熱塑性預浸帶成型加熱熱源研究

李東陽，宋麗蕓，杜娟，李云杰，劉國豪，潘騰，穆承廣

（1.國家管網集團北方管道有限責任公司管道科技研究中心；2.廊坊市科發管道技術服務有限公司，河北 廊坊 065000）

熱纏繞技術是制備高性能復合材料的重要成型工藝，尤其在耐腐蝕容器、耐腐蝕管道成型方面具有無可替代的優勢。熱塑性預浸帶一般為纖維增強樹脂基復合材料，由于其具有極好的抗沖擊性、比強度，極長的貯存期以及低吸濕性，在熱纏繞成型技術中應用越來越廣泛。常用的熱塑性預浸帶成型溫度在350℃以上，遠遠高于熱固性材料。熱塑性預浸料纏繞過程中關鍵要實現預浸料的定型加熱，加熱歷程將顯著影響層間黏結性能，加熱熱源已成為纏繞成型過程中的關鍵環節之一。因此，對熱塑性預浸帶成型時的加熱熱源進行研究具有重要意義。目前，在熱源方面，國內外較先進的主要有熱輻射、LED、熱沖擊、激光、紅外等幾種方式。

1 熱輻射熱源

熱輻射是一種清潔、靈活、高效的手段，可提供能量實現復合材料的固化。熱輻射涉及的以下方面均影響固化效果：表面或體積輻射熱通量；輻射源發射功率水平和效率；復合材料的輻射發射；放熱的化學能釋放；輻射的入射角；以及復合材料內部的獨立散射和相關散射。Chern通過表面或體積輻射加熱在線處理單向纖維復合材料的詳細熱模型，給出了對應于單向的繞圈圓柱體物理幾何形狀以及施加的熱和輻射邊界條件，得出了石墨/環氧樹脂和玻璃/環氧樹脂圓柱體的溫度和固化程度的數值結果。

2 LED熱源

LED熱源具有節能、環保兩大優勢，作為新一代綠色熱源正逐步取代傳統熱源。Orth T開發并分析了一種新的基于LED的加熱單元，分析了LED的輻射能量輸出。通過調整加熱單元上多個LED陣列的電輸入、輻照度，可以控制基材表面的分布從而調整表面溫度分布，并開發了二維和三維的熱模型。LED熱源示意圖見圖1。

圖1 LED熱源示意圖

3 熱沖擊熱源

熱沖擊熱源通過遵循第一原理，對于法向和斜向碰撞的實驗可用對流傳熱相關性來研究，并能夠適應該過程所特有的幾何形狀。影響復合材料固化的參數包括割炬入射角、割炬出口直徑、割炬到目標的距離、熱氣體溫度、氣體速度、線速度和絲束基材中的層數。Guan X等人提出了一種沖擊傳熱分析，用于熱塑性基質復合材料絲束放置過程中熱氣炬的加熱，其研究表明，根據最佳結晶度水平，可確定各種氣體溫度和線速度加工窗口。熱沖擊熱源示意圖見圖2。

圖2 熱沖擊熱源示意圖

4 激光熱源

激光加熱具有能量密度高、溫度控制精準、響應速度快、加工速度快等優點，但是，其設備昂貴，使用成本高昂。零件的質量取決于加工過程中的溫度分布以及層壓板的熱歷史，激光功率和放置速度是最大的影響參數，可以顯著改善復雜形狀零件的制造質量。Grouve W研究了熱塑性復合材料的激光輔助自動膠帶貼合（LATP）原位固結，具有比常規加工方法更高效，更精確的特點。在激光主要對準膠帶的情況下，在高速和低輸入功率下可以獲得出色的黏合質量。新的工業化生產需要基于模型的全局控制方法，虛擬流程模型有助于快速適應各種產品要求，減少生產的浪費，提高系統的產量和產品的可靠性。所有這些目標都需要一個高效的熱模型，可捕獲產品范圍內的溫度分布。Kollmannsberger A開發并驗證了激光輔助的自動熱塑性纖維放置過程的熱力學模型。激光束的照射和反射直接影響固結過程中的熱通量和溫度分布，因此，對激光光學器件進行描述和理解，可以提高黏結質量。激光加熱示意圖見圖3。

圖3 激光熱源示意圖

另外，激光輔助的膠帶纏繞工藝可以為自動化生產提供一種有效的自動化解決方案，尤其在石油和天然氣行業的管道制造行業。但是，為了保證可靠和高質量的過程結果，必須理解并考慮層壓板內連續纏繞層之間固結溫度的分布，并將其考慮到流程設計中。激光輔助的膠帶纏繞工藝示意圖見圖4。

圖4 激光輔助的膠帶纏繞工藝示意圖

5 紅外熱源

紅外加熱是一種低成本、有效的加熱方式，適用于連續碳纖維增強耐高溫熱塑性復合材料的纏繞成型。對于碳基復合材料而言，紅外線能量幾乎能被完全吸收。單毫等用使用自主設計的熱塑性復合材料紅外加熱纏繞成型機制備出了層間剪切性能良好的纏繞制品，研究發現，影響紅外加熱纏繞效果的工藝參數主要有成型溫度、預熱時間、送料張力、芯模轉速等，這可為今后紅外熱源的研究和應用提供參考（圖5）。

圖5 紅外熱源示意圖

6 結語

綜上所述，加熱熱源作為影響熱塑性預浸帶纏繞成型質量的關鍵環節，已引起學者越來越多的關注。通過對不同加熱熱源特點及影響參數進行對比分析，可發現國內外常用的幾種熱源各有優勢：熱輻射熱源清潔、靈活、高效；LED熱源節能、環保；激光加熱能量密度高、溫度控制精準、加工速度快；紅外加熱成本低、高效。相信隨著對熱塑性預浸帶加熱熱源研究的持續開展，熱纏繞成型工藝將得到進一步的發展和提升。