专业学位硕士研究生学位论文开题报告.docx
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专业学位硕士研究生学位论文开题报告
专业学位硕士研究生学位论文开题报告
论文题目：
碳纤维增强尼龙6复合材料湿热老化性能研究
姓名：
王绰
学号：
31603097
专业/领域：
车辆工程
培养类型：
☑全日制□在职学习
指导教师：
桑琳
实践导师：
黄有佩
入学日期：
2016年9月
报告日期：
报告地点：
研究生院制表
说明
学位论文开题考核是硕士研究生课程学习结束后开展学位论文工作的基本要求，是保证学位论文质量、工作进度和研究生培养质量的首要环节。
专业学位硕士研究生学位论文可以是产品研发、工程设计、专题应用研究、工程/项目管理、调研报告等形式，具体要求应参照全国相关专业/领域专业学位教育指导委员会制定的专业学位标准。
一、考核内容：
首先，考查硕士生对本专业/领域课程学习、校内实践（实验）情况，对专业知识、技能、标准规范等掌握程度；其次，考查学位论文工作准备情况，包括论文选题是否适合专业学位研究生培养、论文的目的意义及国内外发展状况、论文内容设置的合理性、方法的科学性、工作量与工作难度、预期成果的实用性和新颖性、文献阅读等；第三，还要考查学生校外企业实践情况及时间安排、研究生的学习和工作态度等；此外，还要考查该生实践环节的实践条件是否有保障、校内外实践安排是否合理等。
二、考核时间：
硕士生的开题报告应在第2学期末或第3学期初进行。
三、报告撰写：
开题报告正文字数不少于5000字；参考文献数量不少于20篇（其中外文文献不少于40%）；正文及参考文献等撰写要求参见《大连理工大学硕士学位论文格式规范》。
四、考核办法：
开题考核由学部（学院）集中组织5名以上本学科领域专家（至少一名专家来自企业，导师和企业导师除外）以答辩的方式进行。
学生进行口头陈述时间不得少于10分钟。
专家组给出考核成绩和是否通过的意见。
五、报告保存：
开题报告一式两份，签字后分别由学部（学院）和学生保存。
六、信息登录：
研究生开题后登录研究生信息管理系统上传开题报告（PDF文档）及考核结果。
开题报告正文
撰写大纲：
1）课程学习、技术标准学习及校内实践（实验）情况（附成绩单），参加科研和学术活动等情况；
2）论文选题背景、目的和意义；
3）国内外研究现状及发展动态分析；
4）主要研究内容、研究目标、拟解决的关键问题；
5）学位论文的研究方法、技术路线、试验手段、关键技术等论述；
6）年度研究计划、预期成果及现有研究工作基础；
7）校内外实习实践条件及时间安排；
8）论文工作过程中可能遇到的困难、问题及对策。
9）参考文献（不占字数）。
开题报告
1课程学习，校内实践，科研参加，学术活动情况：
2016年9月，我正式成为大连理工大学汽车工程学院的一名研究生。
在研究生一年级的学习中，在老师与师兄师姐们的帮助下，我的理论知识与实践技能都有了明显的进步，充分掌握了高分子复合材料的相关基础知识与实验方法。
在这一年中，通过对《中国特色社会主义理论和实践研究》的学习，进一步加深了对我国特色社会主义的认识；《有限元方法与应用》的学习，为以后对车身受力、结构分析打下了坚实的基础。
我的专业是车辆工程，研究方向是汽车轻量化—碳纤维增强尼龙6复合材料湿热老化性能研究。
在导师的指导下，选了与专业相关的课程，《现代汽车前沿技术》、《现代汽车设计方法》、《车身零部件现代成型/形技术》等课程让我了解到了现如今世界上最先进的汽车技术，大大拓宽了眼界，对汽车的设计、制造也有了深刻的认识。
另外学习了关于汽车造型的《车身三维CAD参数化设计》和汽车安全相关的《汽车安全辅助驾驶技术》、《智能车辆环境感知技术》，对于汽车的各个方面都有了一定的了解。
这一系列课程的学习，对接下来的科研方向有一定的引导作用，也打下了坚实的基础。
在课余时间里，我利用图书馆的资源，大量阅读学习了与自己研究方向相关的学术论文，对后续实验开展打下基础。
在实验室中，向师兄师姐学习高分子复合材料制备方法，掌握各个实验器材的操作。
能够自己使用双螺杆挤出机制备碳纤维增强复合材料，并通过注塑机注塑出标准样条，检测相应的湿热老化性能以及力学性能。
在第二学期中以第二作者的身份发表RSCAdvances论文一篇：
Thermo-oxidativeageingeffectonmechanicalpropertiesandmorphologyofshortfibrereinforcedpolyamidecomposites–comparisonofcarbonandglassfibres
以下是本人研究生阶段学习课程成绩，如图1
图1研究生成绩单
2论文选题背景、目的和意义
2.1纤维增强复合材料在汽车行业中的应用
随着我国经济的不断发展，人民生活的水平不断提高，我国汽车工业也得到飞跃[1]。
近年来，随着石油资源的日益枯竭以及人民对于绿色，安全，节能的需求越来越强烈，绿色，安全，轻量化的替代材料越来越成为今后车用材料的主要发展方向。
所谓汽车轻量化，就是要尽可能的减轻汽车的整备质量，但是要保持汽车强度和安全性能不会有明显的减弱。
有数据指出：
“汽车油耗的75%都与车重有关[2]”。
所以，汽车轻量化[3]是一条目前解决汽车行业所面临的问题的关键途径。
汽车轻量化有三种方法：
1、轻量化材料；2、轻量化设计；3、轻量化的生产技术。
轻量化材料是其中最为关键的方法。
复合材料作为新兴的材料，对汽车轻量化做出越来越大的贡献。
其中纤维增强复合材料[4]因其具有质量轻，耐疲劳，耐磨损，高模量，高强度等一系列优点，在轻量化材料领域独树一帜。
目前，大型车企将碳纤维增强复合材料大量应用在高级轿车，F1赛车上的关键部件上，如：
发动机部件，传动部件，底盘部件等等。
如法拉利F430配备的制动盘，马自达RX-8配备的传动轴以及奥迪R8Spyder车顶行李箱等。
奔驰SLR，迈凯伦高性能跑车则几乎全部由碳纤维增强复合材料制成，整车质量减轻了50%左右，最高时速能够达到334km/h；同时前端结构中加入了双碳纤维复合材料纵梁，提高缓冲吸能效果，大幅度提升了安全性能。
在国内，纤维增强复合材料也得到广泛应用，在汽车制品中也占有一席之地，如发动机罩盖、油门、离合器脚踏板、散热器框架、水室、仪表盘、燃油箱、汽车内饰等等。
2.2碳纤维
碳纤维[5]的制备形成了以黏胶基、聚丙烯腈基、沥青基为原料的三大合成路线，现如今碳纤维发展的主流是以聚丙烯腈为原料的合成路线。
碳纤维具有一系列优点：
密度小而质量轻，密度为1.5-2g/cm2，只相当于钢的1/4，铝的1/2，易于实现轻量化，强度高，模量大，耐高温，抗辐射，导电性能好，力学性能，电性能及化学性能都相当优异。
由于碳纤维的这些优点，碳纤维在很多高新科技领域及民用领域都获得广泛的应用。
碳纤维的应用绝大多数是以复合材料的形式实现的。
碳纤维应用在汽车工业中，对汽车轻量化会起到相当明显的效果，未来在电动车领域中也会有广泛的应用前景。
2.3尼龙6
聚酰胺[6]（俗称尼龙）是主链上有酰胺基（-CONH-）聚合物的总称，简称为PA（Polyamide）。
经过几十年的发展，现在已经应用于工业生产的诸多领域，成为五大工程塑料中产量最大，品种最多，应用最广的重要高分子材料。
尼龙6材料的熔点为215℃，玻璃化转变温度为50℃，密度在1.12-1.16g/cm2之间。
由于分子中存在极性酰胺基团，可以在分子间形成氢键，综合性能较好。
尼龙6具有耐油，耐溶剂，自熄性和良好加工性等一系列优点。
2.4碳纤维增强尼龙复合材料
尼龙本身是性能优异的工程塑料，但是也存在一系列明显的缺点，例如：
吸湿性大，制品尺寸稳定性差，强度硬度也与金属存在较大的差别。
为了对尼龙进行性能改善，添加各种纤维来提高尼龙基体的性能。
目前，碳纤维增强尼龙复合材料[7]的发展越来越快，因为尼龙和碳纤维都是目前应用最广，性能相当优异的工程材料，二者复合，充分体现了二者的优点，主要包括：
1）较高的强度、刚度和模量；2）耐疲劳；3）抗蠕变；4）耐摩擦、耐磨损；5）电化学性能优良；6）耐腐性优异。
正是由于这一系列优异的性能，碳纤维增强尼龙复合材料备受关注，得到了广泛的研究，近年来一直是工程塑料增强领域一个研究重点。
碳纤维增强尼龙复合材料具备了可以代替金属的优异性能，且韧性高、强度大，易于加工，所以其在汽车行业领域应用广泛[8]。
碳纤维增强后的尼龙材料正在逐步取代汽车上的金属铸件，如汽车前后盖、各种内饰件、油箱外壳、汽车进气歧管、汽车滤清器外壳等等，这在汽车轻量化的实施中起到了相当大的作用。
如今，随着我国汽车保有量的逐年增多，环境污染、能源短缺等问题日益加剧，我国对于汽车节能减排的要求也不断提高。
汽车轻量化的实施会降低能源消耗以及尾气排放量，而碳纤维尼龙复合材料的运用可以很好地降低汽车重量，具有非常好的发展前景。
因此，在此背景下，对于碳纤维增强尼龙复合材料的制备，湿热老化，寿命预测研究将会有深远的意义，能够对未来的汽车生产产生积极地影响。
3国内外研究现状及发展动态分析
尼龙老化[9,10]现象主要是加工及使用过程中的热、氧、光、水等因素引发的，对于该类型的老化目前有很多学者进行了研究。
目前国内外研究人员对碳纤维增强复合材料展开相关研究，对于碳纤维增强复合材料制备及湿热老化研究主要有以下内容：
吴玉霞[11]等人研究了碳纤维增强尼龙6复合材料的制备中的模压成形温度、时间、温度等工艺参数对复合材料结构性能的影响规律，优化成型工艺。
曲原[12]等人研究了环氧树脂片材及CFRP片材的湿热耐久性能，考察了两种材料在三种温度，不同尺寸和两种溶液环境中的水吸收过程和拉伸强度的变化，并利用Arrhenius公式对材料长期耐久性能进行了预测。
肖波[13]等人研究了单项连续玄武岩纤维布增强环氧树脂片材在蒸馏水和碱溶液环境中长期性能退化行为。
研究表明，BFRP复合材料浸泡于蒸馏水及碱溶液1.5年，吸水过程复合两阶段模型和Langmuir模型，最大吸水量随温度时间增加而不断上升，随着老化过程进行，发生树脂基体降解，纤维树脂界面脱粘，纤维刻蚀破坏等。
高丽花[14]等人研究了尼龙6基于Arrhenius模型预测单一温度老化因子条件下的使用寿命，进一步将Arrhenius模型与Eyring反应论模型相结合，引入温度因子，建立尼龙6湿热老化寿命预测模型。
WeidiHe[15]等人研究了通过填充海泡石粉末改善长玻纤增强尼龙6复合材料的抗湿热性能的可行性。
通过分析材料的水吸收过程，热稳定性，降解动力学以及表观活化能，发现8%的海泡石填充量可以显著提高材料的强度保留率。
DimoHristozov[16]等人研究了亚麻纤维，玻璃纤维增强树脂长期湿热老化后的性能比较。
发现亚麻纤维增强复合材料经过长期湿热老化后，拉伸强度保留率优于玻璃纤维。
Karbhari和Xian[17]等人研究发现树脂在湿热环境下，表现出Fick吸水定律和非Fick吸水定律，非Fick定律主要包括了Two-stage吸水模型和Langmuir吸水模型。
AbderrazakChilali[18]等人研究了亚麻纤维增强热塑性和热固性树脂复合材料的纤维取向对材料的三维水分扩散和尺寸稳定性的影响。
具体研究了材料高宽比，厚度与纤维平行度对于水分扩散的影响，优化了3D-Fick与Langmuir算法。
Espert[19]等人研究了三种温度下，四种短纤维增强复合材料水分扩散，验证Fick定律中有关动力学与力学性能的内容。
研究发现，水分扩散取决于温度，基本符合Arrhenius公式的预测。
XuJiang[20]等人研究了玻纤增强复合材料层合板湿热老化性能，通过3D-Fick公式拟合出相关材料扩散系数，并与仿真结果完美匹配。
J.C.Arnold[21]等人研究了确定复合材料定向的水分扩散系数的评估方法，采用一个或者两个方向上很薄的样条，确保在单一维度上的吸水扩散系数评估的准确性。
求解出相对准确的最优解扩散系数。
4主要研究内容、研究目标、拟解决的关键问题
4.1研究内容
聚酰胺的应用广泛，性能早已经被认可。
但是，尼龙本身存在吸湿性强，成型制品尺寸稳定性较差等缺点。
本论文拟通过碳纤维对尼龙6增强来改善尼龙的抗湿热性能，同时制备出性能比较优异的短切碳纤维增强尼龙6，与连续碳纤维增强尼龙6复合材料，拓宽尼龙6在汽车领域的应用范围，以替代目前金属材料，达到轻量化的目的。
本论文拟从以下三方面展开研究。
1、碳纤维增强尼龙6复合材料的成型制备。
分为两部分，第一：
短切碳纤维增强尼龙6复合材料制备。
采用硅烷偶联剂对纤维表面进行处理以达到使纤维表面粗糙，增强对尼龙的界面粘接能力，显著提高复合材料的性能。
第二：
连续碳纤维增强尼龙6复合材料制备。
采用薄膜层压的方法，直接采用碳纤维布作为增强材料，显著提高复合材料的性能以及抗湿热能力。
进行工艺探究，控制模压温度，压力，成型时间以获得性能最佳的复合材料，并通过金相显微镜观察层间结合好坏，通过热力学分析（TGA），对复合材料的热稳定性也做相应的研究。
2、尼龙的吸湿性强是限制尼龙使用的主要因素，因此，对尼龙的抗湿性能进行研究具有十分重要的意义。
并且，尼龙抗湿热的长期服役性能不易由实验测得，因此研究尼龙复合材料的湿热老化寿命预测具有十分积极的意义。
本论文拟研究短纤增强尼龙6复合材料的湿热老化性能，探究复合材料各个温度环境下的吸水性能，以及湿热老化后拉伸强度保留程度，并建立碳纤维增强尼龙6复合材料的寿命预测公式。
3、纤维取向，复合材料尺寸大小对于连续纤维增强尼龙6复合材料湿热老化性能具有很大影响。
本论文拟研究连续碳纤维增强尼龙6湿热老化性能，探究复合材料三维方向上的吸水扩散系数，并验证1D-Fick与3D-Fick定律对于复合材料湿热老化分析上的准确性，并分析计算各个方向扩散系数，进行模型仿真。
4.2研究目标
1、通过对碳纤维表面处理，提升短切碳纤维与尼龙基体的界面粘接强度，提升短纤增强尼龙6复合材料性能。
采用薄膜层压法，通过控制模压成型温度、压力、时间，优化成型工艺，提升连续纤维增强尼龙6复合材料性能。
2、探究短纤增强尼龙6复合材料在不同温度下的湿热老化吸湿性能。
并通过数值模型拟合吸水扩散系数，归纳短纤增强尼龙6复合材料湿热老化寿命预测模型。
3、探究连续纤维增强尼龙6复合材料在不同温度下的湿热老化吸湿性能。
通过1D-Fick与3D-Fick定律拟合出三维方向吸水扩散系数并比较拟合度，探究纤维取向及材料尺寸对于材料吸湿性能影响。
最终，利用扩散系数对材料的水分扩散进行CAE模拟仿真。
4.3拟解决的关键问题
1、通过实验，控制加工工艺参数，得到界面性能良好，力学性能优异的碳纤维增强尼龙6复合材料。
2、通过控制湿热老化环境与湿热测试时间点的选取，探究碳纤维增强尼龙6复合材料的湿热老化性能，进行公式拟合，归纳湿热老化寿命预测模型。
3、比较1D-Fick和3D-Fick定律求得的扩散系数，利用实验参数进行校正，并进行复合材料水分扩散的CAE模拟仿真。
5学位论文的研究方法、技术路线、试验手段、关键技术
5.1研究方法
1、查阅相关参考文献，配置一定比例的硅烷偶联剂溶液，对碳纤维表面进行改性处理。
2、通过挤出机，制备短纤维增强尼龙6复合材料。
通过热压机，控制模压温度，压力，时间制备连续纤维增强尼龙6复合材料，并通过金相显微镜观察层间结合程度。
3、控制湿热老化温度，溶液环境，对短纤维/连续纤维增强尼龙6复合材料进行湿热老化实验，合理选取时间节点进行称重测试和力学性能测试（拉伸强度测试），获得材料增重曲线和拉伸强度保留率。
4、拟合增重曲线，获得吸水扩散系数，拉伸强度保留率。
利用实验数值进行模型校正，归纳寿命预测模型。
获得三维扩散系数，进行材料水分扩散的CAE模型仿真。
5.2技术路线
图2技术路线图
5.3关键技术
1、合理调控挤出机主机和喂料机的转速配比，制备性能良好的短切碳纤维增强尼龙6复合材料。
2、合理调控热压机模压温度、时间，压力，制备性能良好的连续碳纤维增强尼龙6复合材料。
3、确定湿热老化温度梯度和取样时间节点，获得最佳的湿热老化增重曲线。
4、深入理解Fick定律，利用实验数据点进行数据拟合，获得最优的水分扩散系数
6年度科研计划
时间
课题内容
2016-2017年
2017-2018年
第一学期
第二学期
第一学期
第二学期
课程学习和文献阅读
√
√
碳纤维增强复合材料成型工艺摸索和材料制备
√
湿热老化性能研究
√
数据整理，毕业论文撰写
√
表1年度科研计划
7校内外实习实践条件
设备名称
设备型号
生产厂家
鼓风干燥机
DHG-9145A型
上海一恒科技有限公司
真空干燥箱
DZF-6050型
上海一恒科技有限公司
双螺杆挤出机
SHI20-X40型
南京杰恩特机电有限公司
注塑成型机
1211型
美国英斯特朗（Instron）集团
注塑成型机
SZ-35型
大连三棉塑料机械厂
冲击试验机
XJF-5.5型
河北承德金键检测仪器有限公司
电子万能试验机
UTM5105X
深圳三思纵横科技股份
扫描电子显微镜
S4800型
日本日立（Hitachi）集团
差示扫描量热仪
DSC1型
德国梅特勒-托利多（Mettler-Toledo）集团
偏光显微镜
DM4500P型
德国徕卡（Lecia）仪器有限公司
热重分析仪
TG-209
德国耐驰（Netzsch）科学仪器有限公司
电子天平
BS124S型
北京赛多利斯科学仪器有限公司
表2实验室设备
8论文工作过程中可能遇到的困难、问题及对策
1、难点：
短切碳纤维增强复合材料中树脂与纤维的共混融合程度以及纤维长度主要依靠双螺杆挤出机的主机转速和喂料机转速调控，因此需要通过挤出机的实际工况情况来调整转速与纤维进入量的匹配关系。
连续碳纤维增强复合材料制备中的模压温度、时间、压力的控制需要根据实际操作来进行调整。
解决方案：
多次试验摸索挤出机主机转速与纤维进量的关系，以及模压条件的控制。
2、难点：
湿热老化实验中扩散系数的拟合准确率难以控制，三维扩散系数的单目标优化问题具有较大难度。
解决方案：
采用C++和matlab编程求解，取最优结果。
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