自動鋪絲加熱均勻性及其對復合材料性能的影響*

鄧琳蔚，普遠矚，張少秋，楊 恒，韓妙玲

（1.北京衛星制造廠有限公司，北京 100094；2.陜西普立通復材科技有限公司，渭南 714000）

高性能復合材料已經逐漸成為航空航天的主要制造材料之一，其使用率已成為航空航天飛行器先進性的重要指標[1–4]。自動鋪絲技術是目前最先進的復合材料制造技術之一[5]，在自動鋪絲過程中，為了適應不同樹脂體系的預浸絲束鋪放工藝，防止預浸絲束與紗架和鋪絲頭中與所接觸的零部件產生粘連，必須使預浸絲束在一個溫度較低的環境中輸送，從而減小樹脂基體的黏性力，確保預浸絲束的順利鋪放。而當預浸絲束在自動鋪放時，由于鋪放速度較快，為了確保預浸絲束鋪層之間的良好粘接，必須提高溫度，以增加預浸絲束中樹脂基體的黏性力，使預浸絲束鋪層能夠快速粘接，以減少橋架和預浸絲束翹邊、褶皺，甚至脫層等鋪放工藝缺陷，但是，較高的溫度也會使得預浸絲束的變形過大，導致鋪層中容易出現氣泡、褶皺等缺陷[6–7]。因此，鋪放溫度是影響自動鋪絲工藝的關鍵的參數之一[8]。

研究人員對自動鋪放加熱系統進行了廣泛的研究，文瓊華等[9]研究了溫度對自動鋪帶預浸料鋪放效果的影響。黃志軍[10]等研究了預浸料溫度對黏度的影響規律，上述研究均表明溫度對預浸料黏附性有重要影響，是影響自動鋪帶工藝成型質量的關鍵因素。文立偉等[11]、孫天峰[12]搭建了基于紅外加熱的軟硬件系統，實現了對鋪層加熱溫度的有效控制。徐強等[13]建立了自動鋪放紅外熱源方程并進行了試驗驗證。Lichtinger等[14]研究了紅外加熱系統對自動鋪絲過程中鋪層加熱區域的影響，研究結果表明鋪層路徑和順序對加熱溫度分布有重要影響。Hormann[15]、Hassan[16]和Chinesta等[17]通過有限元方法對鋪放工藝中的加熱過程進行分析和預測。Khan等[18]通過參數化的方法對鋪放過程進行研究，表明溫度是影響鋪放加工過程的關鍵因素。Crossley等[19]研究了溫度和鋪放速度對預浸料黏度的影響，研究結果表明通過控制鋪放溫度和速度能夠提高鋪放工藝的工藝質量和可靠性。

為了進一步研究復合材料自動鋪絲工藝中加熱過程對復合材料性能的影響規律，論文中建立了自動鋪絲過程中的紅外加熱系統傳熱模型，基于紅外傳熱模型對自動鋪絲工藝溫度控制方法和鋪層中溫度分布均勻性進行了分析，并通過試驗研究了加熱溫度均勻性對復合材料性能的影響。

1 預浸絲束鋪放過程傳熱分析

樹脂黏度和樹脂的黏性力有直接的關系[7]。通過控制溫度可使預浸絲束中的樹脂獲得適合的黏度，以防止預浸絲束在輸送過程中與輸送通道之間的粘接，影響自動鋪絲過程中預浸絲束輸送的可靠性和穩定性。但同時在自動鋪放過程中，要使預浸絲束能夠和已鋪放鋪層或者模具可靠粘接，緊密貼合，才能確保自動鋪放過程的順利實施，并獲得良好的復合材料制造質量。

預浸絲束自動鋪放過程在開放的工作環境中進行，且要求加熱區域溫度穩定。圖1是預浸絲束加熱系統模型示意圖。其中紅外燈安裝在反射罩中，加熱已鋪放鋪層或者芯模。為了防止待鋪放預浸絲束被加熱，在加熱區域和預浸絲束輸送區域之間有隔熱層。紅外燈及反射罩、隔熱層、壓輥等作為鋪絲頭的一部分，隨鋪絲頭一起以速度V移動。從圖1可以看出，紅外燈距壓輥中心有一定的距離x，隨著鋪絲頭的移動，紅外燈的熱影響區域才能夠移動到壓輥的壓緊點P。因此，整個預浸絲束加熱過程可分為兩個部分，加熱過程和放熱壓緊過程。在加熱過程中，紅外燈加熱已鋪放鋪層或者芯模，使其達到一定溫度。而在放熱壓緊過程中，隨著鋪絲頭的移動，被加熱的區域開始釋放熱量，直到完成壓緊，使上下兩層實現粘接。在這兩個過程中，加熱過程控制已鋪放鋪層或者芯模表面溫度，而放熱壓緊過程影響最終壓緊點的溫度，其傳熱過程分析如下。

1.1 加熱過程

加熱過程是通過紅外燈將預浸絲束加熱到一定溫度的過程。由于紅外燈加熱系統和預浸絲束或者芯模沒有直接接觸，所以它對預浸絲束或者芯模的熱影響區域的熱傳遞方式主要是紅外熱輻射、對流換熱（對流換熱是流體流過固體壁面時，由于兩者溫度不同所發生的熱量傳遞過程）和鋪層間的熱傳導。熱量傳遞過程中各個環節的換熱方式如圖2所示。預浸絲束或者芯模接收到的熱量可通過式（1）計算：

式中：Q1為總熱量，J；Qr1為輻射熱量， J ；Qcv1為對流換熱熱量，J。

其中，輻射熱量Qr1可以采用斯蒂芬–波爾茲曼方程[20]來計算：

其中：Ψ為輻射率；σ為斯蒂芬–波爾茲曼常數，約為5.67×10–8W/（m2·K4）；A1為紅外燈的輻射面積，mm2；T1、T2為分別為紅外燈表面和預浸絲束表面的絕對溫度，K；F12為輻射角系數。輻射角系數F12與兩個輻射體的幾何特征相關，包括表面形狀、尺寸和相對位置。它是輻射熱量計算的關鍵參數，可參考相關文獻。

圖1 自動鋪絲加熱系統示意圖Fig.1 Schematic of automated fiber placement (AFP) heating system

對于對流換熱熱量Qcv1可以用牛頓冷卻公式[20]來進行計算：

其中，ΔT1為空氣與預浸絲束鋪層間的溫度差，K；Aa為空氣與預浸絲束鋪層間的換熱面積，m2；hir為紅外燈加熱預浸絲束鋪層時的表面傳熱系數。表面傳熱系數同流體的流速，流體的物性參數，固體壁面的形狀和位置等有關。鋪放過程近似滿足外掠等溫平板、無內熱源、層流等條件，其計算方法可參考相關文獻。

1.2 放熱壓緊過程

放熱壓緊過程是指被加熱的預浸絲束在經過一段時間后被壓輥同上面鋪層一同壓緊的過程。被加熱的預浸絲束在放熱和壓緊過程中的熱傳遞方式主要是熱傳導和對流換熱。熱量傳遞過程中各個環節的換熱方式如圖3所示。其各個熱傳遞過程中的熱量計算方法與加熱過程相同，總的放熱量Q2為：

其中，Qcv2為預浸料鋪層熱對流釋放熱量，J；Qcd2為預浸料鋪層熱傳導釋放熱量，J。

對于熱傳導熱量Qcd，根據傅立葉定律，其三維熱傳導控制方程在直角坐標系中可表示為：

其中：λ為沿各個方向的熱傳導率，W/（m·K）；n為單位法矢量；為溫度梯度，它是隨著厚度和時間而改變的一個變量；A2為傳熱物體接觸面積，m2。

2 鋪層加熱溫度理論分析

圖2 鋪層加熱過程傳熱示意圖Fig.2 Schematic of prepregs heatingtransfer

圖3 鋪層放熱過程示意圖Fig.3 Schematic of prepregs heating release

由前述預浸絲束鋪放過程分析可知，壓緊點處的溫度是預浸絲束鋪放過程中上下層粘接的最終溫度。壓緊點的溫度的計算過程如下。

設壓緊點預浸絲束所需溫度為T，初始溫度為T0，則預浸絲束鋪層升溫至T時所需的熱量Q可通過式（6）計算：

式中，cp為預浸絲束的比熱容，kJ/（kg·℃）；m為被輻照的預浸絲束的質量，kg。

在預浸絲束鋪放過程中，Q是通過熱量傳遞來獲得的，它的計算公式如式（7）所示。即預浸絲束在鋪放過程中接收到的熱量減去釋放的熱量。

將式（3）、（6）代入式（7），可得：

其中：hir、hp分別為紅外燈加熱預浸絲束時的表面傳熱系數和預浸絲束放熱時的表面傳熱系數；ΔT1、ΔT2分別為紅外燈加熱預浸絲束時的空氣和預浸絲束的溫度差，以及預浸絲束放熱時的空氣和預浸絲束的溫度差。

由于實際鋪放過程中的速度較高，一般速度為50～500mm/s，而壓輥壓緊點距離紅外燈的加熱距離約為100mm（圖1中的距離x），因此整個對流換熱過程持續的時間約為0.2～2s，對流換熱作用時間非常短。同時，二者的作用過程互逆，因此為了簡化分析，將二者相互抵消，則式（8）可轉化為式（9）：

由式（9）可知，預浸絲束壓緊點的溫度主要取決于紅外輻射熱量和預浸絲束的熱傳導熱量，即紅外燈的輸入熱量和預浸絲束的釋放熱量之差。最終的溫度還是取決于紅外的輻射熱量Qu。

其中：Pir為紅外燈功率，W ；th為加熱時間，s；th= x/V，x為紅外燈距壓緊點的距離，mm；V為鋪放速度， m/s；Uir為紅外燈電壓，V；Iir為紅外燈電流，A；ηir為有效輻射系數。

結合式（2）、（9）和（10），可知預浸絲束在壓緊點的溫度分布可通過式（11）進行計算：

其中，U為紅外燈電壓；I為紅外燈電流；t為加熱時間；η為有效輻射系數。

由上述各式可知，預浸絲束的加熱溫度與其初始溫度、紅外燈照射距離、輻照面積、輻照時間，以及紅外燈功率等因素相關。而紅外燈控制電壓U與溫度分布可表示為：

根據預浸絲束鋪放過程傳熱分析，由式（12）可知，紅外燈控制電壓U與溫度參數之間表現出復雜的非線性關系。紅外輻射加熱過程中的關鍵參數輻射角系數與輻射體的幾何特征相關，包括表面形狀、尺寸和相對位置相關。由于采用自動鋪絲工藝所成型的復合材料構件的輪廓形狀和芯模結構形式復雜，如包括回轉體、開放型面和封閉型面等，使得輻射角系數通過理論計算和實驗都非常難以確定。同時，由于復合材料的各向異性，每層鋪層都有不同的鋪放角度，使其各個方向上的熱傳導率也表現出各向異性的特征[14，21]。因此，很難建立準確的自動鋪絲加熱理論分析模型。

3 鋪層加熱均勻性分析

預浸絲束在加熱過程中，樹脂基體發生固化交聯反應并釋放熱量，同時固化體系內部及內部與外部之間會發生熱量傳遞。熱化學模型用以描述樹脂黏度μr和固化度Dc的分布和變化。在溫度場均勻分布條件下，復合材料在固化時溫度分布和變化關系如式（13）所示[22]：

由于固化反應至發生在預浸絲束鋪層內，式（13）的最后一項可表示為：

其中：ρr、ρf分別為樹脂和纖維的密度；vr、vf分別為樹脂和纖維的體積分數；qr和qf分別為樹脂和纖維的反應放熱速率，J/s。

由于纖維不參與反應放熱，故式（14）中

對于樹脂的固化度定義為：

其中，Qr為從固化反應開始到時刻t的反應放熱量，J；Hr為固化反應所釋放的總熱量，J。

將式（16）兩端對時間t求導可得：

結合式（14）、（15）和（17）可得，預浸絲束鋪層在加熱過程中的溫度分布為：

預浸絲束中固化反應速率與樹脂反應放熱的關系可表示為：

由于自動鋪放過程只是熱固性復合材料的預成型階段，因此在整個鋪放過程中必須確保不產生固化效應，即Dc=0，即結合式（18）和式（19）可得，預浸絲束鋪層在鋪放過程中的溫度分布為：

在自動鋪絲工藝過程中，需要對預浸絲束鋪層進行預加熱，以增強鋪層之間的粘接，實現復合材料構件的預成型。由于鋪放成型加熱過程不是固化加熱過程，所以必須確保預浸絲束鋪層中的樹脂不能產生固化反應，以避免由于樹脂的預固化而影響最終復合材料構件的性能。

4 試驗

4.1 試驗材料

試驗中所使用的碳纖維預浸絲束由威海光威復合材料股份有限公司生產。預浸絲束中的碳纖維為臺灣臺麗公司（Tairyfil TC35–12K）的產品，樹脂為環氧樹脂，含膠量33%±3%。碳纖維TC35–12K的主要性能參數：密度為1.802g/cm3；拉伸強度為4154.24MPa；拉伸模量為246.84GPa；延伸率為1.68%。采用威海光威復合材料股份有限公司生產的預浸絲束所制作的復合材料單向層合板主要性能參數：拉伸強度為1800MPa；層間剪切強度為65MPa；拉伸模量為120GPa；彎曲強度為1100MPa。

4.2 試驗設備和方法

首先，對鋪放過程中鋪層的加熱溫度進行測試，并制作不同加熱溫度下的復合材料試件，試件尺寸為500mm×500mm，鋪絲速度為50mm/s，鋪層方式為[0/±45/90]。鋪層加熱溫度采用紅外溫度傳感器Optrics CT，紅外熱像儀型號為SC7300M。采用西安交通大學研制的自動鋪絲機（圖4）工作范圍： 3000mm（L）×2500mm（W）×2000mm（H）；設計最大絲束鋪放速度30m/min；壓緊力100～1200N，波動范圍±10N；加熱溫度20～70℃，波動范圍±4℃；絲束張力0～20N可控，波動范圍±2N。

圖4 自動鋪絲機及鋪層加熱測試示意圖Fig.4 AFP machine and schematic of temperature test

表1為加熱溫度測試表，在6種溫度下制作復合材料試件，研究預浸絲束的加熱溫度對復合材料試件性能的影響。試件制作過程中壓緊力取600N，預浸絲束張力為0～6N。固化制度為：從室溫升溫至80℃保溫30min，再升溫至130℃保溫60min后，逐漸冷卻至室溫。升/降溫速率為1.5℃/min。

表1 加熱溫度測試表Table 1 Test table of heat temperature

然后，根據相關試驗標準，采用萬能試驗機和相關專用夾具對復合材料試件進行拉伸、彎曲、層間剪切等力學性能進行測試。復合材料試件的層間剪切強度測試標準為:ASTM D2344–00；拉伸強度測試標準為：ASTM D3039–07；彎曲強度測試標準為：ASTM D7264–07。每種工藝條件下的復合材料試件均進行5組測試，并結合微觀形貌觀察結果對復合材料試件性能進行分析。萬能試驗機型號為：INSTRON–5565，最大負荷5kN，加載行程1135mm，加載速度0.001～100mm/s。掃描電子顯微鏡型號為：HITACHI S–3000。

5 結果與討論

5.1 鋪層加熱溫度測試

圖5為鋪放速度為50mm/s 時鋪層加熱溫度測試圖?？芍?，通過合適控制算法，雖然溫度具有一定的波動性，但能夠基本滿足鋪層加熱溫度的控制要求。圖6為鋪層加熱過程的紅外成像圖?？芍訜岬暮诵膮^域可控溫度可達設定溫度50℃左右，能夠滿足預浸絲束的預熱要求。核心加熱區域的溫度分布也比較均勻，能夠對預浸絲束鋪層進行均勻的加熱。但是，由于加熱面積往往會大于預浸絲束的實際鋪放面積，從而會對相鄰的已鋪放鋪層進行重復加熱，有可能對預浸絲束的性能造成影響，最終影響復合材料試件制品的性能。

圖5 加熱溫度控制結果Fig.5 Heating temperature control results

圖6 預浸絲束鋪層加熱過程紅外圖像Fig.6 Infrared images detected in heating process

5.2 加熱溫度對復合材料性能的影響

圖7為鋪層加熱溫度對復合材料試件性能的影響曲線?？芍S著鋪層加熱溫度的升高，復合材料的拉伸強度（最小平均值691.52MPa，最大平均值835.87MPa）、彎曲強度（最小平均值934.64MPa，最大平均值1050.65MPa）和層間剪切強度（最小平均值59.67MPa，最大平均值62.61MPa）分別提高了20.9%、12.4%和4.9%。當溫度進一步提高后，各項強度開始下降。其原因在于，在鋪放過程中，隨著鋪層加熱溫度的提高，預浸絲束中樹脂的黏度逐漸降低，黏性力增加，此時，在外加壓緊力的作用下，將有利于鋪層之間的粘接，改善復合材料試件的成型質量和性能。而隨著鋪層加熱溫度的進一步提高，樹脂基體的黏度和黏性力會持續降低。此時，在壓輥機構外加壓緊力的作用下，在壓緊區域存在局部的壓力梯度。由于壓力梯度的影響，預浸絲束鋪層中的樹脂會從高壓區域向低壓區域流動。壓緊力越大，壓力梯度分布越大，加熱溫度提高，樹脂黏度會減小，在壓力梯度和溫度場的共同作用下，樹脂的流動趨勢越明顯。導致樹脂產生局部的流動，使樹脂分布不均勻，出現貧樹脂區域。

圖7 鋪層加熱溫度對復合材料性能的影響Fig.7 Effect of heating temperature on mechanical properties of laminates

圖8為不同加熱溫度下所制作的復合材料試件固化后在破壞斷口處觀測到的微觀形貌，其中圖8（a）為設定加熱溫度30℃，壓緊力為600N時所制作的復合材料試件微觀形貌，圖8（b）為設定加熱溫度50℃，壓緊力同樣為600N時所制作的復合材料試件微觀形貌。可知，當設定加熱溫度為30℃時，復合材料試件中樹脂和纖維分布均勻，其宏觀力學性能較好。而當設定加熱溫度為50℃時，復合材料試件中出現了明顯的貧樹脂區，說明樹脂在鋪放加熱溫度和壓緊力的作用下重新分布，造成局部纖維之間缺乏基體的有效連接，產生一定的層間缺陷，從而影響了復合材料試件的宏觀力學性能，雖然試件的拉伸和彎曲強度影響不大，但是對其層間性能有一定程度的影響。

圖8 不同加熱溫度下的鋪層SEM照片Fig.8 SEM photographs of laminates at different heating temperatures

5.3 加熱均勻性對復合材料性能影響

在預浸絲束的鋪放過程中，由于紅外輻射光斑的分散性，導致熱區域的寬度Wh大于預浸絲束鋪層的寬度Wp，從而相鄰軌跡之間會產生重復加熱區，如圖9所示。同時，當進行上層預浸絲束鋪放時，下層的預浸絲束也會被傳導的熱量加熱。這樣已經鋪放在芯模上的預浸絲束鋪層會被反復加熱，當加熱溫度較高時，會使預浸絲束鋪層產生局部預固化，影響樹脂的性能，從而造成復合材料性能下降。殘余熱量對預浸絲束鋪層的熱影響可由式（18）和（19）進行描述。

圖9 重復加熱區形成示意圖Fig.9 Schematic of formation of repeated heating zone

圖10為不同溫度下對預浸絲束鋪層進行反復加熱（加熱3次）后所獲得試件的平均固化度測試結果。隨著預浸絲束加熱溫度的提高，固化度略微有所提高。當加熱溫度增大到50℃時，試件的固化度相比較室溫環境的固化度提高了1.87%，說明鋪層中的預浸絲束已經產生部分預固化，這不但會影響鋪層之間的粘接，更重要的是熱固性樹脂很難二次固化，從而最終對復合材料試件的層間力學性能產生一定的影響。

圖10 加熱溫度與預浸絲束固化度的關系Fig.10 Relationship between heating temperature and curing rate of prepreg

因此，在自動鋪絲工藝中，預浸絲束鋪層的加熱溫度對其最終的性能有明顯的影響。當加熱溫度較低時，不利于預浸絲束鋪層之間的粘接，從而出現褶皺、脫粘等鋪層缺陷；而當溫度較高時，在壓緊力作用下，預浸絲束鋪層中會出現貧樹脂區，并且由于鋪放過程中加熱區域的不均勻，導致預浸絲束局部鋪層在較高溫度下反復加熱，影響了樹脂基體的性能，最終影響了復合材料構件的性能。根據試驗結果，論文中所用材料體系的最佳加熱溫度范圍為35～40℃左右。

6 結論

（1）通過對自動鋪絲加熱過程中紅外傳熱模型、溫度模型和加熱均勻性的理論分析，初步建立了采用紅外加熱的自動鋪絲過程熱系統模型，提出了自動鋪絲紅外加熱系統需要采用模糊等智能控制算法實現。

（2）鋪層加熱溫度是影響復合材料性能的關鍵工藝參數，當設定加熱溫度為35℃時，論文中所制作的復合材料試件的拉伸強度、彎曲強度和層間剪切強度分別提高了20.9%、12.4%和4.9%。

（3）由于加熱不均勻導致的預浸絲束鋪層局部溫度過高而產生的復合材料預浸絲束預固化和在壓力溫度共同作用下局部樹脂流動導致的貧樹脂區域的出現會對復合材料試件的層間性能產生一定的不利影響。