摘要
以含20 %的短碳纤维增强聚醚醚酮树脂为主要原料,采用注塑成型的方法制备了进气道及试片。通过对材料力学性能、微观形貌、进气道CT无损检测、内型面三坐标进行分析,结果表明:按照给定的工艺参数注塑成型,复合材料的抗拉强度达208 MPa、拉伸模量16.7 GPa、冲压式剪切强度100 MPa,碳纤维在树脂基体中分布均匀,进气道本体材料内部缺陷较少,进气道内外型面光滑、尺寸精度较高。
进气道是发动机的重要组成部分之一,作为发动机的进气装置,进气道应能捕获足够并提供具有一定压力、速度和流量的空气以便发动机产生足够的推力。为了提高隐身性能和降低迎风阻力,多将具有平面腹部的截面外形与埋入式进气道组合设计,见
图1 进气道结构示意图
Fig. 1 Sketch of the air inlet structure
图2 埋入式进气道的设计参数
Fig. 2 Parameters of the submerged inlet
进气道的多曲度管筒复杂形状限制了成型工艺的选择,对于内型面尺寸和质量要求高的进气道多采用阳模成型,从成本角度多采用手糊湿法成型。但是手糊湿法成型原材料利用率低、尺寸精度较差、后续需要人工修配以满足装配要求、生产周期长、进气道外观通常依赖生产环境且不利于环保。目前市场应用广泛的注塑成型工艺能够弥补上述不足,注塑成型原料多采用热塑性材料,可以回收利用,注塑模具的设计可以保证产品的外观质量和尺寸精度,减少后续修配,注塑成型的高效率可以满足大批量生产缩短周期,封闭式模具成型可以降低环境对材料的影响。
注塑成型用热塑性塑料主要包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、尼龙、聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚砜(PSU)等。按照进气道使用要求,聚乙烯等多数常规热塑性材料无法满足。而碳纤维增强聚醚醚酮复合材料以其具有可调的抗拉强度、弹性模量,优异的抗蠕变、耐湿热、耐老化和抗冲击性能成为进气道材料的最佳选择之一。
本文选取20 %短碳纤维增强聚醚醚酮(下简称PEEKCF20)注塑成型平面埋入式进气道及其力学性能试片,并对材料的力学性能和微观形貌,进气道的内部缺陷和型面进行了检测分析。
聚丙烯腈基碳纤维(PAN-CF),型号TC-36S-12K,短切长度2~4 mm和4~6 mm,平均直径7 µm,聚醚酰亚胺型上浆剂,日本东丽公司。聚丙烯腈基碳纤维(PAN-CF),型号TC-36S-12K,短切长度4~6 mm,平均直径7 µm,环氧树脂型上浆剂,日本东丽公司。PEEK树脂颗粒料由长春吉大特塑工程研究所提供,注塑机型号HTF1000W2/90。
按照碳纤维质量比20 %称取碳纤维和聚醚醚酮树脂,将碳纤维、PEEK树脂和助剂在高速混料机内预混,喂入STS35双螺杆挤出机进行挤出并由切粒机造粒而成PEEKCF20颗粒,颗粒平均直径4 mm。将粒料放在空气流通的干燥箱内150 ℃烘干3 h,烘干时粒料应平铺在干净的盘子内,平铺高度不超过2 cm。尤其注意保证原料在整个过程中的纯净、防止污染。挤出机和注塑机使用前应用同种原料清洗。试片和进气道成型模具应用汽油或丙酮处理并涂刷脱模剂。
力学性能试片的制备:装配注塑机和平板试片成型模具,调节设备至运行正常。设置工艺参数参考料筒温度380~405 ℃、模具温度150~200 ℃,注塑压力100~130 MPa,锁模压力110~140 MPa,保压80~100 MPa,中速冷却,将PEEKCF20颗粒料注入模具。
进气道的制备:装配注塑机和进气道成型模具,调节设备至运行正常。设置工艺参数参考料筒温度380~405 ℃、模具温度150~200 ℃,注塑压力100~130 MPa,锁模压力110~140 MPa,保压80~100 MPa,中速冷却,将PEEKCF20颗粒料注入模具。
选取纤维长度分别为2~4 mm、4~6 mm的聚醚酰亚胺型上浆剂碳纤维(质量份数20 %)增强聚醚醚酮的两组材料试片并测定其力学性能,每组测试8个试片的力学性能,取平均值。测试结果见
图3 不同长度纤维对4~6 mm/PEEKCF20复合材料力学性能的影响
Fig. 3 Mechanical properties of 4~6 mm/PEEKCF20 composites with various length carbon fiber
PEEKCF20复合材料拉伸或冲压破坏时由于纤维从基体中拔出而吸收外加载荷的能量。由于纤维越长,拔出时需要的能量越多,强度因此提高。同时由于碳纤维质量分数相同的复合材料中纤维越长则根数越少,纤维端部引起的应力缺陷越少,材料破坏也相对较难。由此宏观表现为纤维长度4~6 mm的PEEKCF20复合材料力学性能优于2~4 mm的PEEKCF20复合材料。
与纯PEEK树脂相比(拉伸强度97 MPa,拉伸模量2.8 GP
不同上浆剂的PEEKCF20试片拉伸断口形貌见
图4 碳纤维增强聚醚醚酮拉伸断面扫描电镜照片
Fig. 4 SEM photographs of surfaces of PEEKCF20
注: (a)聚醚酰亚胺型上浆剂低倍;(b)聚醚酰亚胺型上浆剂高倍;(c)、(d)环氧树脂型上浆剂。
采用聚醚酰亚胺型上浆剂、4~6 mm的PEEKCF20颗粒料在不同的注塑工艺参数下成型进气道产品。(a)料筒温度400 ℃、模具温度180 ℃,注塑压力130 MPa,锁模压力120 MPa,保压100 MPa,中速冷却。(b)料筒温度420 ℃、模具温度220 ℃,注塑压力130 MPa,锁模压力120 MPa,保压100 MPa,快速冷却。
利用X-CT对进气道整体进行了无损检测,照片见
图5 不同注塑工艺的进气道X-CT照片
Fig. 5 X-CT photographs of air inlet under different molding process parameters
与纯PEEK树脂相比(拉伸强度97 MPa,拉伸模量2.8 GP
参考文献
孙姝,郭荣伟.平面埋入式进气道的口面参数选择与试验验证[J],航空学报,2005,26(3):268-275. [百度学术]
SUN S, GUO R W. Experimental research of effects of errtrance parameters on performance of submerged inlet[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2005, 26( 3): 268-275. [百度学术]
STENING T C, SMITH C P, KIMBER P J. Polyaryletherketone: high performance in a new thermoplastic[J]. Modern Plastics Intenrational,1982(3): 54-56. [百度学术]
I GIRAUD I, S FRANCESCHI-MESSANT, E PEREZ, et al. Preparation of aqueous dispersion of thermoplastic sizing agent for carbon fiber by emulsion/solvent evaporation[J]. Applied Surface Science, 2013 (266): 94-99. [百度学术]