機床用碳纖維增強樹脂礦物復(fù)合材料的制備與性能研究.pdf

1、近年來，我國在精密機床結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動控制等方面發(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，材料的減振特性已接近于極值，并且生產(chǎn)過程污染嚴(yán)重，研究開發(fā)具有優(yōu)良阻尼性能的基礎(chǔ)構(gòu)件材料對于推動機械工業(yè)的技術(shù)進步具有重要的理論與工程實際意義。
　　樹脂礦物復(fù)合材料以花崗石顆粒為骨料，以有機樹脂作為粘結(jié)劑并選擇添加部分增韌增強輔助組分制備而成，配合使用精密模具與預(yù)埋件設(shè)計工藝可在室溫下一次澆鑄成型，適用于制備精密

2、機床的床身、底座等基礎(chǔ)構(gòu)件，其生產(chǎn)過程無需燒結(jié)，對環(huán)境基本無污染。
　　與鑄鐵相比，樹脂礦物復(fù)合材料的阻尼減振性能優(yōu)異，但強度較低，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配優(yōu)化增強樹脂礦物復(fù)合材料，在保證其原有高阻尼特性的基礎(chǔ)上提高材料的強度與耐熱膨脹性能為本文研究重點，主要研究內(nèi)容包括:①樹脂礦物復(fù)合材料的組分優(yōu)選與制備工藝優(yōu)化;②樹脂礦物復(fù)合材料的分形骨料級配與纖維增強機理;③樹脂礦

3、物復(fù)合材料的能量損耗機理與阻尼表征;④樹脂礦物復(fù)合材料的碳纖維阻脹機理與熱膨脹性能;⑤樹脂礦物復(fù)合材料精密車床床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
　　基于樹脂礦物復(fù)合材料的組分特征與反應(yīng)機理優(yōu)選樹脂系統(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，有效降低了樹脂礦物復(fù)合材料的制備周期，材料七天強度達到149.92MPa。
　　通過統(tǒng)計分析與簡化假

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配配方與評價參量，配合顆粒流仿真與圖像處理技術(shù)驗證了堆積空隙率的變化趨勢，仿真結(jié)果與實測值基本一致，可作為后續(xù)級配設(shè)計的預(yù)驗證環(huán)節(jié)。建立骨料的微觀應(yīng)力傳遞模型，結(jié)合材料抗壓強度測試結(jié)果驗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，骨架強度升高，樹脂用量減少，骨料顆粒內(nèi)部的缺陷與微裂紋將對復(fù)合材料的強度產(chǎn)生一定的

5、影響。基于剪滯理論系統(tǒng)研究碳纖維的應(yīng)力傳遞機制，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)合纖維增強實驗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理獲得樹脂礦物復(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，建立了樹脂礦物復(fù)合材料的能量損耗機理模型。系統(tǒng)分析了樹脂、骨料、增強纖維以及三者界面對應(yīng)的材料阻尼產(chǎn)生機理，推導(dǎo)了微觀界面滑移耗能公式，結(jié)果表明，增強纖維引入的大量界面將對樹脂礦

6、物復(fù)合材料阻尼性能產(chǎn)生重要影響?；趩我蛩貙嶒灚@得了材料組分、骨料級配、纖維參量等對樹脂礦物復(fù)合材料阻尼的影響規(guī)律，相比于其它因素，樹脂的本征阻尼對樹脂礦物復(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一步提高材料的阻尼比，但需避免產(chǎn)生纖維纏繞結(jié)團現(xiàn)象。
　　基于碳纖維在中低溫條件下的負(fù)熱膨脹特點，建立了樹脂礦物復(fù)合材料的碳纖維阻脹機理模型，升溫過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-樹脂、碳纖維-樹脂界面的裂紋產(chǎn)生與擴展規(guī)律，對樹脂礦物復(fù)合材料的受熱破壞現(xiàn)象進行了合理解釋。結(jié)合樹脂的玻璃態(tài)溫區(qū)范圍選擇80℃平均線熱膨脹系數(shù)作為評定參量，實驗研究了各因素對樹脂礦物復(fù)合材料平均線熱膨脹系數(shù)的影響定量表征，樹脂礦物復(fù)合材料的最優(yōu)熱膨脹性能已達到9.627*10-6/℃。
　　應(yīng)用Pro/E建立典型精密車床床身的簡化三維模型并導(dǎo)入有限

8、元分析軟件，基于鑄鐵與樹脂礦物復(fù)合材料的性能參量分別對模型進行了相應(yīng)的定義。結(jié)合床身的實際工況分析并計算了靜動態(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)化方案并進行了對應(yīng)的靜力學(xué)與熱力耦合分析，優(yōu)化后的樹脂礦物復(fù)合復(fù)合材料床身變形能夠滿足整機剛度要求。優(yōu)化設(shè)計的樹脂礦物復(fù)合材料床身各階固有頻率均高于鑄