碳纤维增强树脂基复合材料自阻电热高压固化基础研究

Carbon fiber reinforced polymer composites have been developed into a key material which is massively applied in aerospace fields. Traditional autoclave curing technology exhibits serious problems, such as incapable curing large thickness and variable thickness carbon fiber composites components, long curing period and high energy consumptions. This project presents a method of carbon fiber reinforced polymer composites processed by high pressure assisted self-resistive heating, which is intended to reveal the curing mechanism of carbon fiber reinforced polymer composites self-resistive heating, research the change rule of carbon fiber composites electro-thermal characteristics influenced by different geometry size, layer direction, curing temperature, external pressure and electrode form, establish the self-resistive heated curing temperature field adaptive accurate control model for composite components. For the sake of providing theoretical and technical supports for the high quality, high efficiency and low energy consumption curing of carbon fiber reinforced polymer composite materials.

碳纤维增强树脂基复合材料已发展成为航空航天领域内大量运用的关键材料。针对传统热压罐工艺难以固化成型大厚度与变厚度碳纤维复材构件、固化时间长、能耗高等问题,本项目提出碳纤维增强树脂基复合材料构件自阻电热高压固化方法，旨在揭示碳纤维增强树脂基复合材料自阻电热固化机理，研究不同几何尺寸、铺层方向、固化温度、外部压力以及电极设置等参数影响下碳纤维复合材料电热特性的变化规律，建立自阻电热固化温度场自适应精确控制模型。为碳纤维增强树脂基复材构件的高质量、高效率和低能耗固化成型提供理论和技术支撑。

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)是航空航天等领域内高端装备减重增效的优选材料。固化是决定高端装备CFRP构件质量的重要环节之一。传统热压罐固化方法基于热空气传导加热，温控响应滞后、能耗高、周期长，难以实现新一代航空航天高端装备CFRP构件的高质高效固化。本项目深入研究了CFRP构件自阻电热固化新原理和方法，主要创新工作如下：. 1. 在CFRP自阻电热固化机理方面，探究了自阻电热工艺参数对CFRP力学性能的影响规律，揭示了纤维通电后的优先加热效应对界面强度的提升机理，给出了高质高效固化的优选自阻电热工艺，实现了固化能耗和周期的显著降低。. 2. 在CFRP自阻电热过程中的电热特性方面，研究了CFRP构件体积电阻随固化进程的变化规律，在此基础上，提出了CFRP构件固化度在线自监测方法，实现了构件整体固化度的在线监测，与传统方法相比，本方法的固化度监测误差小于5%。. 3. 在CFRP构件自阻电热固化温度场控制方法方面，针对大厚度CFRP层合板和异形轮廓CFRP构件,提出分层和分区自阻电热方法，大幅提升了CFRP构件的温度均匀性，在此基础啊上，提出了多角度热束叠加的分区自阻电热固化方法，对碳纤维通电在CFRP内部形成若干高度取向且相互交叉的焦耳热束，建立了逆传热修正拉东变换热束投影计算模型，控制各焦耳热束的功率形成目标三维分区温度场，在不向材料内添加任何发热元件和线缆的前提下，首次实现了CFRP构件温度场的精确控制。. 4. 建立了分区自阻电热固化原型系统，实现了飞机典型试验CFRP构件的自阻电热过程。. 本项目共发表学术论文10篇，其中SCI收录7篇，分别发表在AFM、CS、PC、JRPC、IJAMT等制造、材料领域顶级期刊。共申请国家发明专利10项，其中授权6项。开发了自主知识产权的复合材料自阻电热固化原型系统。受邀在英国举办的ICMR2021国际学术会议上作分会场报告。培养了博士生4名，其中已毕业2人；培养硕士研究生8人，其中已毕业5人。.