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。     

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。     

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。     

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。     

热塑性复合材料自动铺放成型工艺

利用自制的热塑性复合材料自动铺放设备制备了自动铺放成型制品,结合响应曲面法,进行了连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带的自动铺放成型工艺研究,分析了铺放成型过程中的3个主要工艺参数,加工温度、铺放压力、铺放速度及其交互作用对铺放制品性能的影响。建立了加工温度、铺放压力、铺放速度3个主要工艺参数对铺放制品性能影响的数学模型,分析了铺放制品性能随各个工艺参数的变化趋势,并进行了加工工艺参数的优化,得到最优参数组合。     

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。     

铺放成型工艺参数对复合材料板材弯曲强度和层间剪切强度的影响

为得出铺放成型过程中热风枪温度、铺放速度、压力辊压力、压力辊温度和底板温度五个工艺参数对复合材料板材弯曲强度和层间剪切强度(ILSS)的影响,用自制连续玻璃纤维增强聚苯硫醚预浸带进行铺放成型实验制备复合材料板材,分别用正交试验和单因素实验研究其规律。结果表明,压力辊压力对板材ILSS影响最大,底板温度对ILSS影响最小,铺放速度对弯曲强度影响最大,压力辊温度对弯曲强度影响最小。在合适的范围内,降低铺放速度,升高压力辊压力,选择适中的热风枪温度、底板温度和压力辊温度,有利于材料弯曲性能和ILSS的提升。在铺放小车速度为40 cm/min、压力辊压力为0.4 MPa、压力辊温度为240℃、热风枪温度为340℃和底板温度为240℃的条件下,GF/PPS复合材料板材的层间剪切强度和弯曲强度达到最优值,分别为79.94 MPa和1097.37 MPa。     

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。     

自动铺丝成型工艺参数优化

为提高自动铺丝成型技术的质量,分析了影响铺放质量的工艺参数主要有铺放温度、铺放压力以及铺放速率。综合考虑预浸丝与模具表面及其层间贴合情况,提出更为完善的铺放质量评价方法。利用该评价方法分别研究了以上工艺参数对于铺放质量的影响,发现随着铺放温度、压力的增加铺放质量先提升后降低;随着铺放速率的增加铺放质量呈下降趋势。最后利用响应曲面法得出,在本试验条件下的最优铺放工艺参数:铺放温度T为29.38℃、铺放压力F为11.65 N/mm、铺放速率v为84.34 mm/s。     

热塑性复合材料点阵铺放工艺对层间剪切强度的影响研究

为实现基于自动铺放原位成型工艺的热塑性复合材料点阵结构制备,本文将细观尺度热塑性复合材料层合板作为代表,以提高其力学性能为目标,基于试验对细观尺度自动铺放原位成型工艺开展研究,具体包括结合单因素法与响应曲面法设计试验方案,以层间剪切强度(ILSS)与微观形貌为表征方法,分析自动铺放原位成型工艺参数对层合板力学性能的影响规律并建立预测模型,结果表明,试验范围内铺放速度对ILSS的影响最大,铺放压力其次,铺放温度最小,且因素间存在交互作用,试件ILSS随铺放压力与温度的增加呈现先上升后下降的趋势,随铺放速度增加而下降,试验范围内最优工艺参数组合为铺放压力为14 N,铺放温度为408℃,铺放速度为60 mm·min~(-1)。     

PEEK/CCF复材增材制造多重分形谱表面形貌评定方法

随着航空事业的发展，增材制造(AM)被用于连续碳纤维增强聚醚醚酮(PEEK/CCF)复材的成型制造中，其中AM工艺参数对PEEK/CCF复材加工形貌有较大影响。基于此提出了一种基于多重分形谱表面形貌评定方法，通过PEEK/CCF复合材料在AM中的成型速度(v)、成型厚度(s)、成型角度(θ)与加工表面粗糙度和表面形貌之间的关系设计了单因素试验，研究了PEEK/CCF复合材料在AM中的v,s,θ与表面形貌之间的关系，结合成型材料表面多重分形谱的方式，评定AM中所选工艺参数对表面形貌的影响，得到了加工表面粗糙度和表面形貌随v,s,θ的变化特点。结果表明，v,s对材料表面形貌有明显影响，θ对表面形貌影响较小，通过试验验证了PEEK/CCF复合材料表面形貌有较好的分形特征，多重分形谱谱差ΔD(α)表征表面波峰波谷的占比，其值越大，材料表面形貌越复杂，分形谱的宽度Δα表征表面起伏程度，定性表征了形貌特征，最终工艺参数组合为v=20 mm/s,s=0.2 mm,θ=30°。     

纤维铺放技术

纤维铺放技术是在纤维缠绕和带铺放技术之后出现的一种新的先进复合材料成型技术。其工艺是在纤维铺放机上把纤维平行集束成纤维带后制成多个预浸丝束,并通过纤维铺放机铺放头上的压头,把预浸丝束铺压到芯模或模具表面上。     

复合材料平板变刚度轨迹规划及铺放工艺性

针对复合材料平板变刚度轨迹规划及其铺放工艺适应性,研究了一种"以直代曲"求解铺丝轨迹点的数值解法。通过分析预浸丝束变形的主要机制,选取变刚度轨迹的曲率半径作为铺放工艺适应性的评判标准。并根据该标准研究了变刚度轨迹曲率半径与平板90°方向尺寸、铺放角、铺放角区间长度的关系。研究发现:在平板90°方向尺寸、铺放角区间值一定的情况下,变刚度轨迹曲率半径随铺放角的增大而减小;在平板90°方向尺寸一定的情况下,变刚度轨迹曲率半径随铺放角区间长度的增大而减小;在平板变刚度轨迹铺放角区间长度一定的情况下,曲率半径随平板90°方向尺寸的增大而增大。     

连续GF增强PP层合板铺放成型工艺参数研究

以自制的连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带为原料,通过铺放成型工艺制备层合板材。采用正交试验,研究了铺放成型过程中4个主要工艺参数——压力辊压力、热风枪工作温度、压力辊内导热油温度、铺放平台底板温度对层合板材的层间剪切强度(ILSS)和空隙率的影响。结果表明,压力辊压力对层合板ILSS影响最大,对空隙率的影响次于热风枪工作温度;热风枪工作温度对空隙率影响最大,对ILSS的影响次于压力辊压力;其它两个工艺参数对ILSS和空隙率的影响均较小。在可操作的范围内,适当提高压力辊压力、热风枪工作温度和压力辊内导热油温度以及选择适中的铺放平台底板温度有利于降低板材的空隙率,提高板材的ILSS。在压力辊压力0.15 MPa、热风枪工作温度229℃、压力辊内导热油温度100℃、铺放平台底板温度95℃的最优工艺条件下,板材的ILSS达到21.54 MPa,空隙率为1.23%。     

红枣冻干升华工艺优化研究

采用电阻法测量了红枣的共晶点、共熔点温度,其值为-32℃和-28℃。进行了单因素和正交实验,分别研究了冻结速度、枣片厚度、真空压力、冷阱温度、加热方式及加热板温度对升华时间和能耗的影响,确定了升华工艺最优参数：冷阱温度-40～-45℃、冻结速度1.0℃/min、辐射、导热混合加热方式、加热板温度40℃、枣片厚度8mm、真空压力35Pa。     

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。     

梅州金柚柚子皮的真空冷冻干燥工艺研究

目的以梅州金柚柚子皮为原料,研究柚皮真空冷冻干燥工艺技术,确定最佳工艺参数和加工工艺,为柚皮综合利用提供参考依据。方法通过单因素实验和正交实验设计,以冻干速率作为考察指标,研究了压力(真空度)、加热温度、物料厚度对真空冷冻干燥速率的影响。结果实验表明,对冻干柚皮干燥速率的影响主次顺序为加热温度、压力(真空度)、物料厚度,最佳工艺条件分别为:加热温度50℃、压力(真空度)40 Pa、物料厚度5 mm,在此干燥工艺条件下,产品在色泽等方面保持较好。结论该正交试验筛选出的工艺稳定可行。     

连续碳纤维增强聚乳酸复合材料的研究

采用自行设计组装的熔融浸渍流水线,以聚乳酸(PLA)为基体,连续碳纤维(CF)为增强体,制备连续碳纤维增强聚乳酸(CCF/PLA)预浸带。研究了加工温度、张紧力、牵引速度以及纤维含量对预浸带拉伸强度的影响。结果表明:在实验范围内,加工温度为220℃、张紧力为11 N、牵引速度为4 r/min时,预浸带拉伸强度最高,且拉伸强度随加工温度及纤维含量升高而增大。     

CCF/PEEK复合材料制备及应用研究进展

详细介绍了连续碳纤维增强聚醚醚酮(CCF/PEEK)复合材料主要制备技术的研究进展,包括CCF/PEEK预浸料制备、纤维表面处理以及CCF/PEEK成型技术,明确各工艺的技术研发重点;并介绍了 CCF/PEEK复合材料在航空航天、医疗器械以及能源、汽车等工业领域的应用研究进展.最后展望了CCF/PEEK复合材料的未来研...     

PEEK/CGF复合材料增材制造综合力学性能优化

为提升连续玻璃纤维(CGF)增强聚醚醚酮(PEEK)复合材料增材制造样件综合力学性能,优化增材制造基础工艺参数,基于正交试验与单因素试验设计,通过力学性能测试,探究了喷头温度、平台温度、打印速度、层厚等工艺参数对综合样件力学性能的影响,获得PEEK/CGF增材制造成型工艺优化参数,进一步探究了重点工艺参数对PEEK/CGF样件力学性能的影响规律。结果表明,层厚与喷头温度对样件的综合力学性能具有显著影响,最优工艺参数组合为喷头温度440℃,平台温度160℃,打印速度2 mm/s,层厚0.35 mm。随喷头温度的增加,样件的综合力学性能先增大后减小,在440℃达到最大值;随层厚的减小,样件的力学性能逐渐增大,层厚为0.35 mm时样件的力学性能达到最大值。经试验验证,在最优工艺参数组合下样件综合力学性能达到最优,样件弯曲强度为351.59 MPa,层间剪切强度为34.96 MPa,拉伸强度为383.75 MPa。