自动铺放过程中预浸丝束宽度变化研究

碳纤维增强树脂基复合材料因其优异性能,在航空航天等领域得到广泛应用,其使用率已经成为装备先进性的重要指标。复合材料用量的大幅提升离不开自动铺丝技术的强力支撑。国内自动铺丝所采用的预浸丝束宽度尺寸有3.18mm、6.35mm和12.7mm三种规格,宽度和精度是预浸丝束重要的性能指标,它紧密影响预浸丝束的铺放效果,进而影响最终复合材料构件的性能。然而在实际铺放过程中,由于铺放工艺参数的不同,预浸丝束受到的应力亦不同,这样会导致丝束产生不同程度的横向变形。本文通过改变铺放过程中的工艺参数,探究不同铺放压力和铺放温度对预浸丝束宽度的影响,进而分析预浸丝束在铺放过程中宽度变化形成机理,研究对优化铺放工艺、提高构件质量具有指导意义。     

多因素作用下自动铺丝预浸料黏性变化规律

自动铺丝工艺是一种先进复合材料低成本、自动化成型制造工艺,其通常应用于制造飞机机身、S型进气道等大曲率复合材料构件。铺丝过程中,预浸料丝束黏性对铺丝产品最终质量有较大影响。一方面,丝束黏性不能过低,以保证预浸料之间顺利贴合。另一方面,丝束黏性也不能过高,以便于铺层失败时进行修改。目前,预浸料黏性评价方法以90°剥离试验与180°剥离试验为主,其主要针对自动铺带工艺中较宽的预浸带。前期初步试验表明,采用单丝束剥离试验法检测自动铺丝工艺中预浸料黏性时,数据会产生较大波动,无法满足相关检测要求。有鉴于此,本文首先建立自动铺丝预浸料黏性的检测准则,提出采用两丝束180°剥离试验检测预浸料黏性,然后基于该准则研究铺放压力、铺放速度、铺放温度、老化时间影响下丝束黏性的变化规律。     

工艺参数对平面曲线铺放过程丝束铺放效果的影响

分析了变曲率铺放过程中预浸丝束产生的缺陷及产生机制,并讨论了回转半径大小对于丝束缺陷剧烈程度产生的影响。利用最小回转半径反映丝束进行曲线铺放的效果;并且通过有效贴合长度比来表征丝束最小回转半径。利用该评价方法分别研究了各工艺参数对于铺放质量的影响,发现在本试验条件下随着铺放温度的增加丝束最小回转半径减小;随着铺放压力的增加,丝束最小回转半径先是减小,达到最小值后保持不变,继续增加铺放压力使得丝束最小回转半径增大;随着铺放速率的增加丝束最小回转半径增大。     

工艺参数对CCF/PEEK预浸料单束铺放尺寸的影响

热塑性预浸料铺放过程中单丝束尺寸对整体构件铺放质量有重要影响,为提高连续碳纤维增强聚醚醚酮(CCF/PEEK)复合丝材铺放成型质量,研究了工艺参数对其在铺放过程中的单束宽度和厚度的影响规律,并根据实验结果建立拟合模型。首先设计正交实验,研究了铺放速度、铺放压力、加热温度等铺放工艺参数对CCF/PEEK预浸料宽度和厚度变化的影响规律,并由上述研究所得的影响宽度和厚度的最显著工艺参数,分别开展单因素实验研究。正交研究结果表明,各工艺参数对丝束宽度的影响显著程度依次为加热温度>铺放速度>铺放压力,对丝束厚度的影响显著程度依次为铺放压力>加热温度>铺放速度。单因素实验结果表明,在丝束不发生失效的工艺参数范围内,丝束宽度随加热温度的升高而增大,随铺放速度的提高而减小,随铺放压力的增大而增大。丝束厚度随铺放压力的增大而减小。采用多元线性回归方法对各工艺参数综合影响丝束宽度进行拟合,验证计算结果表明,建立的模型拟合效果较好。     

关于若干工艺参数对铺带质量影响的研究

为分析自动铺带成型过程中铺放压力、铺放温度及铺放速度各工艺参数对铺放质量的影响,进而预测铺带过程中预浸带的形变,对带变形和带间隙进行微调控制以保证产品质量,本文在南航自行研制的自动铺带机上进行了一系列实验,并以预浸带黏性流动公式分析探讨了各因素的影响。研究结果表明,随着铺放温度的升高、铺放压力的增加和铺放速度的减小,预浸带变形量增加,带间隙减小,符合以预浸带黏性流动公式为基础的理论分析。     

预浸料的铺放适宜性评价(一)——粘性篇

在自动铺带成型过程中,粘性和铺覆性是用于描述预浸料是否适合铺贴的两个重要因素,将粘性和铺覆性分别独立地研究能更好地理解预浸料的铺放适宜性。本文主要是针对预浸料的粘性进行探索,论述了预浸料粘性的物理意义,总结了当前国内外预浸料粘性的测量及表征方法,提出了以"平均剥离力"定量表征预浸料的粘性,并在自主搭建的试验平台上,研究了自动铺带成型过程中的主要工艺参数(取出时间、铺放压力、铺放速率、热风温度等)对预浸料粘性的影响。实验结果表明,在一定范围内,预浸料的粘性随取出时间先增大后减小,而随铺放压力的增加、铺放速率的减小、热风温度的升高而增大,为自动铺带工艺参数的控制提供了参考。     

浅谈碳纤维预浸料中铺放纤维非织造网布的适用性

选取了两种纤维非织造网布,分别在进口单向碳纤维预浸料和国产单向碳纤维预浸料层与层之间进行铺放,采用预浸料成型工艺制备不同性能的层合板,并通过测试层合板试样的力学性能和孔隙率,表明纤维非织造网布在碳纤维预浸料成型技术中的适用性。对比测试数据结果发现:纤维非织造网布经向纤维纤度、纬向纤维纤度、面密度选材合适时,在碳纤维预浸料层合板中表现出了优异的适用性;纤维非织造网布经向纤维纤度及纬向纤维纤度较小、面密度选择较大时,在碳纤维预浸料层合板中虽然也表现出良好的工艺适用性,但是碳纤维预浸料层合板的力学性能会降低,孔隙率会偏大。     

德国公司开发碳纤维预浸料补丁铺放系统实现3D净预成型

正德国Cevotec公司成功开发了适用于热固性预浸料的SAMBA系列补丁铺放系统。该公司称,其开发的应用于三维几何外形碳纤维复合材料部件的自动铺放技术,能够满足大规模、小批量或原型件的生产需求。像已有的SAMBA系列生产系统一样,SAMBA预浸料生产单元包含激光切割、精确相机控制纤维铺放和快速简便的工装切换系统。其他特点包括冷却材料     

连续碳纤维增强PET复合材料板材的性能

为了探究连续碳纤维（CCF）增强聚对苯二甲酸乙二酯（PET）预浸带的铺放方式对PET/CCF复合材料板材性能的影响,采用自行设计、组装的熔融浸渍装置,通过熔融浸渍和拉挤成型工艺制备CCF增强PET预浸带。对制备的预浸带进行裁剪并按照0°,0°/90°和0°/90°编织三种不同铺放方式,通过热压制得复合材料板材。测试了复合材料板材的弯曲强度、缺口冲击强度、热导率以及电导率,研究了不同铺放方式对板材的力学性能及导热、导电性能的影响。结果表明,0°方向铺放的PET/CCF复合材料板材综合性能最佳,其弯曲强度可达1 080.09 MPa,缺口冲击强度达到242.99 kJ/m²,热导率为1.46 W/（m·K）,较纯PET热导率提高了630%,平行于纤维方向的电导率为0.44×10^-3 S/cm,但其垂直于纤维方向的电导率为0.15×10^-3 S/cm,低于0°/90°和0°/90°编织两种铺放方式,这是因为相较于0°铺放方式,后两者在90°方向上也有纤维可形成导电路径,有利于电子传输。     

预浸料的铺放适宜性评价(二)——铺覆性篇

在自动铺带成型过程中,粘性和铺覆性是用于描述预浸料是否适合铺贴的两个重要因素,将粘性和铺覆性分别独立地研究能更好地理解预浸料的铺放适宜性。本文主要针对预浸料的铺覆性进行了探索,论述了铺覆性的含义并总结了现有的预浸料铺覆性的定量表征方法,提出了以"最大弯曲力"定量表征预浸料的铺覆性,并通过三点弯曲试验研究了预浸料的粘弹性特征及自动铺带成型过程中的主要工艺参数(铺放速率、湿度、热风温度、老化时间等)对预浸料铺覆性的影响。实验结果表明,预浸料的铺覆性会随热风温度和湿度的升高而提高,随着老化时间和铺放速率的增加而减小。最后总结了铺覆性实验的工程意义,为自动铺带工艺参数的控制提供了参考。     

基于OpenGL的圆筒段自动铺带仿真研究

根据自动铺带机工作原理,分析自动铺带机仿真模型的构建、预浸带的绘制、开口圆筒芯模上轨迹规划算法及铺放过程的动态显示等。在MFC环境下,编制基于OpenGL技术的自动铺带仿真软件,实现对筒形体构件铺放过程的三维动态加工模拟,结果对研究铺放路径及实际的铺带工艺等具有重要参考价值。     

连续碳纤维增强聚醚醚酮板材的研究

采用自行设计、组装的连续纤维增强热塑性树脂基复合材料粉末浸渍试验装置制备了连续碳纤维(CF)增强聚醚醚酮(PEEK)预浸带,再将浸渍带通过热压模塑成型制备出层合板材。通过万能材料试验机、悬臂梁冲击试验机研究了纤维含量和浸渍带铺放方式对板材力学性能的影响。结果表明,在一定范围内CF/PEEK板材弯曲、冲击强度随着纤维含量的增大而提高,拉伸强度达1 124. 89 MPa,约是PEEK纯料的11倍,浸渍带以0°铺放压制的纤维含量为60%的板材力学性能相对最优。扫描电子显微镜(SEM)结果表明,纤维被树脂基体紧密包覆,纤维分散均匀、排列紧密、界面黏结性较好。     

自动铺放温度场模拟及黏合点温度影响因素研究

通过建立热塑性玻纤增强聚丙烯预浸带铺放过程的二维温度场模型,考虑了热气温度、铺放速度以及有效加热长度协同作用对预浸带铺放黏合点的影响,并提出了热气温度、铺放速度以及有效加热长度相对黏合点温度的回归方程。其中,重点研究了有效加热长度对铺带黏合点温度的影响。结果表明,随着有效加热长度的增加,铺带黏合点温度增加,且变化趋势逐渐趋于平缓。不同的铺放速度下,有效加热长度对铺带黏合点温度的影响不同。铺放速度越快,有效加热长度对铺带黏合点温度的影响越大。当有效加热长度增加到一定值之后,黏合点温度不再受有效加热长度的影响。     

高性能Kevlar／J—2热塑性复合材料

我们开发了一种先进的热塑性复合材料:Kevlar/J～2热塑性复合材料,其基体是一种非晶态聚酰胺共聚物。此技术采用专有技术进行预浸,预浸带可编织成各种不同结构的织物,制成无孔的结构材料,或进一步热成型。除一般热塑性复合材料的工艺特性外,这种织物有很好的铺放性,可在290～305℃、1.4～1.7MPa压力下模压成型或用热压釜工艺成型。由于纤维——基体固有的良好相容性,制品的机械性能很好。该材料的单向带和预浸物的机械性能表明:力学性能的转换性好,纤维体积含量60％时,轴向横量为76GPa,抗拉强度高达1400MPa;横向抗拉强度21MPa。从破坏的断面上看,纤维和基体的粘接非常好。另外,我们对该材料在热/湿环境下的受压、抗剪切,断裂韧性及弯曲性能和抗溶剂性能进行了分析。     

值得关注的预浸料市场

预浸料是用控制量的树脂(热固性或热塑性)浸渍纤维或织物后形成的中间材料。浸渍技术有溶剂浸渍、热熔体浸渍、粉末浸渍等。预浸料可以"B阶"状态或部分固化后储存。预浸带或预浸布用于手糊、自动铺带、自动铺纤或某些缠绕成型工艺中。单向预浸带(所有纤维平行)是最常见的预浸料形式,它们提供单向增强。机织布及其他平面织物预浸料提供二维增强,它们一般成卷销售。还有用纤维预成型体和编织物制成的预浸料,它们提供三维增强。     

预浸料技术的新进展

本文根据复合材料低成本制造技术，介绍了预浸料技术的新进展，包括可常温储存的预浸料；低温固化高温使用的预浸料；大丝束碳纤维预浸料和快速固化预浸料。     

预浸料技术的新进展

本文根据复合材料低成本制造技术，介绍了预浸料技术的新进展，包括可常温储存的预浸料；低温固化温使用的预浸料；大丝束碳纤维预浸料和快速固化预浸料。     

连续碳纤维/尼龙12预浸带制备及性能研究

采用湿法粉末浸渍工艺制备了连续碳纤维增强尼龙12单向预浸带,通过碳纤维表面处理的方法改善尼龙12树脂粉末在碳纤维丝束上的分布,并研究碳纤维表面处理、走丝速度和悬浮液中尼龙12树脂粉末含量对预浸带树脂含量的影响。结果表明:碳纤维经过亲水性表面活性剂表面处理,有利于尼龙12树脂粉末均匀附着在丝束的内部和表面;当悬浮液中尼龙12树脂粉末的质量分数为12%,碳纤维走丝速度为0.50 m/min时,预浸带尼龙12树脂质量分数可稳定控制在25%左右;预浸带断面浸润性良好,具有较高的力学性能,最大拉伸强度为1 935 MPa。     

复合材料LCM整体成型工艺发展及应用

复合材料LCM工艺经过多年的发展,形成了RTM、RIM、连续纤维增强热塑性预浸料真空袋压成型等多种多样的成型工艺方法。各种工艺方法由于特点不同,各自需要发展的技术内容各有不同,RTM工艺向着高速成型方向发展,RIM向着更大、更复杂的结构部件整体成型发展,快速充模流动和自动铺放是主要的技术方向,连续纤维增强热塑性预浸料真空袋压成型需要开发更多的品种以拓展应用领域。     

大梁带复合材料铺放系统设计及其仿真

大梁带芯模较长(9m),宽度较窄(50mm),因此将大梁带铺放设备设计为龙门式结构。主要包括X、Y轴直线运动机构和Z轴旋转运动机构。将预浸带铺放过程中所必需的放料装置、除膜装置、张力控制装置、施压装置、剪切装置集中设计在铺放头内部。在Pro/Engineer中建立了大梁带铺放机的三维立体模型,研究大梁带铺放机各机构的运动方式,利用Pro/En-gineer的运动仿真模块对大梁带铺放机的铺放过程进行了计算机仿真。