機(jī)床用碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂礦物復(fù)合材料的制備與性能研究.pdf

1、近年來(lái)，我國(guó)在精密機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)控制等方面發(fā)展迅速，但大部分基礎(chǔ)構(gòu)件仍然采用鑄鐵或鋼材焊接結(jié)構(gòu)制成，制備周期較長(zhǎng)，材料的減振特性已接近于極值，并且生產(chǎn)過(guò)程污染嚴(yán)重，研究開(kāi)發(fā)具有優(yōu)良阻尼性能的基礎(chǔ)構(gòu)件材料對(duì)于推動(dòng)機(jī)械工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步具有重要的理論與工程實(shí)際意義。
　　樹(shù)脂礦物復(fù)合材料以花崗石顆粒為骨料，以有機(jī)樹(shù)脂作為粘結(jié)劑并選擇添加部分增韌增強(qiáng)輔助組分制備而成，配合使用精密模具與預(yù)埋件設(shè)計(jì)工藝可在室溫下一次澆鑄成型，適用于制備精密

2、機(jī)床的床身、底座等基礎(chǔ)構(gòu)件，其生產(chǎn)過(guò)程無(wú)需燒結(jié)，對(duì)環(huán)境基本無(wú)污染。
　　與鑄鐵相比，樹(shù)脂礦物復(fù)合材料的阻尼減振性能優(yōu)異，但強(qiáng)度較低，耐熱膨脹性能較差，在一定程度上限制了其大量推廣應(yīng)用。本文提出添加碳纖維并配合骨料級(jí)配優(yōu)化增強(qiáng)樹(shù)脂礦物復(fù)合材料，在保證其原有高阻尼特性的基礎(chǔ)上提高材料的強(qiáng)度與耐熱膨脹性能為本文研究重點(diǎn)，主要研究?jī)?nèi)容包括:①樹(shù)脂礦物復(fù)合材料的組分優(yōu)選與制備工藝優(yōu)化;②樹(shù)脂礦物復(fù)合材料的分形骨料級(jí)配與纖維增強(qiáng)機(jī)理;③樹(shù)脂礦

3、物復(fù)合材料的能量損耗機(jī)理與阻尼表征;④樹(shù)脂礦物復(fù)合材料的碳纖維阻脹機(jī)理與熱膨脹性能;⑤樹(shù)脂礦物復(fù)合材料精密車(chē)床床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
　　基于樹(shù)脂礦物復(fù)合材料的組分特征與反應(yīng)機(jī)理優(yōu)選樹(shù)脂系統(tǒng)、骨料與輔助組分等，結(jié)合宏觀特性表征獲得各組分的基礎(chǔ)配比范圍。系統(tǒng)分析材料的長(zhǎng)期性能變化規(guī)律，建立氣泡的負(fù)壓微圓柱模型，優(yōu)化材料的制備與固化工藝，有效降低了樹(shù)脂礦物復(fù)合材料的制備周期，材料七天強(qiáng)度達(dá)到149.92MPa。
　　通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析與簡(jiǎn)化假

4、設(shè)，綜合考慮不同粒徑骨料的分散堆積規(guī)律，結(jié)合顆粒填充理論確定最終的關(guān)鍵控制篩孔尺寸?；诜中卫碚摣@得更為精確的骨料級(jí)配配方與評(píng)價(jià)參量，配合顆粒流仿真與圖像處理技術(shù)驗(yàn)證了堆積空隙率的變化趨勢(shì)，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值基本一致，可作為后續(xù)級(jí)配設(shè)計(jì)的預(yù)驗(yàn)證環(huán)節(jié)。建立骨料的微觀應(yīng)力傳遞模型，結(jié)合材料抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了上述模型的合理性，結(jié)果表明，隨著最大骨料粒徑的增加，骨架強(qiáng)度升高，樹(shù)脂用量減少，骨料顆粒內(nèi)部的缺陷與微裂紋將對(duì)復(fù)合材料的強(qiáng)度產(chǎn)生一定的

5、影響?；诩魷碚撓到y(tǒng)研究碳纖維的應(yīng)力傳遞機(jī)制，分別建立了纖維斷裂與端部脫粘情況下的應(yīng)力重新分布模型，結(jié)合纖維增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)獲得了碳纖維的最佳用量范圍。
　　基于典型粘彈性材料的能量損耗機(jī)理獲得樹(shù)脂礦物復(fù)合材料的本征與界面阻尼表征因子，引入纖維方向效能系數(shù)定義，建立了樹(shù)脂礦物復(fù)合材料的能量損耗機(jī)理模型。系統(tǒng)分析了樹(shù)脂、骨料、增強(qiáng)纖維以及三者界面對(duì)應(yīng)的材料阻尼產(chǎn)生機(jī)理，推導(dǎo)了微觀界面滑移耗能公式，結(jié)果表明，增強(qiáng)纖維引入的大量界面將對(duì)樹(shù)脂礦

6、物復(fù)合材料阻尼性能產(chǎn)生重要影響。基于單因素實(shí)驗(yàn)獲得了材料組分、骨料級(jí)配、纖維參量等對(duì)樹(shù)脂礦物復(fù)合材料阻尼的影響規(guī)律，相比于其它因素，樹(shù)脂的本征阻尼對(duì)樹(shù)脂礦物復(fù)合材料的減振性能起主要作用，阻尼比最大值為目前常用HT200鑄鐵材料的十倍以上，合理的纖維用量與界面控制能夠進(jìn)一步提高材料的阻尼比，但需避免產(chǎn)生纖維纏繞結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。
　　基于碳纖維在中低溫條件下的負(fù)熱膨脹特點(diǎn)，建立了樹(shù)脂礦物復(fù)合材料的碳纖維阻脹機(jī)理模型，升溫過(guò)程中碳纖維受拉而復(fù)

7、合材料受壓，界面失配應(yīng)力將對(duì)復(fù)合材料的受熱膨脹產(chǎn)生一定限制?；趽p傷力學(xué)研究了骨料-樹(shù)脂、碳纖維-樹(shù)脂界面的裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展規(guī)律，對(duì)樹(shù)脂礦物復(fù)合材料的受熱破壞現(xiàn)象進(jìn)行了合理解釋。結(jié)合樹(shù)脂的玻璃態(tài)溫區(qū)范圍選擇80℃平均線熱膨脹系數(shù)作為評(píng)定參量，實(shí)驗(yàn)研究了各因素對(duì)樹(shù)脂礦物復(fù)合材料平均線熱膨脹系數(shù)的影響定量表征，樹(shù)脂礦物復(fù)合材料的最優(yōu)熱膨脹性能已達(dá)到9.627*10-6/℃。
　　應(yīng)用Pro/E建立典型精密車(chē)床床身的簡(jiǎn)化三維模型并導(dǎo)入有限

8、元分析軟件，基于鑄鐵與樹(shù)脂礦物復(fù)合材料的性能參量分別對(duì)模型進(jìn)行了相應(yīng)的定義。結(jié)合床身的實(shí)際工況分析并計(jì)算了靜動(dòng)態(tài)條件下的各部位受力情況，仿真分析了兩種材料床身的靜力學(xué)變形。在相同結(jié)構(gòu)和尺寸條件下，樹(shù)脂礦物復(fù)合材料床身在X、Y、Z方向的變形均為鑄鐵材料床身的3.5～3.6倍，提出了兩種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案并進(jìn)行了對(duì)應(yīng)的靜力學(xué)與熱力耦合分析，優(yōu)化后的樹(shù)脂礦物復(fù)合復(fù)合材料床身變形能夠滿足整機(jī)剛度要求。優(yōu)化設(shè)計(jì)的樹(shù)脂礦物復(fù)合材料床身各階固有頻率均高于鑄