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探討混雜纖維復(fù)合材料頭盔的設(shè)計(jì)與制備

2021-01-21 08:44:01李炎鋒
家園·電力與科技 2021年14期
關(guān)鍵詞:頭盔復(fù)合材料

李炎鋒

摘要:當(dāng)前使用混雜纖維(Kevlar/碳)進(jìn)行頭盔制定時(shí),利用有限元分析其多種鋪層方式后的固化與變形,并按照頭盔的變形發(fā)生位置,以及小變形量的相關(guān)要求,確認(rèn)在CF/KF以及GF混雜方式下頭盔[02c/904k/02c]的鋪層方式,從而保障頭盔和外部設(shè)備在進(jìn)行安裝時(shí),不會(huì)受到影響。使用VARI工藝進(jìn)行頭盔制備,并且對(duì)C/K混雜纖維以及碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行沖擊性實(shí)驗(yàn)。就實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,相比碳纖維復(fù)合材料,C/K混雜纖維耐沖擊性能顯著較優(yōu)。

關(guān)鍵詞:混雜纖維;復(fù)合材料;頭盔;設(shè)計(jì)與制備

引言:當(dāng)前使用先進(jìn)的復(fù)合材料,因?yàn)榇嬖谀透g、高溫以及具備高模量等特點(diǎn),在極限運(yùn)動(dòng)以及航空等領(lǐng)域使用較為廣泛[1]。當(dāng)前無(wú)論是通用的GFRP、還是具有高性能的AFRP、CFRP,其均存在各自的不足以及優(yōu)勢(shì)[2]。若將2類或多纖維進(jìn)行聯(lián)合使用,可以有效發(fā)揮其各自的特征,從而發(fā)揮復(fù)合材料性能,降低制作成本。且能夠使混雜纖維復(fù)合材料性能得到有效提升。

1、頭盔熱變形的有限元分析

1.1 頭盔工況

當(dāng)前所設(shè)計(jì),頭盔的厚度在2.0mm,共10層,每層厚度在0.2mm。目前在制作頭盔時(shí),其所使用增強(qiáng)材料并不一致,即碳/Kevlar混雜纖維以及碳纖維。當(dāng)前頭盔出現(xiàn)變形的溫差在△T=165℃,在模擬時(shí),對(duì)頭盔兩側(cè)圓孔實(shí)施固定[3]。

1.2 CF/LF/CF夾芯混雜頭盔的熱變形

在進(jìn)行夾芯混雜時(shí),Kevlar纖維中芯層分為2層與3層。當(dāng)設(shè)計(jì)為2層時(shí),其最大變形發(fā)生位置在頂部,產(chǎn)生較大威脅。芯部位4層時(shí),頭盔變形結(jié)果見表1。

在對(duì)比4中鋪層方法后,可知[02C/904K/02C]與[0C/90C/04k/90C/0C]頭盔的變形量相對(duì)較小;[0C/90C/±452k/90C/0C]和[±45C/±45K]S的變形量則會(huì)逐步增大。分析其中存在的問(wèn)題,主要是由于[0C/90C/±452k/90C/0C]和[±45C/±45K]的頭盔變形主要是在頭盔頂部集中,而其他位置變形較小[4]。而[02C/904K/02C]與[0C/90C/04k/90C/0C]其最大的變形量主要是在下冊(cè),從而減小變形量,使頂部的變形量較小。依據(jù)頭盔變形的發(fā)生位置,以及小變量的需求,CF/LF/CF夾芯混雜頭盔選擇使用[02C/904K/02C]鋪層方式。分析原因,主要是因?yàn)樘祭w維以及Kevlar纖維相比縱向,橫向熱膨脹系數(shù)顯著較大。加之兩側(cè)碳纖維的鋪層角度為0°,Kevlar纖維鋪層為90°,因此在高溫固化的形勢(shì)下,Kevlar纖維的熱膨脹會(huì)有所削弱,減小變形量。

1.3 KF/CF/KF夾芯混雜頭盔的熱變形

所謂 KF/CF/KF夾芯混雜頭盔。即在進(jìn)行夾芯混雜頭盔設(shè)計(jì)時(shí),在外側(cè)兩層鋪放Kevlar纖維,其夾芯則為碳纖維[5]。在實(shí)施有限元變形預(yù)測(cè)后,該種鋪層方式之下,頭盔出現(xiàn)變形的位置,均為頂部位置,并且具有較大的變形量。因此目前C/K混雜纖維頭盔不采取KF/CF/KF鋪層。

綜上所述,當(dāng)前CF/KF混雜頭盔進(jìn)行鋪層時(shí),[0C/90K]4、[02C/904K/02C]以及[0C/90C/04k/90C/0C]三種鋪層方式最大變形量的發(fā)生位置與頭盔使用要求相符合,且其中[02C/904K/02C]鋪層方式,在固化時(shí),頭盔出現(xiàn)熱變形量最小。

2、頭盔的制備與性能測(cè)試

在進(jìn)行頭盔制備時(shí),利用真空管柱VARI工藝效果具有較佳效果。當(dāng)期VARI屬于一種新型的低成本大型構(gòu)件成型技術(shù)。其主要是利用真空條件下,將纖維增強(qiáng)體之中的氣體進(jìn)行排除,隨后利用樹脂的流動(dòng)、滲透,保障其對(duì)纖維與其織物的浸漬。在該工藝之中,進(jìn)行頭盔制備的磨具屬于組合式2片陰模,可以保障頭盔成型之后外表處于光滑的狀態(tài)。在進(jìn)行制作時(shí),應(yīng)先對(duì)模具進(jìn)行清理,保障頭盔中心對(duì)稱軸在90°方向。隨后依據(jù)[02C/904K/02C]方式,進(jìn)行纖維增強(qiáng)體鋪放,首先進(jìn)行倒流布鋪放,隨后進(jìn)行密封膠帶粘貼,最后真空袋封固。工作人員在頭盔的頂部位置設(shè)置注膠口,頭盔的邊沿應(yīng)設(shè)置出料口,進(jìn)行重模,時(shí)間在10min。在固化后全脫模后,頭盔表面光滑,未存在干點(diǎn),且尺寸測(cè)試的結(jié)果與設(shè)計(jì)要求一致,則為制作完成。

3、結(jié)束語(yǔ)

在探究頭盔鋪層設(shè)計(jì)對(duì)變形影響時(shí),實(shí)施有限元軟件分析后可知C/K混雜纖維頭盔的鋪層方式[02c/904k/02c]效果最佳。究其原因,是其使頭盔固化之中的變形在底部集中,因此變形量較小,能夠保障頭盔與外部設(shè)備處于穩(wěn)定狀態(tài)。其次,在進(jìn)行頭盔制備時(shí),利用真空管柱VARI工藝效果顯著,在使頭盔處于外表光滑的基礎(chǔ)上,降低孔隙率,提高性能,滿足用戶的使用需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 張國(guó)利, 童亞敏, 徐靖, 等. 鋪層角度對(duì)頭盔殼體用碳/芳綸混雜纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的影響[J]. 天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2021, 40(4):7.

[2] 王曉宏, 劉長(zhǎng)喜, 畢鳳陽(yáng),等. 非等厚碳纖維復(fù)合材料彈性膜盤結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及制作[J]. 昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2021, 46(1):10.

[3] 李長(zhǎng)春, 董超, 高志勇,等. 基于碳纖維復(fù)合材料的再入飛行器彈翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2019(5):5.

[4] 葉斌斌, 韓建國(guó), 潘鵬,等. 芳綸纖維和超高分子量聚乙烯纖維制備工程用纖維/水泥復(fù)合材料的適用性[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2019,36(1): 245-253.

[5] 錢伯章. 德國(guó)開發(fā)碳纖維復(fù)合材料與鋁材料連接的新技術(shù)[J]. 合成纖維, 2019, 48(2):1.

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