制造技术研究㊀㊀3.3㊀工艺成型碳纤维构架横梁成型示意如图8所示,碳纤维构架横梁成型过程主要分为缠绕准备阶段㊁缠绕成型阶段㊁RTM 成型阶段㊁固化㊁探伤及最后的机械加工检验㊂图8㊀碳纤维构架横梁成型示意图3.3.1㊀纤维缠绕成型纤维缠绕过程在哈尔滨玻璃钢研究院有限公司自主研发㊁设计㊁制造的缠绕机上进行㊂在缠绕机上按照铺层设计设定起始点位置㊁丝嘴距表面距离㊁封头停留角㊁纱片宽等工艺参数,同时调整缠绕张力及缠绕速度,如果缠绕张力过大,会导致纤维缠绕过紧,不易树脂浸润或浸润不均匀,而纤维缠绕张力过小,会导致纤维松散,线性较差,结构性能降低;缠绕速度过快,在干态纤维缠绕情况下,会导致纤维起毛㊁磨损并容易断裂,而缠绕速度过慢会影响成型效率㊂由于线张力的作用,在变径,即有高度差的过渡段常会出现纤维架空现象,导致纤维不能贴附模具表面,特别是在小角度铺层缠绕时,该现象更为明显㊂分析构架横梁结构可知,端部 哑铃区域 的过渡段为易架空区域㊂针对此问题,并结合目前碳纤维行业的发展,0ʎ铺层采用单向布手工铺放的形式㊂在组合缠绕时,需将缠绕的预成型体组装,由于端板设计精度要求较高,特设计专用工装,使预成型体间既能紧密贴合,又不会破坏缠绕时的线型㊂干态纤维整体缠绕过程如图9所示㊂图9㊀干态纤维整体缠绕过程图3.3.2㊀RTM 成型采用特定工装将干态纤维缠绕预成型坯放入至RTM 模具中㊂RTM 上下模的精密配合有助于模内空腔的压力平衡,使树脂渗透均匀,利于产品质量的提高㊂由于采用刚性模,且预成型坯蓬松,大于实际产品尺寸,不易合膜,故合模时采用专用工装78纤维复合材料2024年㊀及压机压实,螺栓锁紧的同时使用塞规仔细校正合膜缝隙,防止因模具闭合的不准确,造成内腔的偏差,进而导致产品厚度的不均匀,甚至出现白斑㊂RTM 成型过程采用真空辅助排气,高压树脂灌注的形式㊂依据RTM 有限元仿真分析软件,并参考构架横梁的加工区域,设计真空抽气孔㊁注胶孔的数量并布置于流道较为合理和非产品区域㊂在成型过程中,首先对密闭模腔进行真空辅助排气至百帕级,后用高压树脂灌注设备将树脂打入模腔,注胶前需对树脂预热,灌注过程持续至设备不再注入树脂,同时过程中应设置注胶速度梯度,在树脂的试用期内高效率㊁充分且完全的灌入,并尽可能减少纤维冲刷现象㊂此外,注胶结束后,应保压一段时间,防止纤维浸润不均㊂3.3.3㊀固化及脱模依据DSC 结果,确定成型树脂的固化制度㊂由于RTM 为带有外模具的固化,固化温度和时间需考虑模具的传热,涉及模具的材质和厚度,如图10所示,碳纤维构架横梁的固化时间大幅延长㊂图10㊀碳纤维构架横梁固化工艺曲线横梁脱模依次按照外模具㊁缠绕固定用端板,并采用脱模机及油压泵将左上㊁右上㊁左下㊁右下㊁中心型腔模具顺次脱出,得到整体横梁,最后进行超声探伤及机械加工㊂碳纤维构架横梁产品如图11所示㊂4㊀理化性能分析转向架的使用工况决定了其在轨道交通车辆的重要程度㊂因此对其内部质量提出了较为苛刻的要求㊂依据‘GB /T2576纤维增强塑料树脂不可溶分含量试验方法“㊁‘GB /T3365碳纤维增强塑料孔隙图11㊀碳纤维构架横梁产品含量和纤维体积含量试验方法“㊁‘GJB1038.1纤维增强塑料无损检验方法超声波检验“对构架横梁进行了纤维体积含量㊁固化度㊁孔隙率及内部质量进行了检测分析㊂抽取两件构架横梁,编号1㊁2,每件取五组实样,如图12所示,测得其纤维体积含量分别为60.67%及59.72%,满足设计要求的55%,孔隙率为0.013%及0.015%,远低于设计值的3.5%,固化度为97.76%及97.58%,达到90%的固化要求㊂在超声波探伤检测阶段,采用奥林巴斯超声探伤仪在确认零件表面无影响检测结果的前提下,且检测仪器和探头在校验期内,经对比试块检验,在零件表面涂抹一层薄薄的耦合剂,以小于50mm /s 的速度对该件进行直线或锯齿形扫查,扫描间距<3mm,测量结果显示,构架横梁外平面及内部加强筋无疏松㊁架桥及分层缺陷,满足中车青岛四方关于复材结构内部质量验收要求的A 级标准㊂可见采用较高压力的RTM 成型方式,产品内部质量优异㊂碳纤维构架横梁探伤过程如图13所示㊂5㊀结语新型的多腔㊁曲面㊁大尺寸㊁厚壁碳纤维构架横梁成功研制,为结构功能一体化复合材料转向架的应用提供了可能,弥补了我国在多腔体碳纤维转向架的国产化研制空白,产品重约118kg,实现了减重20%的既定目标,正待后续的台架试验及青岛地铁一号线复合材料示范车的装车运行㊂然而,尽管轨道交通的制造商们已成功研发多种碳纤维转向架,但都停在试验阶段,尚未大规模商用[14],其88㊀1期地铁车辆用碳纤维构架横梁工艺制造技术研究图12㊀1号㊁2号构架横梁孔隙率及纤维体积含量图13㊀碳纤维构架横梁探伤过程原因主要是缺少评价体系和高昂的成本,这是一个长期积累和探索的过程㊂相较于金属制品,复合材料的制备几乎是不可逆的,如何保证成型工艺的稳定性,降低废品率,是低成本制造的关键因素㊂随着我国在复合材料领域的快速发展,原材料成本不断降低㊁工艺技术水平㊁结构设计能力㊁评价体系的逐步完善,结构更优㊁功能更全㊁质量更轻㊁效率更高的复合材料制品被设计出来,将不断推动复合材料在轨道交通领域的快速发展㊂参考文献[1]李明高,张丽娇.轨道交通装备复合材料应用现状及发展趋势展望[J].纺织导报,2020(7):6.[2]张莉,董磊,刘志远.碳纤维复合材料在轨道交通车辆转向架上的应用[J].城市轨道交通研究,2020.[3]李明高,张丽娇.轨道交通装备复合材料应用现状及发展趋势展望[J].纺织导报,2020(7):6.[4]Carruthers J J 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高导热沥青基碳纤维复合材料在航天器中的应用现状及展望
高导热沥青基碳纤维复合材料在航天器中的应用现状及展望杨强;刘洪新;何端鹏;陈海峰;陈维强;金晶;潘福明
【期刊名称】《材料导报》
【年(卷),期】2024(38)1
【摘要】随着新一代航天器不断朝着超大型化、微小型化、高效能化方向发展,航天器对轻质高强高模高导热材料的需求日益迫切。
相比传统的聚丙烯腈(PAN)基碳纤维,高导热沥青基碳纤维具有超高的热导率、更高的拉伸模量以及更低的热膨胀系数,是实现承载/传热/热尺寸稳定性功能一体化的理想材料,在航天领域得到了重要应用并展现出巨大应用前景。
本文介绍了高导热沥青基碳纤维及其复合材料的性能特点、发展现状以及在航天器中的应用现状,重点从航天器热管理结构、热防护结构、高尺寸稳定性结构、多功能结构、电子设备外壳等方面综述了其应用现状,最后对高导热沥青基碳纤维复合材料的发展及应用前景进行了展望。
【总页数】8页(P212-219)
【作者】杨强;刘洪新;何端鹏;陈海峰;陈维强;金晶;潘福明
【作者单位】北京空间飞行器总体设计部;北京卫星制造厂有限公司;中国空间技术研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TB332
【相关文献】
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4.碳基高导热材料及其在航天器上的应用
5.一种连续高导热沥青基碳纤维增强环氧树脂复合材料及其制备方法
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圆管带式输送机桁架结构轻量化设计
圆管带式输送机桁架结构轻量化设计
周利东;展翼飞;袁媛;闫永杰;刘源;张鼎益;陈振鲁
【期刊名称】《煤炭工程》
【年(卷),期】2024(56)4
【摘要】为了解决圆管带式输送机桁架结构设计常参照经验而使用钢量浪费的问题,提出基于实验设计(DoE)的优化设计方法。
分析圆管带式输送机桁架承受的荷载组合情况,在Ansys workbench中按照桁架的最不利荷载组合施加荷载,找出危险杆件;对杆件截面设计尺寸进行参数相关性分析,选取敏感度较高的控制参数,通过拉丁超立方抽样和非参数回归方法建立响应面模型,采用多目标遗传算法(MOGA)进行多目标优化。
结果表明:优化后的桁架结构整体质量减轻32.8%,实现了结构轻量化;同时,杆件应力比均有所增加但满足强度和刚度要求,杆件截面利用更加充分。
【总页数】6页(P22-27)
【作者】周利东;展翼飞;袁媛;闫永杰;刘源;张鼎益;陈振鲁
【作者单位】太原科技大学机械工程学院;太重集团向明智能装备股份有限公司【正文语种】中文
【中图分类】TD528
【相关文献】
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2.某圆管带式输送机41m大跨度水平弧钢桁架结构设计浅谈
3.选煤厂圆管带式输送机桁架梁结构的优化设计
4.圆管带
式输送机桁架结构的尺寸优化5.基于ANSYS与C#的圆管带式输送机桁架结构参数化有限元分析系统
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散层 的制 作成 本 。
专利 申请 号：２ Ｏ １ ６ １ １ １ １ ６ ４ ８ ５ ６公 开号 ：Ｃ Ｎ １ ０ ６ ５ ４ ９ １ ７ ０ Ａ
专利申请 号：２ ０ １ ６ １ １ ０ ２ ２ １ ７ ３ ９公开号 ：Ｃ Ｎ １ ０ ６ ５ １ ６ １ ６ ３ Ａ
申请 人 ：上 海 卫 星 工程 研 究 所
发 明人 ：王舒楠 ；方无迪；赵发 刚；葛钊；任友 良；满孝
颖
发 明人 ：石福 华；费正权 ；刘梁奇
一
种用于质子交换膜燃料 电池的 多孔碳纤维 及其制备方法
下底 面 通 过 常温 结 构胶 黏 剂 设 有铝 面 板铝 蜂 窝 夹 层板 ，天 线 支撑 桁 架 下 端两 侧 通过 常温 结构 胶 黏 剂对 称 设 有 高模 量 碳 纤 维面 板 铝蜂 窝夹层 板 ，天 线支 撑 桁架 内通 过 常温 结构 胶 黏剂 水 平铺 设 有 高 导 热碳 纤 维 面板 铝 蜂 窝 夹层 板 。本 发 明桁 架 构 型 由传 统 四方 体优 化 为梯 形 立 方 体 ，合 理 的 改善 了 载荷 的传 力 路线 ，有 效 降低 了载荷 部 件 安装 位 置 的响应 输入 ；解 决 了大功耗 单 机散热 问题 。
有 蓄 电池 组和 收线 盒 ，所 述 箱 体 一侧 设 有 提手 ， 所 述 提 手 的两 侧 对 称 设有 锁 紧 搭扣 ，所 述 箱盖 上
对 应 设 有搭 扣 座 ，所述 箱 盖 顶 部设 有 背 带 。本 发 明一 种 便携 式 碳 纤 维 导线 无 损 检测 设 备 ，结 构新
本 、 直径 可 控 等特 点 。所 制备 的多孔 碳 纤 维可 以
牢 固、性 能安 全可 靠 。
专利申请 号：２ ０ １ ６ １ １ ０ ８ ３ ２ ３ ５ ７公 开号：Ｃ Ｎ １ ０ ６ ５ ３ ２ ３ ９ ８ １ 申请人 ：四川省新 万兴 瓷业有 限公 司
杆件 胶 接 装 配 而成 的梯 形立 方 体 ，天 线上 浆 ：将 导 电浆 加 热Ｎ ｓ ｏ － １ ５ ０ ℃进 行 稀释 ，把 加 热稀 释 后 的导 电浆涂 抹 在 碳 纤 维丝 的头 部 和金 属 线 的头部 ， 同时将 铜 管 浸 入 到加 热 稀 释 的 导 电浆 中 ；② 固化 ：将 上浆 后 的 碳 纤维 丝 、金属 线 、铜 管置 于空 气 中 自然 固化 ５ ４ ２ ０ ｍｉ ｎ ；③ 连 接 ：将 固化 后 的碳 纤维 丝 的头部 和 金 属线 的头 部 套入 到 固化 后 的铜 管 中 ；④ 压 接 ： 把 套入 到铜 管 中的碳 纤 维 丝和 金 属 线 放在 端 子 机 上 进 行冲 击 压 接 ；⑤ 注 塑 ：在 压 接 好 的铜 管 外 包 覆 一个 热 缩 套 管 ，再 将 整 个接 头 放 在 注 塑机 上 进 行整 体 注 塑 成 型 。本 发 明操 作 简 单 ， 连接 紧密 、
直 接 用作 气 体 扩散 层 ，不 需额 外 的 憎水 处理 和 涂
覆 微 孔层 ，有 利 于 降低 气 体 的传 质 阻力 和 气体 扩
颖 ，操 作方 便 ，利 用频 率 接 受 器本 体 将 其 频率 图 谱 进 行采 集 ，最 终对 采 集 的微振 动 图谱 进 行分 析 比对 ，从 而确 定 损 伤情 况 ，实 现无 损 检 测 ，便 于 携 带 ，适合 广泛 推广 。
第２ 期
专 利 文摘
检 测 设 备 ，包 括 箱 体 ，所 述 箱体 顶 部 通 过铰 链 铰 接 有 箱 盖 ，所 述 箱 体 内部 左 侧 安装 有 频 率 接 受器 本 体 ，所述 箱 盖 上 设有 和 频 率 接受 器 本 体 电性 连 接 的显 示器 本 体 ，所 述 频 率 接 受器 本 体 上 设有 开
料 的大 尺 寸 高 稳定 桁 架 结构 ，包括 高导 热碳 纤 维 面板 铝 蜂 窝 夹层 板 、天 线支 撑 桁架 、高模 量 碳 纤 维面 板 铝 蜂 窝 夹层 板 、 铝面 板 铝蜂 窝夹 层板 ，天 线支 撑 桁 架 为若 干 碳 纤 维 多通 接 头 与若 干碳 纤 维
连 接 方法 ，涉 及 一种 碳 纤 维 丝 与金 属 的连接 ，按
一
种含 Ｎ ｉ － ｐ － ｓ ｉ ｃ （ 二硼 化钛） 复合镀层的
改性碳 纤维及 其制备和应用
本 发 明公 开 了一 种 含Ｎｉ — Ｐ ． Ｓ ｉ Ｃ（ 二硼 化 钛 ）
本 发 明适 用 于 电化 学 能源 领域 ，提 供 了一 种 适 用 于 质 子 交换 膜 燃料 电池 的多孔 碳 纤 维 及 其 制
申请 人 ： 深 圳 大 学
发明人：吴其兴 ；王 芳；梅 日国；朱晓琳 ；黄 雨欣 ；罗仲
宽
基于高导热碳纤维复合材料 的 大尺寸高稳定桁架结构
本 发 明 公开 了一种 基 于 高 导 热碳 纤 维 复合 材
一
种碳纤维 丝与金属线接头 的连接方法
本 发 明公 开 了一 种 碳 纤 维丝 与 金 属 线接 头 的
关 按 钮 和 功 能选 择 按钮 ，所 述 调频 器 本 体 底 部设
备 方 法 。所 述 制 备 方法 包 括 以下 步 骤 ：对 Ｐ ＡＮ／
Ｐ ＬＡ混 合液 进 行 高 压静 电纺 丝处 理 ， 获得 纺丝 纤 维 ；将 所 述 纺 丝 纤维 置 于 氯仿 中进 行超 声 溶剂 萃 取 处 理 ；对 经 过超 声 溶 剂 萃取 处 理 的所 述 纺丝 纤 维 进 行 热处 理 ，得 到多 孔碳 纤维 。本发 明提 供 的 多 孔 碳纤 维 的 制 备方 法 ， 具有 快 速 、简 单 、低 成