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。     

自动铺放成型热塑性复合材料的非等温结晶动力学研究

利用差示扫描量热仪结合Avrami方程研究玻璃纤维增强聚丙烯复合材料自动铺放成型过程非等温结晶动力学,推导非等温结晶动力学模型,并通过构建冷压辊下方铺层的冷却模型,将结晶动力学模型和传热模型相结合,设定自动铺放成型过程中的冷却条件,探讨冷却速率及冷却时间对基体材料结晶行为的影响,求解出不同冷却速率下的最大铺放速率。研究结果表明:铺层树脂基体的结晶度随冷却速率的增大而依次减小;随着冷却速率的提高,树脂结晶起始温度和结晶完成温度均向低温方向移动,且树脂相对结晶度随温度变化规律接近反S形曲线;自动铺放成型实验件的压缩强度及层间剪切强度随着铺层结晶度的增大基本呈增大趋势,而冲击强度与铺层结晶度的变化趋势完全相反,随着结晶度的增大,材料韧性越差。     

自动铺放过程双马树脂预浸料温度与黏度

通过对自动铺放成型工艺的分析,探索了自动铺带成型过程中预浸料温度对复合材料黏性的影响规律。对影响预浸料温度的热风温度和铺放速度两个因素进行了研究,从理论上建立了热风加热温度和铺放速度与预浸料温度之间的关系,提出了控制预浸料温度的具体实施方案,指导自动铺带成型过程。根据双马树脂预浸料黏度和温度曲线,分别在不同的热风温度和铺放速度条件下进行实验,得到在热风温度为90℃、铺放速度为10~20m/min时,预浸料黏度满足铺覆性要求,验证了预浸料热风温度和铺放速度对复合材料制品质量的影响,为自动铺带工艺提供参考。     

铺放工艺参数对预浸料丝束曲线铺贴质量的影响

为研究铺放工艺参数对复合材料预浸料丝束曲线铺贴质量的影响规律及作用机制,首先自主设计并搭建了可模拟铺丝机曲线铺贴运动的试验平台,进行了变铺放工艺参数与变铺放半径的预浸料丝束曲线铺贴试验。通过测量计算有效贴合长度比、褶皱角度及曲率半径比,并结合变铺放工艺参数的单因素剥离试验对铺放质量进行了表征。结果表明:曲线铺贴质量与预浸料丝束黏结力及弯曲刚度密切相关;随铺放温度、压力和张力增大、铺放速率减小,丝束黏结力上升,曲线铺贴质量提高;铺放温度升高引起的丝束弯曲刚度下降可提升曲线铺贴准确性,但过高的铺放温度会导致丝束黏性下降,曲线铺贴缺陷显著;铺放张力会改变丝束的受力状态,进而影响曲线铺贴路径的准确性;此外,曲线铺贴半径越小,铺放质量对工艺参数的变化越敏感。      

热塑性纤维铺放构件的层间剪切强度及孔隙率

热塑性纤维(AS4/PEEK,熔点温度343℃)铺放采用的是原位固化工艺技术,铺放成型后热塑性纤维铺放构件层间性能直接影响构件的力学性能.本工作根据均匀试验法原理设计并进行铺放试验,得到构件的剪切强度和孔隙率,分析铺放工艺参数对铺放构件的层间剪切强度和孔隙率的影响规律,采用SEM对构件的断面层间进行观测,同时优化热塑性纤维铺放构件的剪切强度和孔隙率.结果表明:在铺放试件性能检测数据的基础上,随着加热温度和铺放压力的升高和增大,层间剪切强度也增大,而随着铺放速度的加快,层间剪切强度反之降低;孔隙率与铺放速度及加热温度呈正相关,随铺放压力的增大而降低.当铺放速度为6.00 mm/s、加热温度为699.35℃、铺放压力为539.94 N时,预测构件层间剪切强度最高为52.15 MPa;当铺放速度为6.00 mm/s、加热温度为630.04℃、铺放压力为530.00 N时,预测构件孔隙率最小为1.98％,最后试验测试得到的结果与预测结果基本一致.本工作的研究结果在我国制造业领域中热塑性纤维的应用方面具有一定的实用价值.     

预浸带热压接机制与机构设计

为满足复合材料自动铺缠成型过程中预浸带换料续接对效率及可靠性的要求,首先,根据流变学原理及Gutowski铺放贴合分析方法建立了热压接模型;然后,应用幂律模型建立了树脂流体在平行板挤压下的控制方程;最后,分析了静态续接状态和动态续接状态下续接强度与续接压力、树脂黏度、续接温度、续接时间(或续接速度)和续接长度的关系,并设计了静态和动态热压接机构。结果表明:随续接压力、续接温度、续接时间和续接长度的提升,预浸带的续接强度提高。所得结论可帮助设计满足快速、稳定及可靠等要求的续接机构,为预浸带快速热压接系统的开发奠定了理论与设计基础。      

自动铺丝过程中预浸料的侧向弯曲

根据自动铺丝过程中预浸料的受力特点,建立预浸料的侧向弯曲变形模型。利用最小势能原理、瑞利-利兹法以及相关的复合材料力学理论,推导出预浸料侧向屈曲半径公式。研究自动铺丝温度、压力、速度、黏附力等主要工艺参数对侧向弯曲性能的影响,并用自动铺丝机铺放不同半径的预浸料圆弧进行验证。结果表明:随着温度增大、压力和速度减小,预浸料的侧向弯曲性能提高;增加预浸料黏附力可显著提高其侧向弯曲性能,符合理论分析结果。     

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。     

碳纤维复合材料自动铺放关键技术的现状与发展趋势

碳纤维复合材料具有耐高温、耐摩擦、耐腐蚀等诸多优异性能,被广泛应用于航空航天、汽车制造等相关领域.鉴于碳纤维复合材料的广泛应用,制备碳纤维复合材料构件的自动铺放设备及技术也得到了快速发展.近年来,复合材料自动铺放技术也取得了非常显著的成绩.碳纤维复合材料自动铺放技术的研究是铺放设备、铺放轨迹、铺放工艺及铺放软件技术的综合性研究.其中,研究人员将铺放头与纤维纱架结合实现了碳纤维复合材料铺放设备的一体式结构,为完全自动化铺放奠定了基础.碳纤维复合材料的铺放轨迹起初采用相对简单的定角度铺放,但是近些年变角度铺放成为研究热点,采用变角度铺放可以提升铺放构件的力学性能.另外,工作人员针对复合材料的铺放温度、铺放速度和铺放压力等铺放工艺进行了研究,实现了铺放工艺参数的优化并提高了铺放构件的成型质量.此外,在复合材料自动铺放软件技术的研究中,研究人员以铺放工艺及构件形体要求为基础,开发了与铺放设备相匹配的CAD/CAM软件系统,实现了复合材料的自动化、智能化铺放.本文主要从自动铺放设备结构、纤维铺放轨迹规划与控制、铺放工艺参数优化和自动铺放软件系统几个方面对国内外自动铺放技术的研究进展进行了综述.基于自动铺放技术的发展现状,总结了国内自动铺放技术存在的问题,并对国内自动铺放技术的发展方向进行了探讨.     

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。     

考虑制造因素的变刚度层合板的抗屈曲铺层优化设计

与常规层合板相比,变刚度层合板的制造、有限元建模分析和铺层设计有其特殊之处。首先对设计时需考虑的制造因素进行了归纳,提出了变刚度层合板的铺层设计要求。然后给出了变刚度层合板的理想模型和考虑丝束宽度模型的建模方法。基于理想模型对ABAQUS的前处理模块进行二次开发,利用编制的参数化建模程序分析了不同铺放角的变刚度层合板的屈曲性能,并讨论了最小曲率半径对铺层的限制和变刚度设计提高屈曲载荷的机制。基于变刚度层合板的抗屈曲机制建立了一种铺层优化设计方法,使用遗传算法经两步优化得到最优铺层。对最优铺层建立考虑丝束宽度的模型以研究丝束宽度和铺层偏移对变刚度层合板抗屈曲铺层优化结果的影响。研究表明,在变刚度层合板的抗屈曲铺层优化中使用简化的理想模型通常来说是可行的。在考虑制造因素的情况下,优化后的变刚度层合板较常规层合板屈曲载荷有显著提高。     

VARI成型泡沫夹芯壁板结构界面性能

针对真空辅助成型工艺(VARI)制备的泡沫夹芯壁板面-芯界面粘接强度较低的问题, 提出铺放本体树脂胶膜和对芯材进行打孔两种解决方案。通过无损检测、三点弯曲力学性能测试、计算机模拟树脂充模流动以及微观界面结构观察, 探究两种方案的可行性及改善效果, 分析了胶膜的有无和厚度、打孔工艺参数对界面性能的影响。结果表明, 在不加入胶膜时界面强度最高, 胶膜厚度在0.5 mm时, 无损检测显示的界面缺陷最少, 胶膜厚度达到2 mm后界面质量下降; 合理设计芯材的打孔行、间距可以促进树脂充模流动, 形成质量好的连续界面, 同时还能提高结构刚度。     

Simulating tape resin infiltration during thermoset pultrusion process

The thermoset tape pultrusion is a widely adopted manufacturing process to produce long, constant cross-section composite structural parts. For high volume production, low cost can be achieved by maximizing the production rate which is a function of the material and process parameters, more specifically the rate of resin infiltration and resin cure. During resin infiltration, the resin saturates the dry reinforcement either under positive pressure in the pressure chamber, or, by the action of capillary and surface forces, within the resin bath. In either case, the saturation must be completed as the tape is squeezed into the final cross-sectional form at the entrance of the heated mold where the resin will be cured to form the composite part.This paper models the resin infiltration process during pultrusion, by modifying the pre-existing simulation tool for liquid molding processes. The formulated capability can be used not only to optimize the impregnation dynamics within the pressure chamber, but can also be used to predict the required forces for the selected pulling rate. The proposed model does allow one to handle a variety of tape cross-sections, not just rectangular prisms.     

Spiry-layup model of Rutelidae cuticle

In this study, the microstructures of Rutelidae cuticle, a natural biocomposite, were observed with scanning electronic microscope (SEM). It was found that the insect cuticle has a laminated microstructure consisting of chitin fiber and protein matrix. There are particular spiry layups in the cuticle. The maximal pull-out force of the spiry layup is analyzed and compared with that of conventional 0°-layup based on their representative models. The result shows that the pull-out force of the spiry layup is markedly larger than that of the conventional 0°-layup. The corresponding experiment on the maximal pull-out forces of both spiry layup and the 0°-layup is conducted, and it shows that the maximal pull-out force of the spiry layup is markedly larger than that of the 0°-layup, which verifies and demonstrates the validity of the presented model.     

Textile fiber-reinforced anionic polyamide-6 composites. Part II: Investigation on interfacial bond formation by short beam shear test

In order to manufacture thicker, larger and more integrated thermoplastic composite parts, a vacuum infusion process has been developed at the Delft University of Technology using a reactive resin called anionic polyamide-6 (APA-6). For these composites fiber-to-matrix bonding follows a similar mechanism as the formation of branch points in the neat APA-6 resin: de-blocking of the activator results in free isocyanate groups, which can form urea links with the aminosilanes on the glass surface. It will be shown that in general a higher mould temperature results in a stronger interface, but that at the same time a reduction in crystallinity weakens the matrix, which makes a compromise inevitable. In order to improve the interface strength at lower processing temperatures, the use of (i) activators that are capable of interfacial bonding at lower temperatures, and (ii) mixtures containing various activators is explored. It will be demonstrated that stronger bonding of the activators with the fibers does not automatically improve the mechanical properties of the composite.     

低中速钨球变形与速度关系计算模型

为研究钨球侵彻装甲钢板时钨球的变形和初速的关系,采用12.7 mm弹道枪加载的方式,进行了Φ5.86mm、Φ6.83 mm和Φ7.51 mm钨球冲击装甲钢板实验。根据实验过程,分析了弹-靶侵彻过程,依据低速碰撞时靶表面的压力分布、固体碰撞问题动力学和接触体间压力静力学方法建立了钨球的侵彻速度与最大变形关系式,与实验结果进行了比较验证。结果表明,实验数据和模型计算公式的误差在11%以内,证明了计算公式的正确性。     

Mechanical Properties of Stitched Multiaxial Fabric Reinforced Composites From Mannual Layup Process

This paper summarizes the consolidation behavior of E-glass stitched multiaxial non-crimp fabrics (NCFs) and the mechanical properties of the resulting composites from the manual layup process. NCFs offer many advantages over conventional woven and nonwoven fabrics in terms of processibility and properties. The reinforcement structures studied include six NCFs with different fiber orientation combination, number of sub-ply layers, and unit weight. The compressive and recovery behavior of the dry preforms is evaluated and related to their processibility in the hand lay-up process. Mechanical properties of specimens from the hand layup process are evaluated in tensile, compressive, and flexural tests. The test results and failure mechanisms are reported. The effect of consolidation quality on the mechanical properties is discussed.     

低温液体送入热管道后的升压过程

分析了低温液体输入热管道后升压过程，并对输送过程中的临界质量流进行了计算，结合有关文献的实验数据，给出输送过程中的压力计算公式。并提出了减少压力最大值的方法，对于低温液体输送参数的确定，管道的设计提供参考。