复合材料纤维铺放技术及其应用

综 述

复合材料纤维铺放技术及其应用

李勇　肖军

(南京航空航天大学材料科学与技术学院,210016)

摘　要　本文介绍了复合材料纤维铺放技术的特征和优点,综述其发展历史和世界先进国家在航空航天及其他领域的应用情况,并对我国开展纤维铺放技术研究进行了展望。

关键词　复合材料,纤维铺放技术

The T echnology and Application of Fiber Placement

Li Y ong　X iao Jun

(Institute of Material Science and T echnology,NUAA,Nanjing210016,China) ABSTRACT　The characteristics and the advantages of fiber placement are briefly introduced in this paper.The history of fiber placement and its application on aeronautics and astronautics and other areas in developed countries are discussed,and finally this paper forecasts its future research in our country.

KEY WORDS　composites,fiber placement

1　引　言

“低成本、高性能”是目前复合材料技术的主要发展方向,“买得起”的适用材料倍受重视,如美国第四代战斗机F—22、JSF采用的复合材料仍以传统材料体系为主;尤其是在已有主要材料体系基础上开发先进的低成本制造技术是当今全球复合材料界的共识。近年来各种低成本制造技术应运而生,如缝编-RT M技术、RFI技术、低成本模具技术、低温低压固化技术、光固化技术、电子束固化技术、新型缠绕技术、纤维铺放技术等得到迅速发展和应用。

纤维铺放技术是近年来发展最快、最有效的自动化成形制造技术之一,目前全世界已有20多台纤维铺放设备在北美和欧洲运转,用铺放技术研制的各类复合材料部件几十种,在降低制造成本和提高复合材料性能方面显示出了极为突出的优越性和极大的潜力。

本文简介复合材料纤维铺放技术的技术特征和优点,综述其发展历史和世界先进国家在航空航天及其他领域的应用情况,并对我国开展纤维铺放技术研究进行展望。

2　纤维铺放技术简介

复合材料纤维铺放成型技术(Fiber placement,FP)是自动铺丝束成型技术(Automated tow place2 ment,ATP)和自动窄带铺放成型技术(Automanted tap placement,ATP)的统称,是在已有缠绕和自动铺放基础上发展起来的一种全自动制造技术。如图1所示,类似于多自由度缠绕技术,纤维铺放成型设备由旋转芯模和多自由度的铺放头(机器手)系统构成,由计算机协调系统、控制成型过程。按结构所确定的铺层方向和铺层厚度,用多自由度的铺放头将多组纤维预浸纱束/窄带自动铺放在旋转的芯模表面,铺放过程中同时加热软化预浸纱束/带,压实形成制品型面。对于热固性复合材料体系,既可以成型后采用传统方法放入热压罐热固化,也可以与电子束固化技术结合边铺放边固化从而取消热压罐;对热塑性复合材料体系,一般在铺放过程中直接加热固结定型。后两种固化方式均属于原位固结(In -situ cons oidate),也称为直接固结(Directional con2 s oidate,DC),对低成本制造技术有极大的吸引力。

纤维铺放成型兼备了纤维缠绕和自动铺带的优点,但比纤维缠绕和自动铺带更先进,对制品的适应性更强。

纤维缠绕成型具有高效、高自动化和低成本的优点,但必须满足3个条件:①落纱稳定;②纤维连续缠绕;③正缠绕压力。条件①确定了纤维轨迹必须满足曲面测地线或准测地线,从而限制了纤维方

第3期纤维复合材料N o.339　2002年9月FIBER COMPOSITES Sep.,2002

向的设计自由度;条件②要求纤维分布必须满足周期性条件,限制了成型厚度及分布的设计自由度;条件③决定了缠绕只能在正G auss 曲面上进行,难以完成凹曲面缠绕且成型压力随曲面曲率和纤维轨迹变化,难以保证设计成型压力则影响制品质量

。目前缠绕成型多限于凸曲面回转体成型,如固体火箭发动机、容器等

。

图1　纤维铺放原理

自动铺带高效、高质量,但由于采用宽带(75～300mm )和单自由度铺放头,不能完成复杂曲面、变厚度、加筋等成型,目前多用于大壁板、机翼等小曲率航空构件成型。

纤维铺放成型技术源于缠绕技术和自动铺放技术,由于采用预浸料和低张力不受落纱稳定性的约束,可以根据设计要求选择铺层方向;由于每根丝束具有单独增加和切断功能,不受周期性约束,可以实现形体和各种铺层设计;由于采用压辊成型既可以实现任意曲面的成型又可以保证成型压力自动可控,提高制品质量;采用多丝束的铺放头一次铺放较宽的丝带(如Viper 机24丝束的最大宽带可达75mm ,接近自动铺带宽度),大大提高生产效率。

由于铺放头采用多自由度机器人系统,不仅可以制造复杂型面的复合材料构件、完成对铺层进行剪裁以适应局部加厚/混杂、铺层递减以及开口铺层等多方面的需要,满足各种设计要求,而且具有表面光洁、精度高、速度快、质量稳定性能好的优点。特别适合于航空航天复合材料结构小批量、高精度,实现柔性制造。

3　纤维铺放技术发展历史

纤维铺放技术最早是作为缠绕技术的改革(即

所谓“新型缠绕技术”

)提出的,用于复合材料机身结构制造,必须针对复合材料缠绕技术前述的三个弱点进行创新,技术核心是多丝束铺放头的设计研制和相应材料体系开发。最早开始研制的有Boeing 公司、Cincinnati Milacron 公司、Hercules 公司(Alliant T echsystems 的前身),1982年开始设备设计、工艺与材料研制等诸项工作。Boeing 公司的机械工程师

Quentin W ood 提出了“AVS D 铺放头”

(Automated Vari 2able Sttraind Dispensing Head )设想,解决了纤维束压

实、切断和重送的问题。1985年Hercules 公司研制

出了第一台原理样机,1989年Cincinnati Milacron 公司设计出其第一台纤维铺放系统并于1990年投入使用;1995年Ingers oll 公司研制出其第一台铺放机。

经过20余年的发展,纤维铺放技术装备已经基本成熟,成型设备总自由度达到7个、丝束数目最大可达24根,既可以用于热固性树脂体系,也可以用于热塑性树脂体系,最大成型构件长达15米、最大横向尺寸达4米,尺寸精度达011毫米;还可以完成加筋、局部混杂等特殊功能,全自动微机程序控制。成型设备和技术(如控制与设计软件、预浸丝束技术)已经实现商品化,目前全世界已经有20多台纤维铺放设备在运转(表1),预计到2010年世界上将有60台纤维铺放机投入使用。

表1　世界主要纤维铺放设备

公　司

安装地

台数

Raythreon Aircraft

W ichita ,K S ,US A 3Boeing C ommercial Seattle ,W A ,US A 2Boeing Helicopters Philadephia ,PA ,US A 1Boeing M ilitary S t.Louis ,M O ,US A 1N orthrop G rumman E1Segundo ,CA ,US A 1N orthrop G rumman

M illegesville ,G A ,US A 1Thiokol Huntsville ,US A 1Bell Helicopter Ft W orth ,TX ,US A 3Alliant T echsystems Clearfield ,UT ,US A 3Alliant T echsystems R ocket ,UT ,US A 2Alliant T echsystems Iuka ,MS ,US A 1Cincinnati M achine Cincinnati ,OH ,US A 1ABB C orporate Baden -D ¨a ttwil ,S witzerland

1Aerospatiale M atra

Cedex France

2

4　纤维铺放技术的应用

目前,纤维铺放技术主要用于飞机结构。

Alliant T echsystems 公司的前身是Hercules ,最早开发研制纤维铺放技术,研制出多种复合材料构件:F22鸭翼轴采用纤维铺放技术制造,工时由728小时降到163小时、废料由97磅降到7磅、零件数由221个降到5个。直接内加筋风扇机匣,大大降低了材料成本、制造成本和制造时间并提高损伤容限。还研制了Bell/BA -609倾转旋翼机机身壁板、Atlas 5型运载火箭等。

Northrop G rumman 公司在80年代末90年代初与Hercules 和McDonnell Douglas 合作最早开发纤维铺放技术,用于F/A -18E/F 部件,包括进气道唇口、机身蒙皮和水平安定面蒙皮以及GE90的风扇叶片等。用纤维铺放成型技术制造出C —17的混杂复合材料发动机短舱门替代原有蜂窝结构的短舱门,构件抗冲击强度提高4—6倍,废料率由50%降

40　纤　维　复　合　材　料2002年

低到7%,制造周期由30天缩短到2天。

Boeing公司是应用纤维铺放技术最成功、研制部件品种最多的公司。最成功的例子是V22倾转旋翼机[3],包括后机身(降低成本53%、材料损耗因子由315降到1125)、中机身内蒙皮、受油管、旋翼扭管(降低成本75%)、翼梢浮筒等。研制了波音747和波音767进气道整流罩[3],RAH-66尾梁蒙皮。

Raytheon Aircratf公司研制的PremierⅠ公务机和Hawker H orizon采用全碳纤维复合材料机身,减重20%。这两种喷气机的机身外蒙皮采用Viper24束纤维铺放机制造,最大宽度为76mm,一次直接成型环型蜂窝夹层结构;在成型机窗和机舱门时充分利用了纤维铺放技术加减丝束的功能,铺放到门窗边缘时自动减纱形成大开口,超过门窗后自动加纱。这样形成的结构强度高、节省材料和制造工时。

ABB公司在6轴通用机器人研制复合材料电机绑环制造技术[4],采用燃气和激光加热热塑性复合材料、原位固结,大大降低了电机绑环的制造成本和制造周期。并在3轴专用TFP铺放机上实行了工业化生产。

Aerospatiale公司采用纤维铺放成型制造了Air2 bus飞机机翼内连杆,五根边杆在一台自行设计制造机器上一次同时成型。芯模采用聚乙烯醇沙芯,异型截面尺寸变厚度、变铺层方向;每50分钟生产一批,已经批量生产,目前年产2000多根;还准备扩大生产,全部取代原有金属构件。

C onstructions Aeronauticas S.A.公司已经定购2台纤维铺放机,用于A340-500/600的罗—罗发动机单壁短仓门,取代现有的蜂窝结构短仓门,可望提高损伤容限3倍。

5　纤维铺放技术的新进展和未来

纤维铺放技术的发展方向是取消热压罐,热塑性纤维铺放和热固性铺放与电子束固化的结合是研究热点。

热塑性铺放技术:热塑性铺放技术是近年来的研究热点,NAS A Langley研究中心、Automated Dynam2 ics C orp.与Old Dominion大学开展了设备参数研究和一系列材料体系的研制与评估工作,热塑性纤维铺放研究逐渐进入实用阶段。

电子束固化技术:电子束固化与纤维铺放技术的结合是最新的发展方向。电子束固化是重要的低成本制造技术,可以大幅度降低制造时间、材料消耗和能源。传统电子束固化是在铺叠后一次辐射固化,电子束的能量高(3-10MeV),不仅加速器的初投资巨大、且辐射防护的投资随之增加。意大利的G uasti等于1977年首先提出“逐层电子束固化”的思想[5],在缠绕机上另外附加一加速器头运动轴,完成一层缠绕后既实施电子束固化,只需015MeV电子束能量即可。Daniel L等在窄带铺放机上开展与电子束固化结合—原位电子束固化的研究,研究了铺放头前辐照和铺放头后辐照两种辐照方式、不同材料(阳离子固化体系和自由基固化体系)的固化后材料力学性能[6]。采用76×0.14mm窄带、气动加压(1140N,019MPa)。研究表明:采用阳离子固化体系和铺放头前辐照可以将辐照能量降低到012-014MeV,并获得良好的力学性能。电子束原位固化的纤维铺放技术将成为最有前途的低成本制造技术。

6　对我国纤维铺放技术发展的思考

纤维铺放成型技术和装备在国内目前尚属空白。由于进口纤维铺放成型装备价格高达每台300 -400万美元,而且巴黎统筹委员会及美国对中国绝对禁运这种高新技术设备。我国要发展自己的复合材料高技术,就必须立足于自己研制开发先进的制造工艺及其装备。南京航空航天大学在资料、资金极为匮乏的情况下,开展纤维铺放装备技术研究,并已经取得了阶段性结果,可望在短期内研制出国内第一台纤维铺放原理样机,从而为开展纤维铺放技术创造基本条件。

目前国内高性能复合材料结构基本上以手工铺层、真空热压罐成型为主,手工铺层质量稳定性差、可靠性低、材料利用率低、浪费辅助材料,制造周期长、费用高,难以实现复杂的结构设计要求,且对工人的身体健康不利。作为一种复合材料通用制造技术,复合材料纤维铺放技术可以实现复合材料设计制造技术的大跨度技术进步,具有极为重要的国防应用价值与技术进步意义。我国有关部门应制定长期发展规划,有计划、有组织地系统开展纤维铺放技术研究,借鉴国外研究的成功经验,根据我国的实际情况,研制出以自有知识产权为主的技术装备和材料体系。

参　考　文　献

1　G rant C G.Fiber placement process utilization with w orldwide aerospace industry.S AMPE J,2000,36(4):7～12

2　K its on L Johns on.Fiber placement advancements at Boeing Helicopters.

3　W iliam P B.The fiber placement path toward affordbility.S AMPE J, 1998,34(3):11～16

4　M arkus A.R obotic based therm oplastic fiber placement process.Proceed2 ing of1998IEEE International C on ference on R obotics&Automation, Leuven,Belium,M ay1998

5　G uasti F,K utu fa N,M atticari G and R osi https://www.wendangku.net/doc/629688960.html,yer by laer E-beam curing of filament w ounding com posite materials with low energy electron beam accelerators.S AMPE J,1998,34(2):29～33

6　Daniel L.Automated tap placement with in-situ electron beam cure.

S AMPE J,2000,36(2):11～33

3期李勇、肖军:复合材料纤维铺放技术及其应用41　

《碳纤维复合材料》阅读练习及答案

阅读文章，回答问题。 碳纤维复合材料 ①2018年11月6日，两年一度的珠海航展上，中俄合作研制的280座远程宽体客机CR929，以1：1的展示样机首次亮相国际航展。在这款最新一代的大型飞机上，复合材料的使用比例有望．．超过50%。同样，在去年5月5日首飞的C919大客机上，使用的复合材料占到飞机结构重量的12%。这里的复合材料，主要就是碳纤维复合材料。 ②碳纤维是火箭、卫星、导弹、战斗机和舰船等尖端武器装备必 不可少的战略基础材料。它不存在腐蚀生锈的问题。由于使用碳纤维材料可以大幅降低结构重量，因而可显著提高燃料效率。采用碳纤维与塑料制成的复合材料制造的卫星、火箭等宇宙飞行器，噪音小，质 量小，动力消耗少，可节约大量燃料。 ③碳纤维还是让大型民用飞机、汽车、高速列车等现代交通工具 实现“轻量化”的完美材料。航空应用中对碳纤维的需求正在不断增多，新一代大型民用客机空客A380和波音787使用了约为50%的碳纤维复合材料。这使飞机机体的结构重量减轻了20%，比同类飞机可节省20%的燃油，从而大幅降低了运行成本、减少二氧化碳排放。碳 纤维作为汽车材料，最大的优点是质量轻、强度大。它的重量仅相当 于钢材的20%到30%，硬度却是钢材的10倍以上。所以汽车制造采用碳纤维材料可以使汽车的轻量化取得突破性进展，并带来节省能源的社会效益。 ④随着航空航天、汽车轻量化、风电、轨道交通等行业领域对碳

纤维的需求爆发，碳纤维工业应用开始进入规模化生产。业内预测， 预计到2020年，全球碳纤维需求量将超过16万吨，到2025年，将超过33万吨。面对如此巨大而重要的市场，国内企业既要通过掌握 关键技术来实现碳纤维的稳定批量生产和大规模工程化应用，同时也要瞄准国产新一代碳纤维及其复合材料及早研发和布局，2016年2月15日，中国突破日本管制封锁研制出高性能碳纤维。2018年2月，中国完全自主研发出第一条百吨级T1000碳纤维生产线，这标志着我国已经牢牢站稳全球高端碳纤维市场的一席之地。 101．阅读选文第①段和第③段，回答问题。 （1）选文第①段加点词“有望”能删去？请说出理由。 （2）选文第③段画线句运用了哪些说明方法？有何作用？ 102．随着科学技术的发展，请你设想一下生活中将会有哪些碳纤维 复合材料的产品。 【答案】 101．（1）不能删去，“有望”是有希望的意思，说明“在这款最新 一代的大型飞机上，复合材料的使用比例”未来有希望超过“50%”，该词体现了说明文语言的准确性和科学性。 （2）列数字、作比较，具体准确地说明了碳纤维作为汽车材料，最 大的优点是质量轻、强度大。 102．碳纤维复合材料制成的羽毛球拍、登山器械等体育休闲用品； 汽车、地铁等交通工具；以及碳纤维复合材料制成的衣服、家具等日

复合材料自动铺带技术现状与研究进展

第27卷第4期2011年8月机械设计与研究 Machine Design and Research Vol．27No．4Aug．，2011 收稿日期：2011－03－11 基金项目：国家自然科学基金资助优秀创新研究群体项目（50821003） 文章编号：1006- 2343（2011）04-060-06复合材料自动铺带技术现状与研究进展 姚俊1，孙达2，姚振强3，张普3，张满朝3，史瑞航 3 （1．上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海200023， E-mail ：zhe@sjtu．edu．cn ；2．上海重型机床厂有限公司上海200245； 3．上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海200240） 摘要：复合材料已成为新一代飞机机体的主体结构材料，复合材料低成本制造技术是目前国际复合材 料技术领域的核心问题之一， 自动铺带技术作为复合材料成型自动化的典型代表，已成为飞机复合材料翼面壁板技术的标准，大飞机项目已经立项，自动铺带技术必将成为我国提高飞机复合材料用量的一项关键技术。本 文对自动铺带装备的基本构成、 铺放工艺原理与自动铺放技术的发展历程、工业应用现状、发展趋势进行了较全面的介绍与讨论， 最后展望了自动铺带技术在我国的发展前景。关键词：复合材料；自动铺带；铺带头中图分类号：TP273文献标识码：A Current Situation and Research Progress of Automated Tape-Laying Technology for Composites YAO Jun 1，SUN Da 2，YAO Zhen-qiang 3，ZHANG Pu 3，ZHANG Man-chao 3，SHI Rui-hang 3 （1．Shanghai Electric Group Co．，Ltd．，Central Academe ，Shanghai 200023，China ；2．Shanghai Heavy Duty Machine Tool Works Co．，Ltd．，Shanghai 200245，China ； 3．The State Key Lab of Mechanical System and Vibration ，Shanghai Jiao Tong University ，Shanghai 200240，China ） Abstract ：Composites have become the main structure materials of the new generation of aircraft ，low-cost composites manufacturing technology is one of the core issues in the field of international composites technology ，as one typical representative of composites molding automation technologies ，automated tape-laying （ATL ）technology has become a technical standard for composite wing panel．The large aircraft project has been approved ，and automated tape-laying technology will be a key technology to improve the application in aircraft composites．In this paper ，basic composition ，laying process principle ，industrial application ，development course and trend of ATL is fully introduced and discussed．Finally the development outlook of ATL technology in China is prospected． Key words ：composites ；automated tape-laying ；tape laying head 先进树脂基复合材料具有轻质、高强度、高模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性和工艺性好等特点，尤其适用于大型结构及整体结构，是理想的航空结构材料，其在飞机上的用量日益增多，应用范围也从次承力结构（舱门、整流罩、安定面等）扩展到主承力结构（机翼、机身等），国外四代机的复合材料用量占结构重量的24% 40%， A380超过20%，B787达50%，目前，复合材料已成为新一代飞机机体的主体结构材料 ［1－5］ 。复合材料低成本制造技术是目前国际复合材料技术领域的核心问题之一，包括材料技术低成本、设计技术低成本和制造技术低成本；涉及多种复合材料成型技术，如缠绕成型、铺放成型（铺带、铺丝）、拉挤、编织、缝合和树脂传递模塑成型（RTM ）等等。自1985年至今，降低成本的结构设计/材 料/制造一体化技术和成形工艺技术一直是复合材料低成本制造技术的研究重点，而自动化成型技术是将结构设计、材料和制造连为一体的纽带和桥梁，不仅大大提高了复合材料构件的生产效率，降低了生产成本，而且通过对成型工艺参数和技术指标的精确控制，极大提高了复合材料构件质量的可靠性和稳定性，实现了CAD /CAM /CAE 技术在复合材料制造领域的应用和发展，并为复合材料构件制造系统的整体优化奠定了基础 ［5－12］ 。 自动铺带技术是复合材料成型自动化的典型代表，集机电装备技术、CAD /CAM 软件技术和材料工艺技术于一体，其具有高效、高质量、高可靠性、低成本的特点，主要用于平面型或低曲率的曲面型构件，或者说准平面型复合材料构件的层铺制造，特别适合大尺寸和复杂构件的制造，减少了拼装零件的数目，节约了制造和装配成本，极大地降低了材料的废品率和制造工时。

复合材料的发展和应用

复合材料的发展和应用 复合材料的发展和应用 具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候 论文格式论文范文毕业论文 全球复合发展概况复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电气、、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。另外，纳米技术逐渐引起人们的关注，纳米复合材料的研究开发也成为新的热点。以纳米改性塑料，可使塑料的聚集态及结晶形态发生改变，从而使之具有新的性能，在克服传统材料刚性与韧性难以相容的矛盾的同时，大大提高了材料的综合性能。树脂基复合材料的增强材料树脂基复合材料采用的增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。 1、玻璃纤维目前用于高性能复合材料的玻璃纤维主要有高强度玻璃纤维、石英玻璃纤维和高硅氧玻璃纤维等。由于高强度玻璃纤维性价比较高，因此增长率也比较快，年增长率达到10%以上。高强度玻璃纤维复合材料不仅应用在军用方面，近年来民用产品也有广泛应用，如防弹头盔、防弹服、直升飞机机翼、预警机雷达罩、各种高压压力容器、民用飞机直板、体育用品、各类耐高温制品以及近期报道

的性能优异的轮胎帘子线等。石英玻璃纤维及高硅氧玻璃纤维属于耐高温的玻璃纤维，是比较理想的耐热防火材料，用其增强酚醛树脂可制成各种结构的耐高温、耐烧蚀的复合材料部件，大量应用于火箭、导弹的防热材料。迄今为止，我国已经实用化的高性能树脂基复合材料用的碳纤维、芳纶纤维、高强度玻璃纤维三大增强纤维中，只有高强度玻璃纤维已达到国际先进水平，且拥有自主知识产权，形成了小规模的产业，现阶段年产可达500吨。 2、碳纤维 3、芳纶纤维 20世纪80年代以来，荷兰、日本、前苏联也先后开展了芳纶纤维的研制开发工作。日本及俄罗斯的芳纶纤维已投入市场，年增长速度也达到20%左右。芳纶纤维比强度、比模量较高，因此被广泛应用于航空航天领域的高性能复合材料零部件（如火箭发动机壳体、飞机发动机舱、整流罩、方向舵等）、舰船（如航空母舰、核潜艇、游艇、救生艇等）、汽车（如轮胎帘子线、高压软管、摩擦材料、高压气瓶等）以及耐热运输带、体育运动器材等。 4、超高分子量聚乙烯纤维超高分子量聚乙烯纤维的比强度在各种纤维中位居第一，尤其是它的抗化学试剂侵蚀性能和抗老化性能优良。它还具有优良的高频声纳透过性和耐海水腐蚀性，许多国家已用它来制造舰艇的高频声纳导流罩，大大提高了舰艇的探雷、扫雷能力。除在军事领域，在汽车制造、船舶制造、医疗器械、体育运动器材等领域超高分子量聚乙烯纤维也有广阔的应用前景。该纤维一经问世就引起了世界发达国家的极大兴趣和重视。 5、热固性树脂基复合材料热塑性树脂基复合材料热塑性树脂基复合材料是20世纪80年代发展起来的，主要有长纤维增强粒料、连

复合材料预浸料自动铺带成型适宜性研究

第３１卷　第２１期 ２００９年１１月武　汉　理　工　大　学　学　报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＷＵＨＡＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．３１　Ｎｏ．２１　Ｎｏｖ．２００９ＤＯＩ：１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－４４３１．２００９．２１．０１２ 复合材料预浸料自动铺带成型适宜性研究 蒋诗才，邢丽英，陈祥宝 （北京航空材料研究院，北京１０００９５） 摘　要：　为考察不同耐温等级复合材料预浸料自动铺带工艺适宜性，研究了不同环氧及双马树脂体系预浸料的室温粘性，并给出预浸料分级的评分方法。结果表明：低温环氧ＬＴ０３Ａ／Ｔ７００、中温环氧３２３４／Ｔ７００、高温环氧５２２８Ａ／Ｔ７００为１级，适合室温自动铺带成型工艺；低温环氧ＬＴ０３／Ｔ７００、高温环氧５２２８／Ｔ７００、双马５４２９／Ｔ７００为２级不适合室温自动铺带成型工艺。对确定的预浸料体系自动铺带工艺适宜性方法进行了自动铺放工艺验证，证明预浸料体系自动铺带工艺适宜性的判定方法是有效的。 关键词：　预浸料；　粘性；　自动铺带；　成型适应性 中图分类号：　Ｖ２５４．１１文献标识码：　Ａ文章编号：１６７１－４４３１（２００９）２１－００４４－０４ ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＭｏｌｄｉｎｇＳｕｉｔａｂｉｌｉｔｙｏｆＰｒｅｐｒｅｇＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓｆｏｒＡｕｔｏｍａｔｅｄＴａｐｅＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ＪＩＡＮＧＳｈｉ－ｃａｉ，ＸＩＮＧＬｉ－ｙｉｎｇ，ＣＨＥＮＸｉａｎｇ－ｂａｏ （ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｆｏｒｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｎｇｔｈｅｍｏｌｄｉｎｇｓｕｉｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｌｅｖｅｌｓｐｒｅｐｒｅｇｃｏｍｐｏｓｉｔｅｗｉｔｈａｕｔｏｍａｔｅｄｔａｐｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｔｈｅｐｒｅｐｒｅｇｖｉｓｃｏｓｉｔｉｅｓａｔｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｐｏｘｙａｎｄｂｉｓｍａｌｅｉｍｉｄｅ（ＢＭＩ）ｒｅｓｉｎｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄａｓｃｏｒｅｆｏｒｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｐｒｅｐｒｅｇｍｅｔｈｏｄｗａｓａｐｐｒｏｖｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔ，ＬＴ０３Ａ／Ｔ７００ｗｉｔｈｌｏｗ－ｔｅｍｐｅｒａ－ｔｕｒｅ，３２３４／Ｔ７００ｗｉｔｈｍｉｄｄｌｅ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｅｐｏｘｙ，５２２８Ａ／Ｔ７００ｗｉｔｈｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｅｐｏｘｙｉｓｃｌａｓｓｉｆｉｅｄａｓ１－ｌｅｖｅｌａｎｄｉｓｓｕｉｔ－ａｂｌｅｔｏａｕｔｏｍａｔｅｄｔａｐｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｔｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｗｈｉｌｅＬＴ０３／Ｔ７００ｗｉｔｈｌｏｗ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｅｐｏｘｙ，５２２８／Ｔ７００ｗｉｔｈｈｉｇｈ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｅｐｏｘｙ，ＢＭＩ５４２９／Ｔ７００ａｒｅｃｌａｓｓｉｆｉｅｄａｓ２－ｌｅｖｅｌａｎｄｉｓｕｎｓｕｉｔａｂｌｅｔｏａｕｔｏｍａｔｅｄｔａｐｅｐｒｏｃｅｓｓａｔｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａ－ｔｕｒｅ．Ｔｈｅｐｒｅｐｒｅｇｍｏｌｄｉｎｇｓｕｉｔａｂｉｌｉｔｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆａｕｔｏｍａｔｅｄｔａｐｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｎｆｉｒｍｓｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｔｈｅｓｃｏｒｅｆｏｒｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：　ｐｒｅｐｒｅｇ；　ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ；　ａｕｔｏｍａｔｅｄｔａｐｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；　ｍｏｌｄｉｎｇｓｕｉｔａｂｉｌｉｔｙ 收稿日期：２００９－０６－１５．作者简介：蒋诗才（１９７３－），男，工程师．Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉ０３２４＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ自动铺带（ＡｕｔｏｍａｔｅｄＴａｐｅ）成型以有隔离背衬纸的单向预浸带为原料，在铺带头中完成预定边界形状切割，然后在压辊作用下按设计轨迹直接铺叠到模具表面。有研究表明［１］，手工铺叠复合材料效率为３磅／ｈ，而自动铺带技术能达到１５～３０磅／ｈ；手工铺叠复合材料废料量为１５％～２０％，而自动铺带技术只有５％左右。还有研究表明，利用自动铺带技术制备的复材料构件具有尺寸精度较高，内应力低等特点，是提高复合材料性能的一个重要途径。 从上世纪８０年代起，已应用自动铺带机生产了军机如Ｂ１和Ｂ２轰炸机的机翼蒙皮；近年来用于ＮａｖｙＡ６轰炸机机翼、Ｆ２２战斗机机翼和波音７７７飞机机翼、水平和垂直安定面蒙皮。Ｖｏｕｇｈｔ飞机公司应用自动铺带机生产包括军用Ｃ－１７运输机的水平安定面蒙皮、全球鹰ＰＱ－４Ｂ大展弦比机翼，以及波音公司应用

碳纤维及其复合材料的发展及应用_上官倩芡

第37卷第3期上海师范大学学报(自然科学版)Vol.37,N o.3 2008年6月J ou rnal of ShanghaiNor m alUn i versity(Natural S ci en ces)2008,J un 碳纤维及其复合材料的发展及应用 上官倩芡,蔡泖华 (上海师范大学机械与电子工程学院,上海201418) 摘要:叙述了碳纤维的结构形态、分类以及在力学、物理、化学方面的性能,介绍了碳纤维增强复合材料的特性,着重阐述了碳纤维增强树脂基复合材料中基体的分类、选择和应用,指出了碳纤维及其复合材料进一步发展的趋势. 关键词:碳纤维;复合材料 中图分类号:O636文献标识码:A文章编号:1000-5137(2008)03-0275-05 碳纤维作为一种高性能纤维,具有高比强度、高比模量、耐高温、抗化学腐蚀、耐辐射、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能.此外,还具有纤维的柔曲性和可编性[1~3].碳纤维既可用作结构材料承载负荷,又可作为功能材料发挥作用.因此碳纤维及其复合材料近几年发展十分迅速.本文作者就碳纤维的特性、分类及其在复合材料领域的应用等内容进行介绍. 1碳纤维特性、结构及分类 碳纤维是纤维状的碳材料,由有机纤维原丝在1000e以上的高温下碳化形成,且含碳量在90%以上的高性能纤维材料.碳纤维主要具备以下特性:1密度小、质量轻,碳纤维的密度为1.5~2g/c m3,相当于钢密度的1/4、铝合金密度的1/2;o强度、弹性模量高,其强度比钢大4~5倍,弹性回复为100%;?热膨胀系数小,导热率随温度升高而下降,耐骤冷、急热,即使从几千摄氏度的高温突然降到常温也不会炸裂;?摩擦系数小,并具有润滑性;?导电性好,25e时高模量碳纤维的比电阻为775L8/c m,高强度碳纤维则为1500L8/c m;?耐高温和低温性好,在3000e非氧化气氛下不熔化、不软化,在液氮温度下依旧很柔软,也不脆化;?耐酸性好,对酸呈惰性,能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀[4~7].除此之外,碳纤维还具有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性. 碳纤维的结构取决于原丝结构和碳化工艺,但无论用哪种材料,碳纤维中碳原子平面总是沿纤维轴平行取向.用X-射线、电子衍射和电子显微镜研究发现,真实的碳纤维结构并不是理想的石墨点阵结构,而是属于乱层石墨结构[8],如图1所示.构成此结构的基元是六角形碳原子的层晶格,由层晶格组成层平面.在层平面内的碳原子以强的共价键相连,其键长为0.1421n m;在层平面之间则由弱的范德华力相连,层间距在0.3360~0.3440n m之间;层与层之间碳原子没有规则的固定位置,因而层片边缘参差不齐.处于石墨层片边缘的碳原子和层面内部结构完整的基础碳原子不同.层面内部的基础碳原子所受的引力是对称的,键能高,反应活性低;处于表面边缘处的碳原子受力不对称,具有不成对电子,活性 收稿日期:2008-01-04 基金项目:上海市教委科研基金项目(06D Z034). 作者简介:上官倩芡(1974-),女,上海师范大学机械与电子工程学院副教授.

碳纤维及其复合材料产业现状及发展趋势

国内外碳纤维及其复合材料产业现状及发展趋势 自上世纪60年代碳纤维首次商业化以来，产业规模不断扩大，产品品质不断提高，2014年全球碳纤维产能（365天连续生产12K/24K 碳纤维丝束计算）已达到12.6万吨。尽管碳纤维与传统的玻璃纤维在价格上仍不能相比，但高性能碳纤维以其高比强度、高模量、可设计、防腐蚀和抗疲劳等突出特点，具有玻璃纤维所不能比拟的优势，已成为发展先进武器装备的关键材料，并在航空航天、国防军工、风能产业、土木工程、体育休闲等领域得到了广泛应用。 当前，国际复合材料产业呈现蓬勃发展态势，据估计，未来5年，先进复合材料将以每年5%的增速发展，而随着民用航空、汽车工业等领域的快速发展，全球高性能碳纤维需求量的年增幅可达10%，亚太地区将会有更高的增长率，即碳纤维及其复合材料产业将面临前所未有的发展空间和机遇。 因此，在目前碳纤维产业快速发展的关键时期，我们更应该认清国际碳纤维产业的发展形势、对照国外先进企业找差距找问题，通过理性思考寻求解决途径，适时把握发展机遇，落实行动、注重实效，努力推进国内碳纤维及其复合材料产业的健康快速发展。 1、国外碳纤维产业现状及发展趋势 1）产业方面 根据前躯体原料的不同，碳纤维可分为聚丙烯腈（PAN）基、沥青基和粘胶基碳纤维等。由于粘胶基碳纤维在制备过程中会释放出毒

性物质二硫化碳，且工艺流程长、生产成本高、整体性能不高，因此目前，国际碳纤维产业领域，前两种碳纤维获得了更大规模的生产和应用。其中，PAN基碳纤维又占据绝对优势，国际市场占有率超过90%。PAN基碳纤维的九大生产商包括：日本东丽、东邦、三菱丽阳、美国赫氏（Hexcel）、氰特（Cytec）、卓尔泰克（Zoltek，已被东丽收购）、台塑、土耳其阿克萨（AKSA）和德国西格里（SGL）。沥青基碳纤维的生产和应用居其次，主要生产企业三家，分别是Cytec、三菱塑料和日本碳素纤维。 PAN基碳纤维分为小丝束（1-24K）和大丝束（36K及以上）两类。全球小丝束碳纤维市场主要被日本东丽、东邦、三菱丽阳三家公司所垄断，而来自中国、土耳其和韩国的企业，正不断扩充小丝束的全球产能，同时也降低了三家日本公司的市场份额。 大丝束碳纤维生产商主要有Zoltek、SGL和三菱丽阳三家。另外，中国国企蓝星集团英国分公司拥有大丝束碳纤维原丝的供应能力，Cytec于2014年与德国腈纶企业合作开展低成本大丝束碳纤维的研制开发。预计在未来10年中，其它制造商也会陆续加入大丝束碳纤维生产领域。 为满足高速发展的航空航天与汽车市场对碳纤维的需要，几乎所有的碳纤维巨头都宣布了扩产计划。例如，日本东丽拥有以日本本土为核心的日美法韩4个生产基地，目前已形成11000～12000吨/年的T700S和4500吨/年的T800碳纤维生产能力，并宣布PAN基碳纤维的总产能于2015年达到27100吨，2020年扩大至50000吨。另外，Hexcel

国内外复合材料自动化成型设备的发展趋势

国内外复合材料自动化成型设备的发展趋势目前，飞机复材构件的自动化成型工艺主要包括纤维缠绕、纤维带铺放和纤维丝铺放3种类型。其中，纤维缠绕技术是最早开发并广泛使用的加工技术，亦是最成熟的生产技术。所谓纤维缠绕成型工艺，就是将浸过树脂的连续纤维，按照一定规律缠绕到芯模上并层叠至所需的厚度，然后在加热或常温条件下固化、脱模，获得一定形状制品的工艺方法。自动铺带技术采用有隔离衬纸的单向预浸带，在铺带头中完成预定形状的切割、定位，加热后按照一定设计方向在压辊作用下，直接铺叠到曲率半径较大且变化较缓的模具表面。铺带机多采用龙门式结构，其核心部件是铺带头，须完成超声切割、夹紧、衬纸剥离和张力控制等功能。铺丝技术综合了自动铺带和纤维缠绕技术的优点，由铺丝头将数根预浸纱在压辊下集束成为一条由多根预浸纱组成的宽度可变的预浸带后铺放在芯模表面，经过加热软化后压实定型。铺丝技术适用于曲率半径较小的曲面产品表面制备，铺设时没有皱褶，无须作剪裁或其他处理。铺丝可以代替铺带，相对于铺带，它的成本较高、效率也低一些，但复杂的曲面表面必须用铺丝工艺完成。 在航空制造业，纤维缠绕技术主要用于雷达罩、发动机机匣、燃料储箱、飞机副油箱和过滤器等零部件的成型，现代大型喷气客机(如波音747等)上众多的高压气瓶都是用玻璃纤维复合材料缠绕成型的，它们为飞机提供了不可缺少的气动控制动力源。 纤维带铺放技术制造的飞机复材构件典型的有飞机机翼蒙皮、垂/平尾蒙皮、翼肋、方向舵和升降舵等。F-22战斗机机翼和波音777

飞机机翼、水平和垂直安定面蒙皮、C-17运输机的水平安定面蒙皮、全球鹰RQ-4B大展弦比机翼、787机翼、A330和A340水平安定面蒙皮、A340尾翼蒙皮以及A380的安定面蒙皮和中央翼盒等，均采用铺带工艺成型。 铺丝技术的典型应用包括S形进气道、中机身翼身融合体蒙皮直至带窗口的曲面等。首先应用自动铺放技术的是波音直升机公司，它研制了V-22倾转旋翼飞机的整体后机身。在第4代战斗机的典型应用包括S形进气道和机身，F35的中机身翼身融合体蒙皮。在商用飞机方面有Premier I和霍克商务机的机身部件、大型客机波音747及波音767客机的发动机进气道整流罩试验件和波音787机身则全部采用复合材料自动铺丝技术分段整体制造等，自动铺放技术的应用大大简化了制造工艺，带来了航空制造技术的变革。 一、纤维缠绕成型设备的发展现状 20世纪40年代中期，国际上正式提出了纤维缠绕技术的概念。60年代初期，出现第一代机械式纤维缠绕机，其控制系统是由皮带、齿轮、滑轮和链条等组成的机械系统。1973年Entec公司开发了第一台微处理器控制的纤维缠绕机。1976年第一个商业化标准的缠绕机型号McClean Anderson 60型投放市场。80～90年代，更多的计算机技术投入到缠绕机的开发当中，新一代微机控制纤维缠绕机开始研制。英国的Pultrex有限公司采用通用数控系统成功开发了四轴联动纤维数控缠绕机。当时，每台缠绕机的硬件部分都必须包括计算机和运动控制卡，机床的速度控制得到了极大改善，计算机控制系统能够

碳纤维及其复合材料的发展和应用(精)

·开发与创新· Development and Applications of Carbon Fiber and Its Composites GAO Bo ,XU Zi-Li (Wuhan Textile University ,Wuhan Hubei 430073,China Abstract:This paper introduces performance and features of carbon fiber,briefly overviews the history,including both foreign and domestic.And analyses the properties and applications of carbon fiber composite material,emphasizes the related performance that carbon fiber adds to the metal matrix composites and points out its research prospects.Key words:carbon fiber ;composite ;metal matrix 0引言 碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维,是由有机母体纤维(聚丙烯睛、粘胶丝或沥青等采用高温分解法在1000~3000℃高温的惰性气体下碳化制成的。它是一种力学性能优异的新材料,比重不到钢的1/4,能像铜那样导电,比不锈钢还耐腐蚀,而其复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa 以上,是钢的7~9倍,抗拉弹性模量为23000~43000Mpa ,也高于钢。碳纤维按其原料可分为三类:聚丙烯腈基(PAN 碳纤维、石油沥青基碳纤维和人造丝碳纤维三类。其中聚丙烯腈基碳纤维用途最广,需求也最大[1]。 1碳纤维的发展史 1.1国外碳纤维的发展历史 20世纪50年代美国开始研究粘胶基碳纤维,1959 年生产出了粘胶基纤维Thormel-25,这是最早的碳纤维产品。同一年,日本发明了用聚丙烯腈基(PAN 原丝

2016-2020中国碳纤维复合材料行业发展前景预测分析报告

深圳中企智业投资咨询有限公司

2016-2020年中国碳纤维复合材料行业发展前景 预测分析 (最新版报告请登陆我司官方网站联系) 公司网址: https://www.wendangku.net/doc/629688960.html, 1

目录 2016-2020年中国碳纤维复合材料行业发展前景预测分析 (3) 第一节2016-2020年中国碳纤维复合材料行业发展预测分析 (3) 一、未来碳纤维复合材料发展分析 (3) 二、未来碳纤维复合材料行业技术开发方向 (3) 2、自动化生产 (3) 3、大规模生产 (3) 4、碳纤维复合材料废旧部件的再生回用技术 (4) 三、总体行业“十三五”整体规划及预测 (4) 第二节2016-2020年中国碳纤维复合材料行业市场前景分析 (4) 一、产品差异化是企业发展的方向 (4) 二、渠道重心下沉 (5) 2

2016-2020年中国碳纤维复合材料行业发展前景预测分析 第一节2016-2020年中国碳纤维复合材料行业发展预测分析 一、未来碳纤维复合材料发展分析 碳纤维复合材料作为新兴的非金属材料具有广阔的应用前景。首先其广泛的应用于航空、航天等军事领域，并随着在军事领域应用的不断深入，相关的制造及使用技术日臻成熟，从而带动了碳纤维复合材料在民用领域应用的极大发展，主要应用在机械电子、建筑材料、文体、化工、医疗等方面，并正在快速的取代传统金属材料成为结构用材的首选。 二、未来碳纤维复合材料行业技术开发方向 1、3D打印成型技术 3D打印技术技术是有望成为高效低成本制备各种碳纤维复合材料结构部件的创新工艺，为此近年来企业界、大学、科研院所、政府机构等，都在安排研发和改进3D打印技术，并取得了产业化成果。以往制备塑料和金属的3D打印机部件，能耗较高，尺寸有限，而应用于碳纤维复合材料时，不仅部件强度与刚性可提高，还可提高导热性和降低热膨胀系数，因此无需使用炉子，可消除所有尺寸限制。 2、自动化生产 汽车生产厂家现都采用机器人组装相对小和固定形状的部件，但这些机器人并不能加工大型碳纤维复合材料部件，因为这些部件缺乏形状固定性，因而多采用手铺制造和热压罐固化。如何加工大型碳纤维复合材料是未来重要的技术开发方向之一。 3、大规模生产 5年前日本公司在市场上导入了“Sereebo”长碳纤维增强热塑性树脂（CFRTP），并与GM汽车公司等合作开发其潜在市场。其中碳纤维的分布和取向是可控的，基材的各向同性可保持到最终部件，成型时间只有60s，它比铝合金轻20%～30%，并具有更好的耐疲劳性和抗冲击性而价格略高些，适用于汽车结 3

浅谈复合材料自动铺带机的系统控制

浅谈复合材料自动铺带机的系统控制 发表时间：2019-08-05T09:13:13.313Z 来源：《基层建设》2019年第15期作者：周英赵青华贾敏梅龙 [导读] 摘要：自动铺放技术在先进复合材料制造领域占有举足轻重的地位,发达国家自动铺带技术已相当成熟,大规模应用于多种主要机型制造:如F16,F22,B717,B787,A340,A380等。 航空工业西飞质量管理部特种工艺检验站陕西西安 710089 摘要：自动铺放技术在先进复合材料制造领域占有举足轻重的地位,发达国家自动铺带技术已相当成熟,大规模应用于多种主要机型制造:如F16,F22,B717,B787,A340,A380等。自动铺带机已经商品化,其数控系统有在通用数控系统基础上开发的铺带数控系统和专用铺放数控系统等。目前国内复合材料制造技术还停留在手工铺放水平,自动铺带尚处在样机的研究阶段。相比手工铺放,自动铺带机不论在效率还是在精度上,都远远优于前者。据统计:国外自动铺带效率是手工铺带的十倍以上,自动铺放定位精度高于手工定位精度两个量级以上。文章主要围绕复合材料自动铺带机的系统设置进行了分析，从而达到保证自动铺带机设备的加工能力及产品质量的目的。 关键词：开放式数控系统；铺带机 引言：为实现复合材料自动铺带机对数控系统的特殊要求,以可编程多轴控制器作为运动控制核心,采用可编程数字I/O卡控制开关量,提出了基于开放式数控系统的铺带机专用CNC硬件体系结构的设计方案。为提高系统中与加工过程密切相关的实时任务的实时性,采用随动控制方式,实现了数控系统软件中的运动控制及其与开关动作量之间的协调联动的任务。完成了各控制器的驱动程序、用户图形界面和数控代码编译模块的设计。该系统能很好解决铺带机多轴运动控制精度要求较高、运动量与较多动作量联动实时性等设计难点。 1.铺带机数控硬件系统控制 复合材料铺放的工艺特性决定了铺带机数控系统的硬件结构体系,铺带机专用数控系统由工控机(IPC)、可编程多轴控制器、开关量控制板卡(PCL-725,PCL-730)、I/O接口、伺服驱动装置和电源驱动装置组成。作为数控系统的核心,工控机(IPC)负责整个控制系统的信息处理与后台操作;并向各下位机发出命令,协调运动量与开关动作量的联合操作。运动控制器接收上位机的控制指令,以此控制各轴电机运动实现数控加工。本系统采用PMAC作为运动控制单元,它使用的CPU是DSP56001/56002数字信号处理器(40MHz),可同时控制8个运动轴同步实现联动。除了能够实现运行程序外,还能监控PLC后台程序,两者由于时序不同并不相互冲突。在执行运动程序之前,PMAC必须对运动性指令和非运动性指令进行预先计算,从而协调执行机构的实际运动。本系统采用PMACⅡ型卡,通过扩展功能模块(ACC-8ES,ACC-8FS)可同时连接伺服电机驱动器与步进电机驱动器,同时实现对伺服电机与步进电机的联动。所选用的是交流伺服电机与国产步进电机,PMAC与上位的连接采用ISA总线方式。铺带数控系统开关动作量作为辅助加工,需要与运动量协调联动。为保证两者实时性,选用PCL-725,PCL-730数字I/O板卡分别对铺带数控系统的手动输入操作与开关动作输出量实施控制。由于两者都是以ISA总线通讯方式与上位工控机连接,数据传输效率得以保证。 2.铺带数控软件系统控制 2.1铺带数控系统的软件结构 铺带机数控系统软件是一个实时多任务软件系统,按照任务与加工控制过程的触发频繁程度,数控软件可分为实时任务和非实时任务两大类：直接与数控加工相关的任务为实时任务,除此之外的辅助任务为非实时任务。根据任务执行的时间不同,还可以分为周期性任务和突发任务:周期任务为有规律的按照时间间隔周期性地执行,突发任务在时间上是随机的。如图1所示,实时周期性任务主要包括运动控制和动作控制任务,它们是铺带加工过程中的核心任务,必须优先执行,不允许被其他任务强占。实时突发性任务主要包括手动开关控制与故障处理,当这些任务被触发时,系统应立即中断正在执行的任务,转入对这些事件的处理,处理完再恢复到中断前的状态。非实时周期性任务主要为界面显示刷新任务,它周期性地更新当前加工状态和各轴位置等显示信息,其主要目的是使操作者可以监控当前的系统信息。非实时性任务的优先级较低,只有当实时任务完全执行之后才能得到运行。非实时突发性任务是指实时性要求很低的任务,主要包括系统参数管理、数控文件管理、加工仿真、代码预处理及其他辅助性操作。 2.2运动控制任务和动作控制任务联合实现 铺带工艺的特殊性要求在铺放加工过程中运动量与动作量同时或交替进行,这两者都是关键任务,必须作为实时任务来实现。但他们通过不同的CPU进行处理:运动控制任务由PMAC执行,而开关动作量由PCL-725输出同步指令。这两个任务由上位机协调联动,通讯方式为ISA总线。由于PMAC运动程序中可以编写PLC逻辑指令,运动指令与动作指令可以联合编写在PMAC程序中,通过不断访问PMAC寄存器内开关量的状态并将其更新到数字输出板卡PCL-725中,就可以保证在铺带运动同时辅助动作量的联动实现。数据的传送完全由上位机协调实现。以下语句为PMAC中运动与动作量联调程序以及在系统主应用程序中数据传输实现。 图1.控制系统软件与功能 2.3主运动与随动的实现 铺带加工的运动控制存在主运动和随动运动两种情况,主运动是指系统直接运行的运动程序,不受任何其他条件限制,PMAC与传统数控加工运动控制卡类似也具有直线插补和圆弧插补运动方式,而直线插补运动方式最多可以支持8轴联动;此外,PMAC还提供了3次样条插补运动的功能,可实现在曲面上的高精度加工,这样也使5轴沿规定曲线联动成为可能。而随动是指相对于主运动程序中某一个或多个轴的运动按某种规律精确跟随运动。铺带的工艺要求预浸带超声切割系统与5轴定位机械平台既相对独立而又在某些特殊情况下必须跟随其运动的一个子系统,所以切割系统的运动方式必须采用随动系统来实现。这两种运动程序由代码解释器根据用户输入的数据自动生成,并通过PMAC设备驱动

复合材料的发展前景,发展与应用

复合材料的发展及应用 随着科学技术迅速发展，特别是尖端科学技术的突飞猛进，对材料性能提出越来越高,越来越严和越来越多的要求。在许多方面，传统的单一材料已不能满足实际需要。这时候复合材料就出现在了这百家争鸣的舞台上。 基本概论 复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。此定义来自ISO。在复合材料中，通常有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为增强材料。从上述定义中可以看出，复合材料是两个或多个连续相与一个或多个分散相在连续相中的复合，复合后的产物为固体时才称为复合材料。所以我们可根据增强材料与基体材料的名称来给复合材料命名，增强基体复合材料。如：玻璃钎维环氧树脂复合材料，可写作玻璃/环氧复合材 料。 分类与性能 按增强材料形态分类可分为（1）连续纤维复合材料；（2）短纤维复合材料；（3）粒状填料复合材料；（4）编织复合材料。按增强纤维种类分类可分为（1)玻璃纤维复合材料；（2）碳纤维复合材料；（3）有机，金属，陶瓷纤维复合材料。在此篇文章中主要讨论以基体材料分类的几种复合材料。1.聚合物基复合材料——比强度，比模量大；耐疲劳性好；减震性好；过载时安全性好；具有多种功能性；

有很好的加工工艺性。2金属基复合材料——高比强度，高比模量；导热，导电性能；热膨胀系数小，尺寸稳定性好；良好的高温性能；耐磨性好；良好的疲劳性能和断裂韧性；不吸潮，不老化，气密性好。此外还有陶瓷，水泥基复合材料，都有与上类似的特点。 基体材料 一：金属材料 选择基体的原则：使用要求，组成特点，基体金属与增强物的相 容性。 结构复合材料的基体：450℃以下的轻金属基体（“铝基和镁基”用于航天飞机，人造卫星，空间站，汽车发动机零件，刹车盘等）；450-700℃的复合材料的金属基体（“钛合金”用于航天发动机）；1000℃以上的高温复合材料的金属基体（“镍基，铁基耐热合金和金属间化合物”用于燃气轮机）。 二：陶瓷材料 陶瓷是金属和非金属元素的固体化合物，其键合为共价键或离子键，与金属不同，它们不含有大量的电子。一般而言，陶瓷具有比金属更高的熔点和硬度，化学性质非常稳定，耐热性，抗老化性皆佳。常用的陶瓷基体主要包括玻璃（无机材料高温烧结），玻璃陶瓷，氧化物陶瓷（MgO，Al2O3，SiO2，莫来石等），非氧化物陶瓷（氮化物，碳化物，硼化物和硅化物等）。 三：聚合物材料

碳纤维增强复合材料概述

碳纤维增强复合材料概述 摘要：本文对碳纤维增强复合材料进行了介绍，详细介绍了其优点和应用。并对碳纤维复合材料存在的问题提出建议。 关键字：碳纤维，复合材料，应用 Abstract: In this paper, the carbon fiber reinforced composite materials are introduced, its advantages and application was introduced in detail. And puts forward Suggestions on the problems existing in the carbon fiber composite materials. Key words: carbon fiber, composite materials, applications 1.碳纤维增强复合材料介绍 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[1]。 碳纤维是一种直径极细的连续细丝材料，直径范围在6～8 μm 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、

复合材料的发展和应用的论文

复合材料的发展和应用的论文 全球复合材料发展概况 复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。 随着科技的发展，树脂与玻璃纤维在技术上不断进步，生产厂家的制造能力普遍提高，使得玻纤增强复合材料的价格成本已被许多行业接受，但玻纤增强复合材料的强度尚不足以和金属匹敌。因此，碳纤维、硼纤维等增强复合材料相继问世，使高分子复合材料家族更加完备，已经成为众多产业的必备材料。目前全世界复合材料的年产量已达550多万吨，年产值达1300亿美元以上，若将欧、美的军事航空航天的高价值产品计入，其产值将更为惊人。从全球范围看，世界复合材料的生产主要集中在欧美和东亚地区。近几年欧美复合材料产需均持续增长，而亚洲的日本则因经济不景气，发展较为缓慢，但中国尤其是中国内地的市场发展迅速。据世界主要复合材料生产商ppg公司统计，2000年欧洲的复合材料全球占有率约为32%，年产量约200万吨。与此同时，美国复合材料在20世纪90年代年均增长率约为美国gdp增长率的2倍，达到4%~6%。2000年，美国复合材料的年产量达170万吨左右。特别是汽车用复合材料的迅速增加使得美国汽车在全球市场上重新崛起。亚洲近几年复合材料的发展情况与政治经济的整体变化密切相关，各国的占有率变化很大。总体而言，亚洲的复合材料仍将继续增长，2000年的总产量约为145万吨，预计2005年总产量将达180万吨。 从应用上看，复合材料在美国和欧洲主要用于航空航天、汽车等行业。2000年美国汽车零件的复合材料用量达万吨，欧洲汽车复合材料用量到2003年估计可达万吨。而在日本，复合材料主要用于住宅建设，如卫浴设备等，此类产品在2000年的用量达万吨，汽车等领域的用量仅为万吨。不过从全球范围看，汽车工业是复合材料最大的用户，今后发展潜力仍十分巨大，目前还有许多新技术正在开发中。例如，为降低发动机噪声，增加轿车的舒适性，正着力开发两层冷轧板间粘附热塑性树脂的减振钢板；为满足发动机向高速、增压、高负荷方向发展的要求，发动机活塞、连杆、轴瓦已开始应用金属基复合材料。为满足汽车轻量化要求，必将会有越来越多的新型复合材料将被应用到汽车制造业中。与此同时，随着近年来人们对环保问题的日益重视，高分子复合材料取代木材方面的应用也得到了进一步推广。例如，用植物纤维与废塑料加工而成的复合材料，在北美已被大量用作托盘和包装箱，用以替代木制产品；而可降解复合材料也成为国内外开发研究的重点。 另外，纳米技术逐渐引起人们的关注，纳米复合材料的研究开发也成为新的热点。以纳米改性塑料，可使塑料的聚集态及结晶形态发生改变，从而使之具有新的性能，在克服传统材料刚性与韧性难以相容的矛盾的同时，大大提高了材料的综合性能。 树脂基复合材料的增强材料 树脂基复合材料采用的增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。 1、玻璃纤维 目前用于高性能复合材料的玻璃纤维主要有高强度玻璃纤维、石英玻璃纤维和高硅氧玻璃纤维等。由于高强度玻璃纤维性价比较高，因此增长率也比较快，年增长率达到10%以上。高强度玻璃纤维复合材料不仅应用在军用方面，近年来民用产品也有广泛应用，如防弹头盔、防弹服、直升飞机机翼、预警机雷达罩、各种高压压力容器、民用飞机直板、体育用品、各类耐高温制品以及近期报道的性能优异的轮胎帘子线等。石英玻璃纤维及高硅氧玻璃