熱塑性復(fù)合材料纖維鋪放技術(shù)研究進(jìn)展

自動纖維鋪放技術(shù)是飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件自動化成型的關(guān)鍵制造技術(shù)之一，其又可細(xì)分為自動纖維絲鋪放技術(shù)和自動纖維帶鋪放技術(shù)。前者適用于平面型或低曲率的曲面型，或者說準(zhǔn)平面型復(fù)合材料構(gòu)件的鋪層制造；后者綜合了自動纖維纏繞與自動纖維帶鋪放兩者的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面型復(fù)合材料構(gòu)件的鋪層制造。表1中列出了纖維鋪放技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用情況[1]。



自動纖維鋪放技術(shù)加工原料通常為碳纖維單向增強(qiáng)樹脂基預(yù)浸絲或預(yù)浸帶。用于預(yù)浸絲或預(yù)浸帶的樹脂根據(jù)其熱行為不同，又分為熱固性樹脂和熱塑性樹脂。在自動纖維鋪放過程中，以碳纖維增強(qiáng)熱固性樹脂基預(yù)浸絲或預(yù)浸帶為加工對象，結(jié)合“熱壓罐”技術(shù)來生產(chǎn)飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件以廣泛應(yīng)用于飛機(jī)制造領(lǐng)域。而以碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基預(yù)浸絲或預(yù)浸帶為加工對象，結(jié)合“原位固化”技術(shù)來生產(chǎn)飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件是飛機(jī)制造業(yè)一個新的發(fā)展趨勢，據(jù)文獻(xiàn)報道，已應(yīng)用到空客A380和A350中[2]。除了熱塑性樹脂具有良好的焊接性、抗沖擊韌性、可循環(huán)性、抗化學(xué)腐蝕性以及近乎無限的保質(zhì)期等優(yōu)點(diǎn)外，“原位固化”技術(shù)與“熱壓罐”技術(shù)相比，還具有不受加工場地、零件大小和形狀的限制等優(yōu)點(diǎn)。

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但目前據(jù)文獻(xiàn)報道，“原位固化”成型技術(shù)加工的鋪層層間強(qiáng)度為高壓固化成型加工的鋪層強(qiáng)度的89%~97%[3]。如何消除近10% 的差距，將是熱塑性復(fù)合材料纖維鋪放技術(shù)成功應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中的最大障礙。因此，有必要對熱塑性復(fù)合材料纖維鋪放技術(shù)中涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究。

加熱工藝研究

在自動纖維鋪放過程中，為提高鋪放效率，通常設(shè)置預(yù)加熱及主加熱2個加熱環(huán)節(jié)。在這2個環(huán)節(jié)中，都會涉及到選擇熱源、建立加熱模型及確定加熱溫度三方面的問題。圖1所示為纖維鋪放工藝簡圖。



目前，應(yīng)用在自動纖維鋪放中的熱源主要有激光熱源、紅外線熱源和高溫氣體熱源3種。選擇熱源時，針對不同的加工原料及結(jié)合具體的應(yīng)用場合，需對所選熱源的加熱溫度（或加熱功率），可連續(xù)加熱時間，加熱溫度是否可控及熱源自身的價格、質(zhì)量、體積、熱利用率等方面進(jìn)行綜合考慮。首先，設(shè)置預(yù)加熱區(qū)，可顯著縮短主加熱所需時間，提高纖維鋪放速率，同時，可避免鋪層嚙合點(diǎn)處溫度梯度變化過大而引起過多的殘余應(yīng)力。預(yù)加熱時，為保持基體材料原有的物理化學(xué)性質(zhì)及最大限度提高鋪放速率，預(yù)加熱溫度通常應(yīng)略低于基體材料玻璃轉(zhuǎn)化溫度，因此，預(yù)加熱熱源的加熱溫度選擇應(yīng)略高于基體材料玻璃轉(zhuǎn)化溫度[4-5]。在主加熱區(qū)，基體材料的安全加熱溫度通常應(yīng)低于基體材料的退化溫度，為使基體材料充分熔融，主加熱區(qū)的溫度又應(yīng)高于基體材料的玻璃轉(zhuǎn)化溫度，同時，考慮鋪放效率，選擇主加熱區(qū)熱源的加熱溫度略高于基體材料退化溫度是較為合理的。其次，熱源使用場所空間的大小及安裝的難易程度，在熱源選擇過程中也需要充分的考慮。 本文來自123
目前，無論是工業(yè)上使用的預(yù)浸絲或預(yù)浸帶，其厚度都小于長度或?qū)挾鹊?/10，因此，國外研究人員在進(jìn)行纖維鋪放加熱模型建立時，通常根據(jù)熱力學(xué)第一定律，考慮熱量傳遞方向，建立一維或二維的熱傳遞模型[6-11]。同時，根據(jù)熱源的不同，鋪放設(shè)備及周圍的實(shí)際環(huán)境，確定相應(yīng)的熱傳遞方式，建立熱傳遞模型的邊界條件。鑒于熱傳遞模型及其邊界條件的復(fù)雜性，多數(shù)情況采用有限元的方式對模型進(jìn)行數(shù)值求解，來研究不同時刻、溫度在纖維束中不同位置的分布情況以及時間、溫度、位置三者之間的關(guān)系，然后與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析所建模型的合理性，同時對所建模型進(jìn)行合理修正。
自動纖維鋪放過程中，在加熱溫度、加熱熱源、加熱模型三者確立之后，可以通過計算加熱時間確定的鋪放速率理論值范圍，指導(dǎo)實(shí)際鋪放過程鋪放參數(shù)的設(shè)定。

冷卻工藝研究

用于自動纖維鋪放的碳纖維單向增強(qiáng)樹脂基預(yù)浸絲或預(yù)浸帶，其基體材料通常為半結(jié)晶聚合物。在這類聚合物兼有無定形聚合物和結(jié)晶聚合物的優(yōu)點(diǎn)，其使用溫度、抗蠕變性、硬度和強(qiáng)度主要受結(jié)晶度的影響，隨結(jié)晶度的增大而增大，但結(jié)晶度過高，又會使聚合物變脆[12-13]。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需嚴(yán)格控制半結(jié)晶聚合物成品的結(jié)晶度來保證產(chǎn)品質(zhì)量。在纖維鋪放過程，通常會設(shè)置特定的冷卻區(qū)對熔合后的鋪層進(jìn)行冷卻以完成其最終的結(jié)晶固化，而不是讓其在室溫條件下自然冷卻。
對于半結(jié)晶聚合物，結(jié)晶速率是材料結(jié)晶程度和結(jié)晶狀態(tài)的顯著影響因素，而冷卻速率及冷卻時間決定了結(jié)晶速率。因此，在纖維鋪放過程中，只要嚴(yán)格控制這個參數(shù)，就可保證最終的產(chǎn)品品質(zhì)。而合理的冷卻速率主要是通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的。首先，基體材料性能最優(yōu)時所對應(yīng)的結(jié)晶度值的范圍可從材料制造廠商處得到；其次，設(shè)定具體的冷卻條件（等溫冷卻或以一定的冷卻速率冷卻），通過試驗(yàn)確定在此條件下的基體材料的結(jié)晶速率，結(jié)晶速率的測定方法通常有膨脹計法、光學(xué)解偏振法、DSC 法、熱臺偏光顯微鏡法、小角激光光散射法等[14] ；最后，通過仿真軟件，可計算出在此冷卻速率下達(dá)到要求結(jié)晶度所需的時間，即在纖維鋪放過程中，鋪層需在特殊冷卻區(qū)所停留的時間。 123456
建立基體材料冷卻模型涉及傳熱學(xué)與結(jié)晶動力學(xué)2 個學(xué)科的知識。冷卻模型的建立是將結(jié)晶動力學(xué)模型與能量模型相耦合，通過設(shè)定溫度、材料的密度、黏度、熱傳導(dǎo)率、熱熔等物理參數(shù)，同時設(shè)定符合實(shí)際情況的邊界條件，利用現(xiàn)有的多物理場仿真軟件（如COMSOL）得到達(dá)到某一結(jié)晶度的條件下冷卻速率與冷卻時間之間的關(guān)系。冷卻模型建立的關(guān)鍵是結(jié)晶動力學(xué)模型的選擇，國外學(xué)者已經(jīng)對基于Avrami 方程的模型，基于Tobin 方程的模型及Ozawa模型進(jìn)行了較為深入的研究[15-16]。
在計算得到冷卻時間后，可以確定在這一區(qū)域合理鋪放速率理論值的范圍，但纖維鋪放過程中，鋪放速率只能是一個值，當(dāng)由加熱時間所計算的鋪放速率與由冷卻時間所計算的鋪放速率不能協(xié)調(diào)一致時，可以通過調(diào)整加熱區(qū)間的長度或特定冷卻區(qū)間的長度來達(dá)到二者速率的一致。

纖鋪層間強(qiáng)度研究 123456

利用自動纖維鋪放技術(shù)加工的復(fù)合材料構(gòu)件，其基體材料的性能指標(biāo)由加熱工藝參數(shù)和冷卻工藝參數(shù)共同決定；其整體性能指標(biāo)還與鋪層間強(qiáng)度有關(guān)，即與任意相鄰兩鋪層熔合后所能達(dá)到的鋪層間強(qiáng)度有關(guān)。鋪層間強(qiáng)度受到兩鋪層間緊密接觸程度、兩鋪層熔合時分子滲透距離及纖維鋪放壓力三方面因素的共同影響。
鋪層間緊密接觸度被定義為：在任意給定時間，兩鋪層接觸面積占鋪層面積總面積的百分比，與溫度、壓力、接觸時間有關(guān)[17]。由于表面粗糙度的原因，預(yù)浸絲或預(yù)浸帶表面與鋪層表面（或芯模表面）的微觀幾何形貌為不規(guī)則體，在未加熱和未施加壓力的條件下，預(yù)浸絲或預(yù)浸帶表面與鋪層表面（或芯模表面）不可能完全接觸。為理論計算方便，國外研究人員首先將不規(guī)則的微觀幾何體簡化成大小不同的矩形（指截面），然后再將上述矩形簡化成大小相同的矩形[18-20]。纖維鋪放過程中，在加熱到一定溫度時，當(dāng)壓輥對預(yù)浸絲或預(yù)浸帶施加一定的鋪放壓力后，預(yù)浸絲或預(yù)浸帶與鋪層表面（或芯模表面）的突起的矩形將發(fā)生變形，矩形高度將減小，寬度將增大，然后根據(jù)這一模型，建立計算鋪放壓力與鋪層間緊密接觸度之間的函數(shù)關(guān)系。將現(xiàn)行的粗糙度評價指標(biāo)融入上述計算模型中，可顯著提高實(shí)際應(yīng)用的方便程度。圖2為鋪層表面微觀幾何形貌及簡化模型示意圖。 123,123



鋪層間熔合是指相鄰兩鋪層表面，當(dāng)加熱到溫度高于自身基體熔化溫度時，并在一定的鋪放壓力作用下，會發(fā)生一鋪層表面的分子向另一鋪層擴(kuò)散的現(xiàn)象[17]。分子擴(kuò)散的距離決定了鋪層間強(qiáng)度，這與溫度、壓力與擴(kuò)散時間有關(guān)?；阪湹乃碚?，研究人員分別對等溫條件下與非等溫條件下，熱塑性聚合物的熔合模型進(jìn)行了研究，建立鋪層間強(qiáng)度與鋪放溫度、鋪放壓力之間的函數(shù)，找出熔合所需的最佳時間，為纖維鋪放過程提供壓輥壓實(shí)的時間參數(shù)[21-24]。
在溫度一定的條件下，鋪層間的緊密接觸度與鋪層間熔合由鋪放壓力和施壓時間來決定。研究人員對此建立了二維的可壓縮的牛頓流體模型，對壓輥及所接觸鋪層的壓力場分布進(jìn)行了較為深入的研究[7]。此外，鋪放壓力還影響基體材料的孔隙率，目前所見文獻(xiàn)，僅通過試驗(yàn)的對比進(jìn)行了定性研究，定量研究未見報道。

內(nèi)容來自123456

纖維鋪放軌跡規(guī)劃算法研究
鑒于自動纖維帶鋪放主要用于加工形狀簡單的平板類或類平板類復(fù)合材料構(gòu)件。這里所研究的纖維鋪放軌跡規(guī)劃算法主要針對自動纖維絲鋪放而言。由于自動纖維絲鋪放設(shè)備具有可靈活操作的鋪放頭及鋪放所采用的預(yù)浸纖維絲寬度窄等特點(diǎn)，可用于加工形狀復(fù)雜的自由曲面復(fù)合材料構(gòu)件。
目前，在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)用最為廣泛的是采用定角度纖維鋪放所制造的0°鋪層、45°鋪層和90°鋪層[25-29]。基于上述鋪層，針對不同形狀的復(fù)合材料構(gòu)件，國內(nèi)研究人員提出了不同的軌跡規(guī)劃算法。例如，針對自由曲面復(fù)合材料構(gòu)件，研究了基于等距線、等分點(diǎn)原理的2 種軌跡規(guī)劃算法；針對S 形進(jìn)氣道，在分析等鋪放角法和等距偏置法2 種軌跡規(guī)劃方法的基礎(chǔ)上, 提出基于纖維帶邊緣曲線的軌跡規(guī)劃方法及將等鋪放角法和等距偏置法2 種軌跡規(guī)劃方法相結(jié)合, 提出以曲線在曲面內(nèi)等距偏置為核心的鋪放軌跡優(yōu)化方法。
荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的研究人員提出了“變剛度”鋪層鋪放的概念，這類鋪層剛度的變化是由于鋪放角度的不斷變化所導(dǎo)致的，針對變角度纖維鋪放，他們研究了測地線方式、常曲率方式及角度線性變化方式的軌跡規(guī)劃算法[30-32]。自動鋪帶軌跡規(guī)劃中采用的測地線算法，也可歸為變角度纖維鋪放。
針對不同類型的自由曲面復(fù)合材料構(gòu)件，在纖維鋪放過程中，如何避免或減少除構(gòu)件邊緣外的剪切和重送，是軌跡規(guī)劃算法研究的一個主要出發(fā)點(diǎn)。因?yàn)閺?fù)合材料構(gòu)件鋪層內(nèi)部過多的剪切與重送，一方面會對復(fù)合材料構(gòu)件的外形精度和各項性能產(chǎn)生影響，另一方面會使纖維鋪放過程的復(fù)雜程度加劇，不利于生產(chǎn)效率的提高。由于軌跡規(guī)劃算法直接影響所形成鋪層的力學(xué)特性，滿足鋪層力學(xué)特性的需要，也是設(shè)計和研究軌跡規(guī)劃算法的一個主要出發(fā)點(diǎn)。
目前，我們提出了一種新的變角度軌跡規(guī)劃算法，可實(shí)現(xiàn)錐殼類零件、外殼類零件及變截面接頭類零件的加工制造，如圖3所示。變角度軌跡規(guī)劃算法在上述零件的具體實(shí)現(xiàn)中，其最大優(yōu)點(diǎn)是避免了除零件端面外的剪切與重送，可簡化纖維鋪放過程，提高加工效率。同時，改變初始鋪放角，還可以改變零件的固有頻率，對改善整體系統(tǒng)的共振，具有一定的作用。

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鋪層特性研究

鋪層特性研究主要針對復(fù)合材料構(gòu)件在不同的工況條件下，對其進(jìn)行靜力學(xué)分析或動態(tài)響應(yīng)分析，通過分析結(jié)果，對鋪層進(jìn)行優(yōu)化，以得到滿足設(shè)計要求的鋪層為最終目標(biāo)。
纖維的變角度鋪放是一種新型的軌跡規(guī)劃算法，此算法可增大復(fù)合材料構(gòu)件鋪層設(shè)計的靈活性，充分利用復(fù)合材料的方向特性來滿足設(shè)計要求。目前，國外研究人員主要針對這種變角度鋪層進(jìn)行深入研究。首先，針對變角度鋪放制造的平板、類平板或平板上帶孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了靜力學(xué)分析，研究了在拉伸載荷作用下，這類結(jié)構(gòu)的承載能力，結(jié)合分析結(jié)果，對鋪層角進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的鋪層，較傳統(tǒng)定角度鋪放制造的鋪層，各項性能指標(biāo)都有明顯的提高[33-35]。其次，針對變角度鋪放制造的圓柱殼和圓錐殼，重點(diǎn)研究了鋪放角對其固有頻率的影響[32]。通過改變纖維鋪放角，可改變殼體的固有頻率，在實(shí)際應(yīng)用中，對避免整體系統(tǒng)的共振具有積極的意義。 本文來自123
國內(nèi)對于變角度鋪層結(jié)構(gòu)的研究較少。從發(fā)表的文獻(xiàn)來看，國內(nèi)學(xué)者對于變角度鋪層結(jié)構(gòu)的研究基本處于起步階段。目前，國內(nèi)的研究重點(diǎn)仍集中在固定角度直線鋪層力學(xué)特性的分析上，通過改變纖維鋪放角的固定角度及改變不同角度值鋪層之間的層疊順序來提高鋪層的力學(xué)特性；并且這類研究主要針對平板或平板帶孔類結(jié)構(gòu)，對殼體類結(jié)構(gòu)的研究較少。
鋪層特性研究與鋪放軌跡規(guī)劃算法研究，二者是密不可分的，一方面，鋪層特性研究為鋪層軌跡規(guī)劃算法的合理性提供了理論支持；另一方面，軌跡規(guī)劃算法又為鋪層特性研究提供了多種的選擇性。

結(jié)束語

熱塑性復(fù)合材料纖維鋪放技術(shù)是未來復(fù)合材料構(gòu)件極端制造發(fā)展的一個重要方向。但就我國而言，制約其發(fā)展的主要因素主要有以下兩點(diǎn)：
（1） 碳纖維單向增強(qiáng)熱塑性樹脂基預(yù)浸絲或預(yù)浸帶的生產(chǎn)。目前，國內(nèi)僅見有生產(chǎn)碳纖維單向增強(qiáng)熱固性樹脂基（環(huán)氧樹脂基）預(yù)浸絲或預(yù)浸帶的企業(yè)，沒有生產(chǎn)碳纖維單向增強(qiáng)熱塑性樹脂基預(yù)浸絲或預(yù)浸帶的單位，這類預(yù)浸絲或預(yù)浸帶通過實(shí)驗(yàn)室制作，會存在生產(chǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定的問題，不利于鋪放工藝與鋪層特性研究。 內(nèi)容來自123456
（2）自動纖維鋪放設(shè)備。國內(nèi)自動纖維鋪放設(shè)備主要依靠進(jìn)口，并且大多為自動纖維帶鋪放設(shè)備。在自動纖維絲鋪放設(shè)備方面，哈爾濱工業(yè)大學(xué)已完成樣機(jī)研制。纖維絲鋪放設(shè)備制約了鋪放軌跡規(guī)劃算法及鋪層特性的研究。


單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 作者：富宏亞