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。     

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。     

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%。     

树脂基复合材料自动铺放技术进展

扼要介绍了树脂基复合材料自动铺放成型技术的原理、特点和国外技术及应用概况,详细介绍了国内复合材料自动铺放成形技术的研究进展,提出了国内自动铺放技术研究的关键问题及研究建议.     

复合材料纤维铺放自动编程技术研究

纤维铺放是近年来发展最快、最有效的复合材料构件成形技术之一。结合所研制的纤维铺放设备,研究复合材料纤维铺放自动编程技术。在已知芯模曲面和纤维铺放路径的基础上,运用机器人学原理建立了纤维铺放机构各杆件坐标系,设计了空间机构运动学逆问题的简化求解算法,针对纤维铺放路径上的每个控制点,得到纤维铺放机构各运动关节位置和姿态。根据传动机构的组成,计算出各驱动步进电机的转角,从而生成纤维铺放机运动控制指令代码。基于CATIA开发平台CAA,开发了复合材料纤维铺放仿真软件模块。     

热塑性FRP自动铺放成型缺陷的多尺度研究进展

纤维增强型复合材料(FRP)自动铺放成型缺陷形成过程涉及多个时空尺度,仅依靠宏观失效理论及实验分析等方法无法实现对FRP铺放成型缺陷机理的研究。为了解决以上问题,本文针对热塑性FRP,分析了其铺放制造过程中常见的缺陷类型及其形成的基本原因,并结合气泡成核、热力耦合、界面增强理论及原位固结技术的国内外研究成果,指出现阶段FRP铺放缺陷机理研究方法的不足,根据现有的多尺度分析法及材料设计的嵌套式关系,提出反串行嵌套式多尺度分析方法,并讨论了基体的流动性、结晶度、黏弹性及吸湿性等微观力学参数的分析和计算方法。最后,采用灰色关联及多目标优化法,提出FRP铺放成型工艺的多尺度协同设计方法。未来研究重点是在铺放样机应用化的基础上,分析工艺参数、成型缺陷与力学性能的关联特性,揭示缺陷形成机理并优化工艺参数。     

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。     

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。     

连续纤维增强热塑性树脂基复合材料自动铺放原位成型技术的航空发展现状

基于自动铺丝手段,连续纤维增强热塑性树脂基复合材料可实现原位成型效果,即铺贴同时完成零件制造。该技术可降低复合材料成本达到50%以上,由于其高效低耗的技术特点,该技术被认为在航空领域具有广泛的应用前景。文章调研了热塑性复合材料原位成型技术在国内外航空领域相关的研究和应用工作。结合典型的技术开发案例,重点分析了目前原位成型技术在应用材料、装备及工艺控制技术等方面的水平现状,并阐述了原位成型技术的最新发展趋势。      

碳纤维增强聚苯硫醚复合材料激光加热原位成型过程中的温度场

连续纤维增强热塑性复合材料（Thermoplastic Composite,TPC）自动铺放（Automated Fiber Placement,AFP）可以实现铺层原位成型,因此在制造大型结构件、降低加工成本及提升生产效率方面潜力巨大。原位成型过程中铺层温度场分布对复合材料构件成型质量具有较大影响,且激光加热过程中又涉及激光能量场与预浸料吸收光能后产生的温度场之间相互耦联,机理复杂,因此结合传热模型,通过有限元模拟仿真研究激光辅助加热自动铺放成型连续碳纤维增强聚苯硫醚（CF/PPS）复合材料过程中铺层经历的温度历程。同时构建铺层温度场测量系统,对铺层经历的温度历程进行实时采集和存储。研究结果表明,铺放过程中黏合区域前方存在激光辐照阴影区,使压辊下方黏合区域的温度急剧下降;随着铺放速度的增加,黏合区域峰值温度逐渐降低,且成型速度越快,铺层间黏合区域峰值温度差越小,而热电偶测量结果与仿真结果相差越大;随着激光输出功率的增大,铺层峰值温度逐渐升高;为提高原位成型效率,当激光输出功率选择最大6kW时,最大铺放速度为0.75 m/s。通过对比,试验结果中的峰值温度与仿真模拟结果变化趋势相近,证明了有限元仿真模型的正确性。      

复合材料自动铺丝工艺参数对应力波传播特征的作用机制

利用应力波特征能够有效识别材料结构中内部缺陷及其分布形式,为了将工艺载荷作为应力波激励源对预成型体内部缺陷进行识别,应首先研究铺丝过程中工艺参数对应力波传播特征的影响,以确定应力传感器的放置位置。本文采用有限元方法构建了铺丝过程热力耦合模型,分析了应力波特征参数与工艺参数之间的关系,并进行了实验验证。为了从微观能量角度解释工艺参数对应力波特征的影响规律,采用分子动力学方法,建立了预浸丝界面的分子模型,并计算出总能量、纤维表面能、基体内能等能量参数,识别和评价了不同工艺参数作用下的应力波驱动能量及其贡献比,以揭示工艺参数对应力波特征的能量作用机制。结果表明,以基体内能作为驱动能量的侧向应力波与工艺参数的关系明显,在不同工艺参数施载下,内部缺陷的形成对该波形的作用易于识别,该结论可作为应力传感器放置位置的参考依据。      

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。     

纳米改性连续纤维增强热塑性树脂复合材料及其力学性能研究进展

连续纤维增强热塑性树脂复合材料（CFRTP）具有易加工、可回收、力学性能优异等特点,在航空航天、汽车等领域的应用前景良好。随着纳米技术的发展,研究者发现利用纳米材料改性CFRTP可显著提升其性能。本文对纳米材料改性CFRTP领域的最新研究进展进行了综述,首先对CFRTP改性中常用的纳米材料（如碳纳米管、石墨烯以及无机纳米颗粒）和主要的改性方法（包括树脂基体中直接添加纳米填料和利用纳米材料对增强相纤维表面进行修饰）进行了介绍,在此基础上总结并讨论了纳米改性对CFRTP力学性能（包括界面结合性能、拉伸性能、动态力学性能以及冲击性能）的影响,最后对纳米材料改性CFRTP的发展方向进行了展望。      

连续纤维增强热塑性复合材料3D打印研究进展

连续纤维增强热塑性复合材料(Continuous Fiber Reinforced Thermoplastic Composites,CFRTPCs)具有强度高、寿命长、耐腐蚀和绿色可回收等优点,广泛应用于航空航天、交通运输和高精密加工装备等领域.传统复合材料制造工艺较为复杂、生产周期长且成本较高,先进的3D打印技术可...     

Cost effective manufacturing process of thermoplastic matrix composites for the traditional industry: the example of a carbon-fiber reinforced thermoplastic flywheel

Composite materials were successfully introduced and are now widely used for aerospace applications. Due to their high specific strength and stiffness, polymer-based composite materials should also be attractive candidates for many products of the traditional industries such as gas turbines, oil industry, or water and gas piping. The introduction of composite materials in the traditional industry is however a very slow process. Many factors can be identified as possible reasons such as the lack of previous examples on which to assess the durability of such composite products or reparability issues. However, the major factor hindering a broader use of composite materials for traditional products remains cost. Unlike the case of the aerospace industry, the use of composite materials is often not an enabling technology for traditional products: steel designs can be modified in order to increase the current product limitations. Therefore, the price of the composite system should be competitive when compared to the price of the equivalent system based on traditional materials such as steel or aluminum. In order to illustrate this concept, the case of steel risers for deepwater oil production is shortly discussed in the introduction of the present paper. When trying to reduce the price of composite products, the challenge often lies in lowering the manufacturing cost. The present paper focuses on applied manufacturing methods for various parts and products aiming to reduce cost. The associated performance of hot pressing and winding of short fiber and continuous fiber reinforced thermoplastic (AS4/PEEK) are compared for a high-speed flywheel type of application. Based on the mechanical performance and ease of fabrication, conclusions are drawn on a promising area of further investigation.     

New thermoplastic composite preforms based on split-film warp-knitting

A newly developed type of dry thermoplastic textile preform incorporating non-crimp glass fibre reinforcements and matrix material in the form of split-film is presented. Weft-inserted warp knitting has been chosen as a textile production technique for its low cost. A specialized glass fibre/polypropylene matrix system has been proven to perform favourably in melt impregnation and to provide good composite properties. Some of the processing techniques to be applied to the new textile preform are presented, one of which is the QUIKTEMP concept for fast heating and cooling of tools for thermoplastic moulding. Composite plates produced from preliminary split-warpknit structures reveal a good potential for cost-saving while reasonable mechanical properties can be maintained.     

Intra/inter-ply shear behaviors of continuous fiber reinforced thermoplastic composites in thermoforming processes

The thermoforming of continuous fiber reinforced thermoplastic (CFRTP) composite panels generally involves significant in-plane shear deformation. In the present work, the in-plane shear behavior of woven thermoplastic composites (Carbon/Polyphenylene Sulfide) over a range of processing temperatures is studied by bias-test experiments at different velocities. The experimental data of force versus displacement and force versus shear strain are presented for different extension velocities and temperatures. A thermo-visco-elastic model for numerical simulations of woven thermoplastic composite forming is proposed considering the influences of temperature and of strain rate. We applied a large displacement three-dimensional cohesive element with eight nodes which has been used for crack analysis in fracture mechanics by other authors, to investigate the inter-ply shear mechanism of woven thermoplastic composites. Applying three-dimensional cohesive elements, multi-plies forming simulations are performed to show inter-ply slip behaviors at different temperatures. The proposed models can be useful to predict from the properties of reinforcement and resin the intra/inter-ply shear behaviors of woven thermoplastic composites at high temperatures if experimental characterization of composite laminate behaviors is difficult to conduct.