【摘 要】
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连续碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTP）具备比强度高,抗冲击韧性好,可循环回收利用,可防化学腐蚀,便于运输储存,加工过程无有害物质等优点。对于追求高强度和轻量化的航空航天、新能源汽车、轨道交通、风力发电等领域,CFRTP复合材料均具有广泛的应用前景。在熔融浸渍法制备预浸料过程中,存在纤维束展纤困难、纤维单丝分布不均匀、热塑性树脂浸渍不充分、树脂富集导致纤维开裂等问题。碳纤维（CFs）由于断裂韧性
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连续碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTP）具备比强度高,抗冲击韧性好,可循环回收利用,可防化学腐蚀,便于运输储存,加工过程无有害物质等优点。对于追求高强度和轻量化的航空航天、新能源汽车、轨道交通、风力发电等领域,CFRTP复合材料均具有广泛的应用前景。在熔融浸渍法制备预浸料过程中,存在纤维束展纤困难、纤维单丝分布不均匀、热塑性树脂浸渍不充分、树脂富集导致纤维开裂等问题。碳纤维（CFs）由于断裂韧性较差、单丝直径小,在预浸料制备过程中上述问题尤为突出。传统机械展纤法展宽上限低、对纤维的损伤较大。单一振动展纤法较机械展纤提升了展纤宽度,但断裂率较高、展纤均匀性较差。单一内吸式气流展纤法利用纤维束内外压强差实现纤维束无损展纤,然而其设备成本较高、展纤稳定性较差且展纤器腔体尺寸有限,难以对宽幅纤维带进行展宽。当前,吸取不同展纤方式的优点,使其有机结合是提升展纤效果的有效手段。本文针对CFRTP预浸料制备过程中的展纤机理和浸渍工艺进行研究,首先,探究了振动展纤与气流喷吹展纤结合的可行性,搭建了振动喷吹展纤装置并建立了纤维展宽数学模型和断裂率数学模型。其次,通过在线展纤实验和预浸料制备实验,对振动喷吹展纤工艺参数进行了优化,在最佳展纤工艺参数的基础上,对熔融浸渍工艺参数进行优化。最后,开展了不同相容剂种类、含量对CFRTP预浸料性能的影响研究。主要工作内容为:（1）通过对纤维束在振动展纤过程和气流展纤过程进行力学分析,确定了在垂直振动展纤过程中,引入喷吹气流的可行性,并由此搭建了振动喷吹展纤装置。结合对展纤过程中的纤维束受力分析,采用牛顿运动定律和伯努利方程,以气流速度、振动幅度、振动频率、牵引速度为参数,建立了碳纤维振动喷吹展纤宽度数学模型;采用Weibull分布函数对振动喷吹展纤过程中的纤维断裂进行描述,建立了振动喷吹展纤的断裂率数学模型。通过在线展纤实验验证了数学模型预测值与实验值变化趋势相符合。（2）以碳纤维展纤宽度、纤维断裂率和纤维分散均匀度为表征方式,依次对振动展纤工艺参数和振动喷吹展纤工艺参数进行了DOE实验研究。实验结果表明,单一垂直振动展纤在较大的放纤张力下有效提升了碳纤维展宽,但由于增加了振动辊对纤维束的冲击力,纤维断裂率未能得到改善,展纤均匀度波动较大。振动喷吹展纤法能够在较小的放纤张力条件下提升碳纤维展宽和纤维单丝分散均匀度,降低纤维断裂率,最佳展纤工艺参数为:放纤张力=2N、振动频率=5Hz、振动幅度=22mm、气流速度=9m/s。（3）在最佳展纤工艺参数条件下开展了CFRTP预浸料制备实验,以模具温度、模具间隙、牵引速度为实验因素,以纤维浸渍程度和纤维断裂率为响应,设计了DOE实验,对浸渍工艺参数进行了优化分析,使浸渍程度达到了98.9%、断裂率降低至0.725%。（4）探究了不同CFs含量和不同相容剂含量对CFs/PP复合材料力学性能影响,结果表明,对于20%CFs含量的长纤注塑复合材料,随着相容剂PP-g-MAH质量含量的增加,复合材料拉伸强度与冲击强度都展现出逐渐增加的趋势;相容剂POE-g-MAH能够有效增加CFRTP复合材料冲击韧性,但复合材料拉伸强度在POE-g-MAH质量含量为4%左右时出现降低趋势。
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