機床用碳纖維增強樹脂礦物復合材料的制備與性能研究.pdf

1、近年來，我國在精密機床結構設計與運動控制等方面發(fā)展迅速，但大部分基礎構件仍然采用鑄鐵或鋼材焊接結構制成，制備周期較長，材料的減振特性已接近于極值，并且生產(chǎn)過程污染嚴重，研究開發(fā)具有優(yōu)良阻尼性能的基礎構件材料對于推動機械工業(yè)的技術進步具有重要的理論與工程實際意義。
　　樹脂礦物復合材料以花崗石顆粒為骨料，以有機樹脂作為粘結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埋件設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、底座等基礎構件，其生產(chǎn)過程無需燒結，對環(huán)境基本無污染。
　　與鑄鐵相比，樹脂礦物復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)化增強樹脂礦物復合材料，在保證其原有高阻尼特性的基礎上提高材料的強度與耐熱膨脹性能為本文研究重點，主要研究內容包括:①樹脂礦物復合材料的組分優(yōu)選與制備工藝優(yōu)化;②樹脂礦物復合材料的分形骨料級配與纖維增強機理;③樹脂礦

3、物復合材料的能量損耗機理與阻尼表征;④樹脂礦物復合材料的碳纖維阻脹機理與熱膨脹性能;⑤樹脂礦物復合材料精密車床床身結構優(yōu)化。
　　基于樹脂礦物復合材料的組分特征與反應機理優(yōu)選樹脂系統(tǒng)、骨料與輔助組分等，結合宏觀特性表征獲得各組分的基礎配比范圍。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，綜合考慮不同粒徑骨料的分散堆積規(guī)律，結合顆粒填充理論確定最終的關鍵控制篩孔尺寸?；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驗證了堆積空隙率的變化趨勢，仿真結果與實測值基本一致，可作為后續(xù)級配設計的預驗證環(huán)節(jié)。建立骨料的微觀應力傳遞模型，結合材料抗壓強度測試結果驗證了上述模型的合理性，結果表明，隨著最大骨料粒徑的增加，骨架強度升高，樹脂用量減少，骨料顆粒內部的缺陷與微裂紋將對復合材料的強度產(chǎn)生一定的

5、影響?；诩魷碚撓到y(tǒng)研究碳纖維的應力傳遞機制，分別建立了纖維斷裂與端部脫粘情況下的應力重新分布模型，結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的材料阻尼產(chǎn)生機理，推導了微觀界面滑移耗能公式，結果表明，增強纖維引入的大量界面將對樹脂礦

6、物復合材料阻尼性能產(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)生纖維纏繞結團現(xiàn)象。
　　基于碳纖維在中低溫條件下的負熱膨脹特點，建立了樹脂礦物復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

7、合材料受壓，界面失配應力將對復合材料的受熱膨脹產(chǎn)生一定限制?；趽p傷力學研究了骨料-樹脂、碳纖維-樹脂界面的裂紋產(chǎn)生與擴展規(guī)律，對樹脂礦物復合材料的受熱破壞現(xiàn)象進行了合理解釋。結合樹脂的玻璃態(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合材料平均線熱膨脹系數(shù)的影響定量表征，樹脂礦物復合材料的最優(yōu)熱膨脹性能已達到9.627*10-6/℃。
　　應用Pro/E建立典型精密車床床身的簡化三維模型并導入有限

8、元分析軟件，基于鑄鐵與樹脂礦物復合材料的性能參量分別對模型進行了相應的定義。結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變形。在相同結構和尺寸條件下，樹脂礦物復合材料床身在X、Y、Z方向的變形均為鑄鐵材料床身的3.5～3.6倍，提出了兩種結構優(yōu)化方案并進行了對應的靜力學與熱力耦合分析，優(yōu)化后的樹脂礦物復合復合材料床身變形能夠滿足整機剛度要求。優(yōu)化設計的樹脂礦物復合材料床身各階固有頻率均高于鑄