自動鋪帶工藝參數(shù)對復(fù)合材料性能的影響

徐小偉　李楠　楊紹昌

摘要：文章針對復(fù)合材料自動鋪帶技術(shù)中的鋪設(shè)壓力和加熱溫度兩種工藝參數(shù)，通過對固化成型后的復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、層間剪切試驗(yàn)及面孔隙率測試，研究了不同鋪帶壓力和溫度工藝參數(shù)對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。研究表明，不同鋪設(shè)壓力對復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)性能均有影響，而加熱溫度對面孔隙率含量的影響尤為明顯。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；自動鋪帶；工藝參數(shù)；力學(xué)性能；鋪設(shè)壓力；加熱溫度 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP391 文章編號：1009-2374（2016）01-0063-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.01.032

1 概述

降低加工成本、提高材料性能是當(dāng)今復(fù)合材料大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用亟待解決的問題和必然趨勢。近年來，國內(nèi)外在復(fù)合材料低成本制造技術(shù)的研究領(lǐng)域取得了一定的進(jìn)展，多種低成本制造技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。憑借可大幅提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性，降低制造成本，且易于精確控制工藝參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)，自動鋪帶技術(shù)成為目前發(fā)展最快、最有效的復(fù)合材料自動化制造技術(shù)之一。自動鋪帶技術(shù)最早在20世紀(jì)70年代由Boing公司等公司聯(lián)合開發(fā)，迄今為止已經(jīng)發(fā)展近40年。目前，世界上復(fù)合材料制造技術(shù)先進(jìn)的公司例如美國的Boing公司、AIRBUS公司、ECF公司等在飛機(jī)復(fù)合材料的構(gòu)件制造技術(shù)中都已廣泛采用了自動鋪帶技術(shù)，采用該技術(shù)制造出的復(fù)合材料的零部件也都已經(jīng)大量安裝在了生產(chǎn)的許多飛機(jī)上。高效率、高質(zhì)量和低成本是自動鋪帶技術(shù)的最突出的特點(diǎn)。自動鋪帶技術(shù)是一種結(jié)合溫度控制和質(zhì)量檢測功能，集成了預(yù)浸料剪裁、定位、鋪疊等多種工序于一體的數(shù)控加工技術(shù)。該技術(shù)的核心功能是通過鋪帶頭的規(guī)律運(yùn)動實(shí)現(xiàn)預(yù)浸帶的傳送、切割、加熱、輥壓等學(xué)一系列操作，達(dá)到復(fù)合材料自動鋪疊的目的。由于具備高效率、低成本等優(yōu)勢，目前自動鋪帶技術(shù)在國內(nèi)外航空航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的加工制造領(lǐng)域已取得了成功的應(yīng)用。與此同時，對自動鋪帶技術(shù)工藝參數(shù)的研究也成為當(dāng)前復(fù)合材料設(shè)計制造領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。

本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究探討了自動鋪帶技術(shù)中鋪設(shè)壓力和加熱溫度兩種工藝參數(shù)對復(fù)合材料性能的影響，旨在從工藝方法上為自動鋪帶技術(shù)在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件加工制造提供參考與指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同鋪設(shè)壓力和加熱溫度對復(fù)合材料產(chǎn)生顯著的影響。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

組成自動鋪帶機(jī)的主要系統(tǒng)部件包括臺架系統(tǒng)、鋪帶頭以及獨(dú)立工作單元。其中鋪帶頭是自動鋪帶機(jī)的核心部件，用于實(shí)現(xiàn)鋪層過程復(fù)材帶料傳送、切割與鋪放控制。圖1顯示了自動鋪帶機(jī)的大致工作流程。首先，復(fù)合材料預(yù)浸帶被安放于鋪帶頭中，并通過一組滾輪導(dǎo)出；然后，經(jīng)過加熱后的預(yù)浸帶在壓輥的作用下被鋪疊到工裝或上一層已鋪好的材料上；最后，為保證鋪放的材料與工裝外形保持一致，將預(yù)浸帶按照預(yù)先設(shè)定好的方向通過切割刀切斷。上述整個過程都由計算機(jī)自動控制，鋪放預(yù)浸帶的同時，背襯材料通過回料滾輪進(jìn)行回收。本文針對鋪設(shè)壓力和加熱溫度兩種工藝參數(shù)，通過對固化成型后的復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、層間剪切試驗(yàn)及面孔隙率測試，考察不同壓力和溫度工藝參數(shù)對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。本研究中的復(fù)合材料采用由CYTCE公司提供的CYCOM X850-35-12KIM+-190-ATL環(huán)氧預(yù)浸料（寬150mm）。本次實(shí)驗(yàn)中，所使用的自動鋪帶機(jī)的型號為TORRESLAYUP，生產(chǎn)廠家為M.Torres，該設(shè)備主要用于鋪貼復(fù)合材料。另外，該試驗(yàn)中用到的電子拉力試驗(yàn)機(jī)的型號分別為CMT5105和CMT7204，生產(chǎn)廠家為深圳新三思計量技術(shù)有限公司，其中CMT5105電子拉力試驗(yàn)機(jī)用于拉伸試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)；CMT7204電子拉力試驗(yàn)機(jī)用于層間剪切試驗(yàn)；該實(shí)驗(yàn)中所使用的顯微鏡型號為DMM-300C，由上海蔡康光學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)，顯微鏡用于面孔隙率測試。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

本實(shí)驗(yàn)所涉及的自動鋪帶工藝參數(shù)為鋪帶溫度與壓力。實(shí)驗(yàn)采用固定其中一種參數(shù)，通過改變另一種參數(shù)，考察其對制備的復(fù)合材料性能的影響，并分別進(jìn)行討論。當(dāng)加熱溫度一定時，實(shí)驗(yàn)選取四種不同的鋪設(shè)壓力（100%滿壓、80%滿壓、50%滿壓、30%滿壓，以下簡寫為100%、80%、50%、30%）進(jìn)行鋪貼，當(dāng)鋪設(shè)壓力一定時，實(shí)驗(yàn)選取五種不同的加熱溫度（0℃、35℃、45℃、60℃、80℃）進(jìn)行鋪貼。固化成型后加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣分別進(jìn)行拉伸、短梁剪切、面孔隙率、壓縮試驗(yàn)。每個試驗(yàn)重復(fù)5次，記錄結(jié)果并計算其平均值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 鋪設(shè)壓力的影響

3.1.1 鋪設(shè)壓力對拉伸性能的影響。圖1是拉伸強(qiáng)度隨鋪設(shè)壓力的變化曲線（圖中三角代表每組5個試驗(yàn)的單個值，方塊代表這5個值的平均值），從圖1上可以看出拉伸強(qiáng)度的變化沒有明顯規(guī)律。圖2是拉伸模量隨鋪設(shè)壓力的變化曲線，從圖2中可以看出，隨著鋪設(shè)壓力的增大，復(fù)合材料的模量逐漸減小。這可能是因?yàn)殡S著鋪設(shè)壓力的增大，局部變形過于劇烈而出現(xiàn)皺褶，皺褶對強(qiáng)度的影響不是很明顯，但會顯著降低復(fù)合材料的拉伸

模量。

圖1 拉伸強(qiáng)度隨鋪設(shè)壓力的變化圖

圖2 拉伸模量隨鋪設(shè)壓力的變化圖

3.1.2 鋪設(shè)壓力對短梁剪切強(qiáng)度的影響。根據(jù)該實(shí)驗(yàn)過程中短梁剪切強(qiáng)度隨鋪設(shè)壓力變化的曲線可以表明：隨著鋪設(shè)壓力的增大，短梁剪切強(qiáng)度明顯增加。隨著鋪設(shè)壓力的增大，可使得當(dāng)前鋪層與上一鋪層間的預(yù)浸帶更加緊密地結(jié)合，從而有效地減少了層間空隙。此外，擠壓預(yù)浸帶也有利于樹脂流動，提高層間粘合度，進(jìn)一步降低層間空隙，從而增加層合板的有效承載面積，提高層間剪切強(qiáng)度。

3.1.3 鋪設(shè)壓力對面孔隙率的影響。根據(jù)該實(shí)驗(yàn)過程中面孔隙率含量隨鋪設(shè)壓力變化的曲線圖表明：隨著鋪設(shè)壓力的減小，面孔隙率含量呈增大的趨勢。這是由于在鋪帶過程中空氣會被卷入鋪層間，當(dāng)鋪設(shè)壓力較低時，由于樹脂的壓力不足，導(dǎo)致裹入的空氣壓力大于樹脂的壓力，從而形成層間空隙。反之，當(dāng)鋪設(shè)壓力較高時，由于可以提供較大的壓實(shí)壓力，故而能夠有效抑制孔隙長大，甚至可以使復(fù)合材料內(nèi)的空氣溶解在環(huán)氧樹脂內(nèi)。

3.1.4 鋪設(shè)壓力對壓縮性能的影響。根據(jù)本次試驗(yàn)的壓縮強(qiáng)度和壓縮模量隨鋪設(shè)壓力變化的曲線表明：在30%～80%的壓力范圍內(nèi)壓縮強(qiáng)度和模量均隨著鋪設(shè)壓力的增大而增大，而在100%的壓力處略有下降。這可能是因?yàn)椋谝欢ǖ膲毫Ψ秶鷥?nèi)，隨著鋪設(shè)壓力的增大，鋪層與鋪層之間的空隙越來越小，結(jié)合更加緊密，從而增強(qiáng)了材料的壓縮性能。但當(dāng)壓力過大時，可能會由于局部變形過于劇烈而產(chǎn)生褶皺或其他缺陷，從而降低壓縮性能。

3.2 加熱溫度的影響

3.2.1 加熱溫度對拉伸性能的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在該實(shí)驗(yàn)過程中拉伸強(qiáng)度的平均值最大為855.25MPa，最小為798.72MPa，拉伸模量的平均值最大為61.55GPa，最小為57.75GPa，可見不同加熱溫度下的拉伸性能差異不大。所以，不同的加熱溫度對復(fù)合材料的拉伸性能影響不大。

3.2.2 加熱溫度對短梁剪切強(qiáng)度的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中短梁剪切強(qiáng)度隨加熱溫度變化的曲線圖，當(dāng)加熱溫度從0℃增加到80℃時短梁剪切強(qiáng)度變化很小。可以表明：不同加熱溫度下的短梁剪切強(qiáng)度的變化不大。所以，由此推斷不同的加熱溫度對材料的短梁剪切性能影響不大。

3.2.3 加熱溫度對面孔隙率的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中面孔隙率含量隨溫度變化的曲線，可以表明：隨著加熱溫度的增加，面孔隙率含量呈增大的趨勢。這可能是因?yàn)椋S著加熱溫度的升高，基體中的小分子揮發(fā)或是周圍空氣水分蒸發(fā)進(jìn)入基體形成孔隙。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也可以看出，雖然呈增大趨勢，但增大的幅度不大。

3.2.4 加熱溫度對壓縮性能的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中的壓縮強(qiáng)度和壓縮模量隨加熱溫度變化的曲線表明：加熱溫度對壓縮性能的影響及變化規(guī)律不明顯。

4 結(jié)語

根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和結(jié)果可以得出以下結(jié)論：（1）鋪設(shè)壓力對復(fù)合材料的各項(xiàng)性能均有一定的影響，隨著鋪設(shè)壓力的增大，拉伸性能降低，短梁剪切強(qiáng)度增大，面孔隙率含量減小，壓縮性能先增大后減小；（2）加熱溫度對面孔隙率含量有一定的影響，面孔隙率含量隨著加熱溫度的升高而增大，加熱溫度對復(fù)合材料其他性能的影響不大。

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作者簡介：徐小偉（1982-），男，陜西涇陽人，中航飛機(jī)西安飛機(jī)分公司復(fù)合材料廠工程師，研究方向：復(fù)合材料制造工藝。

（責(zé)任編輯：陳 潔）