红外辅助自动纤维铺放工艺对连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料结构与性能影响

与激光、热风加热相比，红外加热具有低成本、低污染等突出优势，是低熔点热塑性复合材料自动纤维铺放(Automated fiber placement,AFP)成形的理想热源。但是，红外辅助AFP工艺参数耦合性强，对成形精度、缺陷形成与宏观性能的影响尚不清晰，缺乏相关工艺的数据积累。本文针对红外辅助AFP原位成形工艺，通过调控铺放压力和速度制备了连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料单向层合板，研究了铺放温度与压力对减薄效应、翘曲变形、结晶度和孔隙率的影响，进一步探究了结构和缺陷对弯曲强度、层间剪切强度等宏观力学性能的影响规律。研究结果表明：温度过高会导致严重的减薄效应，过低则会导致高孔隙率；成形压力过高会造成严重的翘曲和纤维变形，降低层间剪切强度。通过对温度和压力的合理控制，可使孔隙率降至1%，满足民机复合材料构件2%阈值的要求；试样弯曲强度高达466 MPa，与热压成形相比仅降低6%。     

热塑性复合材料纤维铺放工艺的研究进展

热塑性复合材料由于其良好的可焊接性、可循环利用性、抗化学腐蚀性,特别是短时间内就可加工成型等特点,在未来航空航天构件制造领域有着广阔的应用前景。纤维铺放过程中涉及一系列的物理现象,涵盖传热学、热力学、结晶动力学,牛顿流体力学等学科及这些学科的交叉领域。本文以上述学科的相关知识为理论依据,对纤维铺放工艺中的加热工艺,冷却工艺,铺层间强度,纤维铺放压力和残余热应力五方面内容,通过分析其理论模型的建立和求解方法,介绍和讨论了纤维铺放过程中与最终产品质量相关的基体材料结晶度、铺层间紧密接触程度、铺层间熔合度等关键问题及其中涉及的铺放温度、铺放速率、铺放压力等主要工艺参数。同时,本文还总结了国外的研究成果和研究进展,指出其中存在的一些问题,并对今后纤维铺放工艺的研究方向进行了展望。     

热塑性复合材料自动铺放过程中红外加热技术研究

为保证热塑性预浸料树脂基体在自动铺放(automated fiber placement, AFP)过程中充分熔融,实现热塑性复合材料(thermoplastic composites,TPC)逐层"原位固结"成型,自动铺放成型过程中需精确控制预浸料的加热温度。针对自动铺放过程中铺放速率会在较大范围内变动的特点,本工作提出一种高速率响应的红外线辐射加热技术。通过对红外热源与铺层间能量传输过程的分析,提出红外加热过程中动态恒温控制方程,建立热源辐射强度与铺放速率之间的匹配关系。基于热塑性复合材料自动铺放实验平台,构建红外加热恒温控制系统,该系统采用前馈控制方式,根据动态恒温控制方程,制定相应控制策略,实现对预浸料加热过程中温度的精确控制。实验结果表明自动铺放过程中使用红外加热恒温控制系统满足变速工况下恒温加热要求,且铺放成型实验件的压缩强度及层间剪切强度均接近模压成型实验件。     

纤维铺放压紧力及预浸带加热温度对复合材料力学性能的影响

采用三因素四水平正交实验与单因素实验相结合, 通过力学性能测试及SEM和光学显微镜微观形貌观察研究了复合材料铺放过程中压紧力、 预浸带加热温度及芯模温度对复合材料力学性能的影响。实验结果表明: 压紧力与加热温度对层间剪切强度(ILSS)影响很大, 而芯模温度影响较小; 当压紧力为600 N、 预浸带加热温度为30℃、 芯模温度为18℃时, 复合材料综合力学性能达到最佳。微观形貌观察结果表明: 随着压紧力和预浸带加热温度升高, 纤维与树脂接触充分, 树脂与纤维分布均匀性较好, 层间富树脂区的厚度较小, ILSS逐渐增加; 但当预浸温度上升到40℃以后, 压紧力作用导致树脂与纤维的分布均匀性变差, 层间富树脂区的厚度较大, 从而导致ILSS下降。     

热塑性复合材料自动纤维铺放装备技术

基于热塑性复合材料(TPC)自动纤维铺放(AFP)原位固结技术,开展热塑性复合材料AFP装备技术研究,分析AFP平台的功能需求,提出平台总体规划方案,设计开发热塑性复合材料自动铺丝头,并提出预浸纱张力控制方案、精确送纱及温度闭环控制方案。在此基础上,设计AFP系统可行性验证实验,证明方案的可行性和平台的实用价值。结果表明:本实验平台针对热塑性复合材料铺放特点,优化张力与铺放速度匹配,实现预浸纱动态恒张力铺放,确保成型构件质量;实验平台调控铺放速度与送纱协调,实现精确定位,保障成型构件尺寸;建立了铺放速度与加热功率、热流分布关系,实现高精度温度场分布控制。虽AFP成型构件的力学性能比热模压成型构件的力学性能低约20%,但为热塑性复合材料AFP装备技术的广泛应用奠定了基础。     

模压工艺对玻璃纤维增强聚丙烯复合材料层合板力学性能的影响

利用热模压工艺制备玻璃纤维增强聚丙烯（GF/PP）复合材料层合板,通过差示扫描量热（DSC）法试验分析,确定相变参数,运用ANSYS有限元分析,将复合材料热力学参数与温度的非线性关系定义到材料特性中,研究模压成型过程中温度场变化情况,为模压成型工艺制度的确立提供理论指导和依据。以压缩强度、层间剪切强度和冲击韧性作为力学性能评价指标,采用响应曲面法探讨和分析制备工艺对GF/PP复合材料层合板力学性能的影响,得到最优模压工艺制备参数,获得最高复合材料层合板力学性能,为GF/PP复合材料自动铺放奠定铺放工艺基础。试验结果表明:模压加热工艺参数对复合材料层合板力学性能的影响度（从大到小）依次为:热压温度、热压时间、热压压力。较优的模压加热工艺参数为:热压温度228℃、热压时间6 min、热压压力1.1 MPa,在此工艺条件下制备的GF/PP复合材料层合板,层间剪切强度为31.12 MPa,压缩强度为100.96 MPa,冲击韧性为2.27 kJ/cm2。      

基于自动铺放技术的热塑性复合材料原位固化成型研究进展:热传导行为及层间性能

纤维增强复合材料具有轻质、高强、性能可设计等特性,在减重、抗疲劳、耐腐蚀、维修性等方面明显优于传统金属材料,在航空航天、交通运输、国防等领域的应用越来越广泛,其中热塑性复合材料具有高韧性、高冲击性、无限储存周期、可回收利用等众多优点。复合材料自动铺放技术成型效率高、自动化程度高,特别适用于大尺寸和复杂构件的制造。同时,热塑性复合材料原位固化技术不断发展和进步,生产效率显著提高,生产成本降低,构件质量得以提升。因此,基于自动铺放技术的热塑性复合材料原位固化成型将会是未来大飞机主承力部件的重要成型方法。然而,热塑性复合材料铺放成型过程经历高温制造,伴随着热力学耦合等相关问题。对于原位固化方法,热源的选择颇为关键,将直接影响铺放成型的效果和效率。在铺放成型过程中,热塑性聚合物分子链受热发生流动,宏观上则是热塑性树脂发生从固态到熔融态再到固态的物理变化。整个成型过程持续时间较短,但又涉及一系列的物理变化,是一个非常复杂的过程,目前已成为国际上高性能热塑性复合材料的研究热点之一。热塑性复合材料纤维铺放成型常用的热源主要包括热空气、激光、超声波、电子束等。其中针对热空气的研究较早,建立了铺层内的热传导理论模型,就铺层基层中温度场展开了许多工作并取得了相应的成果。对激光加热成型获得的铺放构件的诸多研究表明,激光作为热源相比于热空气可以大幅提升层间性能。此外,学者们还提出了不同的理论模型来预测最终的熔合强度,但测试结果显示铺放构件的力学性能不及热压罐固化的构件,进一步的理论和实践探索仍然很有必要。本文主要聚焦基于预浸料自动铺放技术的热塑性复合材料原位固化成型工艺,从工艺过程中的热传导行为、铺层的性能指标两方面介绍或探讨了铺放工艺过程、热传递模型、原位固化热源、铺层间紧密接触度、熔合度及熔合强度等的研究现状。     

自动铺带铺层贴合形成机制

探讨了自动铺带工艺过程中相邻铺层界面间的贴合形成机制,将铺层界面间贴合过程建模为树脂补片在平行板之间挤压流动从而浸润界面的过程。指出在树脂流体黏度一定的情况下,树脂对界面浸润效果越好,则界面贴合能力越强。利用流体力学理论推导出树脂流体对界面浸润效果的计算公式,并分析了铺放压力、铺放速度等因素对浸润效果以及贴合能力的影响,提出以剥离力作为量化铺层间贴合能力的指标。在自行研制的自动铺带工艺参数实验平台上进行了一系列实验,实验结果表明,铺层间贴合能力随铺放速度增大而变差,随铺放压力、模具温度、压辊半径增大而变强,这一规律验证了所提出的树脂流体对界面浸润效果计算公式的正确性。     

热塑性复合材料自动铺放过程中温度场研究

自动铺放成型技术可以实现热塑性复合材料逐层"原位固结",在加工制造大型零部件、提高生产率、降低制造成本方面具有巨大的潜力。由于温度历程对复合材料构件成型质量有较大影响,本工作通过ANSYS软件模拟热源随铺放头移动、铺放过程中预浸料不断被铺叠到底层预浸料上,获得复合材料铺层的温度场分布情况。同时构建基于WinCC flexible的温度场在线测量系统,对铺层温度进行在线采集和存储。实验结果表明,在铺放成型过程中,每一层预浸料的温度曲线出现多个峰值,且随着热气温度的升高,每层峰值温度逐渐增加,热气温度越高,铺层间峰值温度差越大,热电偶测量结果与仿真结果相差越小。通过对实验结果中的峰值温度与有限元模拟结果进行对比,证明了有限元仿真模型的正确性。研究结果表明,随着铺放速率的加快,每层峰值温度逐渐降低,为满足成型要求,当热风枪出口处热气温度最高为600℃时,最大铺放速率为1.2m/min。     

不同孔隙率CFRP层合板静态力学性能研究

为了研究孔隙率对织物碳纤维/环氧树脂复合材料层合板静态力学性能的影响规律,分别测量了孔隙率为0.33%至1.50%的CFRP层合板的弯曲强度和层间剪切强度,并进行有限元模拟.在适用于复合材料单向板的改进Hashin失效准则基础上,建立了适用于织物纤维增强复合材料静态力学强度的失效准则.通过引入复合材料基本强度参数预测不同孔隙率CFRP层合板的力学性能,结合刚度突然退化模型,采用ABAQUS软件建立了有限元模型.试验结果表明,随着孔隙率的增加,复合材料层合板的弯曲强度和层间剪切强度均呈下降趋势.有限元模型较为准确地预测了不同孔隙率织物碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的弯曲强度和层间剪切强度.