大絲束碳纖維短切機理及斷口形貌控制

《大絲束碳纖維短切機理及斷口形貌控制》是依託華南理工大學，由陸龍生擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：大絲束碳纖維短切機理及斷口形貌控制
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陸龍生
• 依託單位：華南理工大學

項目摘要

碳纖維是公認的下一代高性能材料，短切是其重要的加工技術。針對目前碳纖維短切生產效率低、刀具磨損快、理論缺乏等現狀，項目開展大絲束碳纖維短切機理及斷口形貌控制研究。以大絲束聚丙烯腈（PAN）基碳纖維為研究對象，研究多場（流場、力場、溫度場）綜合作用下碳纖維的切斷機理，建立碳纖維切斷模型；分析絲束堆疊密度和截面形狀在短切時的演變規律，建立碳纖維絲束切斷模型；研究短切碳纖維質量對複合材料性能的遺傳作用，探討缺陷和表面質量對短切質量的作用規律，發現基於缺陷的斷口形貌控制方法；基於切斷機理與模型，完成短切刀具及系統的最佳化設計，建立短切刀具的幾何模型與刀具壽命評價方法，建立短切刀具系統的力學模型和振動模型；探索刀具系統與短切纖維質量之間的映射關係；通過對短切碳纖維質量的線上監測，實現刀具系統的壽命預測與主動控制。項目的實施，將形成一套完善的碳纖維短切理論及技術，促進碳纖維產業向國民經濟各個領域的套用。

結題摘要

碳纖維是公認的下一代新材料，短切是其重要套用形式，然而一直缺乏專門的製造技術與理論支撐。 項目開展了碳纖維單絲/絲束斷裂機理、刀具磨損、裝備設計、質量評價等研究。取得的主要理論成果如下：（1）揭示了碳纖維單絲切斷機理，建立相關理論模型和數值模型，發現碳纖維的斷裂在柔性支撐時主要受脆性折斷作用，符合格里菲斯微裂紋理論，斷口表面粗糙；在剛性支撐時，主要受赫茲接觸的影響，斷口形貌光滑；柔性支撐相比剛性支撐，極大的降低碳纖維切斷力。（2）對比研究了不同預張力條件下有/無支撐約束對碳纖維單絲斷裂行為的影響，發現預張力不利於支撐約束條件下的碳纖維斷裂，但能促進無支撐條件下碳纖維的斷裂。（3）揭示了絲束堆疊形狀在短切刀具與漿料作用下的碳纖維形變規律，揭示了大絲束碳纖維切斷機理，發現絲束的斷裂是由刀具接觸內側向外側擴展的。（4）觀察了短切刀具的磨損過程，發現磨粒磨損是刀具磨損的主要原因，月牙灣磨損是主要形式；提出了磨損量差值和磨損類比兩個評價短切刀具壽命的方法。（5）以短切碳纖維長度、寬度均勻性標準差、斷口整齊度和斷面形貌作為質量評價指標，套用熵權模糊綜合評價方法，構建了短切碳纖維的質量評價方法。（6）結合碳纖維斷裂機理、斷裂行為和質量評價方法，最佳化設計了基於彈性支撐的徑向切割式短切碳纖維設備，以上漿工藝為對象，探索了最佳化生產工藝，搭建了速率＞50 m/min、年產達200噸的短切碳纖維中試生產線；（7）揭示了複合材料性能與短切碳纖維結構參數之間的映射規律，針對電磁禁止領域，完成了電磁禁止效能＞30 dB、厚度＜0.2 mm的高性能超薄碳纖維複合材料的設計與製造，符合電磁禁止商用標準。 項目在International Journal of Machine Tools and Manufacture、Textile Research Journal等國內外權威期刊上發表學術論文19篇，其中SCI收錄17篇，EI收錄2篇，培養研究生9人，向行業企業技術轉讓成果2項，轉讓費22萬元。項目的實施，豐富了碳纖維短切技術理論體系，有效的促進了碳纖維產業的發展。