复合材料纤维铺放技术及其应用

复合材料纤维铺放技术及其应用

杨雷

（航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，黑龙江哈尔滨150060）

摘要：先进复合材料比传统材料具有诸多优点，例如轻质量、高强度、低密度、高模量、抗疲劳、耐腐蚀、设计制造一体化等等。复合材料对减轻结构重量、提高经济性和可靠性具有不可替代的作用。复合材料已经广泛应用于制造领域，尤其是航空航天领域，在航空航天设备上的用量和应用部位已经成为衡量航空航天器结构先进性的重要标志之一。

关键词：复合材料；纤维铺放技术；应用

一、纤维铺放技术的成型原理和特点

纤维铺放技术是树脂基复合材料制造技术中的一种，其工作原理是将连续的纤维丝束或纤维带通过预浸胶或树脂之后，按照设定好的路径铺放到芯模上，最后在一定温度下固化，制成所需形状的制品。复合材料纤维铺放成型技术（FiberplacementFP）是自动窄带铺放成型技术（Automantedtepplacement,ATP）和自动铺丝束成型技术（Automatedtowplacement,ATP）的总称。纤维铺放技术的成型工艺是在纤维铺放机上将平行的纤维丝束或纤维带预浸处理，通过铺放头装置将预浸过的纤维束压到需要加工的工件或芯模表面。纤维铺放与纤维缠绕和带铺放不同，它不是按照测地线在芯模或模具上布纱；纤维铺放可精确控制丝束宽度，且各丝束可单独铺放，通过切断、重续等工序控制铺放厚度的增减。此外，纤维丝束是通过纤维铺放机上的铺放头压在模具上的，能保证铺放每一层紧密贴合避免出现分层现象。总结纤维铺放技术的优点有:（1）通过铺丝头剪断丝束、重新开始等，可以对铺放厚度进行精确控制；（2）工艺过程中铺丝头可调节施加力，实时加压密实；（3）铺放精度高，不易出现孔隙；（4）纤维铺放角度可以调节，不受限制；（5）铺放材料利用率高，浪费少。

二、复合材料纤维铺放技术应用

1.加热工艺研究。在自动纤维铺放过程中，为提高铺放效率，通常设置预加热及主加热2个加热环节。在这2个环节中，都会涉及到选择热源、建立加热模型及确定加热温度三方面的问题。目前，应用在自动纤维铺放中的热源主要有激光热源、红外线热源和高温气体热源3种。选择热源时，针对不同的加工原料及结合具体的应用场合，需对所选热源的加热温度（或加热功率），可连续加热时间，加热温度是否可控及热源自身的价格、质量、体积、热利用率等方面进行综合考虑。首先，设置预加热区，可显著缩短主加热所需时间，提高纤维铺放速率，同时，可避免铺层啮合点处温度梯度变化过大而引起过多的残余应力。预加热时，为保持基体材料原有的物理化学性质及最大限度提高铺放速率，预加热温度通常应略低于基体材料玻璃转化温度，因此，预加热热源的加热温度选择应略高于基体材料玻璃转化温度。在主加热区，基体材料的安全加热温度通常应低于基体材料的退化温度，为使基体材料充分熔融，主加热区的温度又应高于基体材料的玻璃转化温度，同时，考虑铺放效率，选择主加热区热源的加热温度略高于基体材料退化温度是较为合理的。其次，热源使用场所空间的大小及安装的难易程度，在热源选择过程中也需要充分的考虑。根据热源的不同，铺放设备及周围的实际环境，确定相应的热传递方式，建立热传递模型的边界条件。鉴于热传递模型及其边界条件的复杂性，多数情况采用有限元的方式对模型进行数值求解，来研究不同时刻、温度在纤维束中不同位置的分布情况以及时间、温度、位置三者之间的关系，然后与试验数据进行对比，分析所建模型的合理性，同时对所建模型进行合理修正。自动纤维铺放过程中，在加热温度、加热热源、加热模型三者确立之后，可以通过计算加热时间确定的铺放速率理论值范围，指导实际铺放过程铺放参数的设定。

2.冷却工艺研究。用于自动纤维铺放的碳纤维单向增强树脂基预浸丝或预浸带，其基体材料通常为半结晶聚合物。在这类聚合物兼有无定形聚合物和结晶聚合物的优点，其使用温度、抗蠕变性、硬度和强度主要受结晶度的影响，随结晶度的增大而增大，但结晶度过高，又会使聚合物变脆。因此，在实际应用中，需严格控制半结晶聚合物成品的结晶度来保证产品质量。在纤维铺放过程，通常会设置特定的冷却区对熔合后的铺层进行冷却以完成其最终的结晶固化，而不是让其在室温条件下自然冷却。对于半结晶聚合物，结晶速率是材料结晶程度和结晶状态的显著影响因素，而冷却速率及冷却时间决定了结晶速率。因此，在纤维铺放过程中，只要严格控制这个参数，就可保证最终的产品品质。而合理的冷却速率主要是通过大量试验数据得到的。首先，基体材料性能最优时所对应的结晶度值的范围可从材料制造厂商处得到；其次，设定具体的冷却条件（等温冷却或以一定的冷却速率冷却），通过试验确定在此条件下的基体材料的结晶速率，结晶速率的测定方法通常有膨胀计法、光学解偏振法、DSC法、热台偏光显微镜法、小角激光光散射法等；最后，通过仿真软件，可计算出在此冷却速率下达到要求结晶度所需的时间，即在纤维铺放过程中，铺层需在特殊冷却区所停留的时间。在计算得到冷却时间后，可以确定在这一区域合理铺放速率理论值的范围，但纤维铺放过程中，铺放速率只能是一个值，当由加热时间所计算的铺放速率与由冷却时间所计算的铺放速率不能协调一致时，可以通过调整加热区间的长度或特定冷却区间的长度来达到二者速率的一致。

3.纤铺层间强度研究。利用自动纤维铺放技术加工的复合材料构件，其基体材料的性能指标由加热工艺参数和冷却工艺参数共同决定；其整体性能指标还与铺层间强度有关，即与任意相邻两铺层熔合后所能达到的铺层间强度有关。铺层间强度受到两铺层间紧密接触程度、两铺层熔合时分子渗透距离及纤维铺放压力三方面因素的共同影响。铺层间紧密接触度被定义为：在任意给定时间，两铺层接触面积占铺层面积总面积的百分比，与温度、压力、接触时间有关。由于表面粗糙度的原因，预浸丝或预浸带表面与铺层表面（或芯模表面）的微观几何形貌为不规则体，在未加热和未施加压力的条件下，预浸丝或预浸带表面与铺层表面（或芯模表面）不可能完全接触。为理论计算方便，国外研究人员首先将不规则的微观几何体简化成大小不同的矩形（指截面），然后再将上述矩形简化成大小相同的矩形。纤维铺放过程中，在加热到一定温度时，当压辊对预浸丝或预浸带施加一定的铺放压力后，预浸丝或预浸带与铺层表面（或芯模表面）的突起的矩形将发生变形，矩形高度将减小，宽度将增大，然后根据这一模型，建立计算铺放压力与铺层间紧密接触度之间的函数关系。将现行的粗糙度评价指标融入上述计算模型中，可显著提高实际应用的方便程度。铺层间熔合是指相邻两铺层表面，当加热到温度高于自身基体熔化温度时，并在一定的铺放压力作用下，会发生一铺层表面的分子向另一铺层扩散的现象。分子扩散的距离决定了铺层间强度，这与温度、压力与扩散时间有关。复合材料纤维铺放技术是未来复合材料构件极端制造发展的一个重要方向，复合材料在航空航天器的大量应用直接推动了自动铺放技术的发展，铺放技术虽已成熟，但仍在不断发展和进步，并通过开发新技术来实现复合材料构件低成本高效益制造。

参考文献

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[3]苏峰,于柏峰,贺晶,孙丽娜.纤维缠绕设备的创新和发展[J].纤维复合材料,2016,01:49-51.