碳纤维复合材料超声波快速固结成型分析

  超声波快速固结成型是一种先进的复合材料成型技术,其常与AFP和ATL技术共用,用来替代传统热源,其超声波的频率一般在20~120kHz。超声波固结类似于利用超声波在两层或多层材料间进行焊接,其原理是超声波在层间界面之间的传递,由于界面焊区声阻较大,局部区域温度上升,而树脂的导热性差,热量会逐渐在焊区聚集,两层树脂的接触面迅速熔融.并在压力下融成一体, 待超声波停止作用后,保持压力使界面凝固成型。超声波快速固结成型技术具有能耗较低成本少效率高及自动化的特点,适用于大批量生产经超声波固结加工的材料,其性能与原料的自身特性、超声波频率与振幅等因素有关。

  1992年,W.E.Kenny20最先论证了超声波固结技术在热塑性复合材料自动化生产中的应用可行性,认为可以利用这项技术制造较大型的热塑性复合材料结构件。MRoylance等开发了一种超声波固结纤维增强热塑性复合材料技术,该工艺通过调整超声波探头的角度,使超声波能量处于一个足以降低树脂黏度并使相邻层材料达到粘结的临界点,此临界点的能量并不足以使树脂完全固化,但仍可以与新铺设的上层材料继续发生交联反应。

  在超声波快速固结成型技术中.导能筋(EDs)的结构与复合材料固结的质量有很大关系, EDs是材料在焊接固结过程中其表面.上的树脂小凸起,EDs可以使超声振动产生的能量集中在构件上所需固结连接的地方,根据横截面形状的不同可分为三角形、矩形和圆形等,其形状对材料的性能有一定影响。

  除了EDs外,许多学者还研究了其它影响树脂基复合材料超声波固结成型工艺的因素。研究人员研发了一种超声波固结专利技术,使超声波的震动能量在层压板中能够沿着所设定的路线传递。R. H. Rizzolo等阳将超声波固结技术与AFP技术相结合,制备了聚对苯二甲酸乙二酯/碳纤维复合材料,发现超声波频率与加载方向对复合材料的成型制备有很大影响。研究人员对4 mm厚的碳纤维增强尼龙66复合材料搭接结构的超声波可焊性进行了研究,结果发现搭接结构的强度取决于焊缝区域的正效应平衡和熔合区附近的焊缝压痕,以及气孔的负效应。