熱塑性復(fù)合材料纖維鋪放工藝的研究進展

韓振宇，李玥華，富宏亞，邵忠喜

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，哈爾濱150001）

熱塑性復(fù)合材料纖維鋪放工藝的研究進展

韓振宇，李玥華，富宏亞，邵忠喜

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，哈爾濱150001）

現(xiàn)代復(fù)合材料的發(fā)展距今已近70年，在這些年中，其發(fā)展始終以解決采用傳統(tǒng)材料所不能實現(xiàn)的工程技術(shù)難題為目標(biāo)。由于復(fù)合材料具有傳統(tǒng)材料所無法比擬的高比強度、高比模量、良好的抗疲勞性，抗腐蝕性等特點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在國民生產(chǎn)各個領(lǐng)域，特別是航空航天等高尖端技術(shù)領(lǐng)域。目前，用于航空領(lǐng)域飛機復(fù)合材料構(gòu)件制造的主要有樹脂基、金屬基和陶瓷基三種復(fù)合材料，其中，應(yīng)用最為廣泛的是炭纖維增強型樹脂基復(fù)合材料，占80%以上［1］。據(jù)預(yù)測，未來商用飛機復(fù)合材料構(gòu)件用量所占質(zhì)量比將達70%～80%［2］。用于飛機復(fù)合材料構(gòu)件生產(chǎn)的主要制造工藝有半自動人工鋪放、自動纖維纏繞、自動纖維帶鋪放和自動纖維絲鋪放等。其中，纖維帶（或纖維絲）鋪放技術(shù)是最具前景的加工方式。纖維鋪放技術(shù)的加工對象主要為炭纖維增強型樹脂基復(fù)合材料，這類材料根據(jù)其熱行為不同，可分為纖維增強熱固性復(fù)合材料和纖維增強熱塑性復(fù)合材料。前者已被廣泛應(yīng)用到飛機制造領(lǐng)域，后者近些年來被各國學(xué)者廣泛研究，據(jù)文獻報道，已應(yīng)用到空中客車A380和A350中［3］。與纖維增強熱固性復(fù)合材料相比，纖維增強熱塑性復(fù)合材料具有固化成型耗時少，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，具有廣闊的應(yīng)用前景［4］。纖維增強熱塑性復(fù)合材料與纖維鋪放技術(shù)相結(jié)合，可顯著降低生產(chǎn)成本和縮短加工時間。上述兩者的結(jié)合具有如此顯著優(yōu)勢的原因在于復(fù)合材料構(gòu)件成型過程中采用了“原位固化”技術(shù)，與傳統(tǒng)的“熱壓罐”固化技術(shù)相比，“原位固化”不受加工場地和零件大小的限制，且復(fù)合材料構(gòu)件在鋪放過程中一次成型。因此，運用纖維鋪放技術(shù)對纖維增強熱塑性復(fù)合材料進行加工來制造飛機復(fù)合材料構(gòu)件將會是未來飛機復(fù)合材料構(gòu)件生產(chǎn)的主流。但是，從文獻［5］可以看出，“原位固化”成型技術(shù)加工的鋪層間強度為高壓固化成型加工的鋪層強度的89%～97%。如何消除近10%的差距，將是熱塑性纖維鋪放技術(shù)成功應(yīng)用到實際生產(chǎn)當(dāng)中的最大障礙。這個難題最終的解決應(yīng)當(dāng)歸結(jié)于對纖維鋪放工藝過程的嚴格控制。因此，對纖維鋪放工藝進行研究是十分必要的。近20年來，各國研究人員對復(fù)合纖維鋪放工藝進行了一系列的研究和探討，但國內(nèi)未見有關(guān)此類報道及相關(guān)文獻。熱塑性復(fù)合材料纖維鋪放工藝的研究，主要是研究復(fù)合纖維鋪放過程中的各種物理現(xiàn)象，通過分析這些現(xiàn)象，建立合理的數(shù)學(xué)模型，找到正確的加工方式與合理的加工參數(shù)，最終使復(fù)合纖維鋪層的性能達到所要求的指標(biāo)。本文將對纖維鋪放過程中，影響最終產(chǎn)品質(zhì)量的主要工藝過程和參數(shù)包括：加熱工藝、冷卻工藝、鋪層間強度、鋪放壓力、殘余熱應(yīng)力等進行深入的分析與闡述。

1 熱塑性復(fù)合材料纖維鋪放工藝

纖維鋪放根據(jù)鋪放材料寬度的不同，分為纖維帶鋪放和纖維絲鋪放。前者由于纖維帶寬度較大的原因適合用于復(fù)合材材料構(gòu)件平面類結(jié)構(gòu)的連續(xù)成型，也可用于簡單曲面結(jié)構(gòu)的成型［6］。后者由于纖維絲的寬度小可用來加工大曲率復(fù)合材料構(gòu)件，目前，纖維絲最多可同時鋪放32根，這些纖維絲組成的“帶”最大寬度可達102～406mm，因此，也適合加工平面類構(gòu)件或曲率較小的構(gòu)件［7］。纖維帶鋪放與纖維絲鋪放的鋪放工藝基本相同，本文將以纖維絲鋪放為例來對鋪放工藝進行論述。圖1所示為纖維鋪放工藝簡圖。從圖1可以看出，纖維鋪放成型過程中，預(yù)浸絲束需依次通過預(yù)加熱區(qū)、空氣冷卻區(qū)、主加熱區(qū)、熔合區(qū)、空氣冷卻區(qū)和特定冷卻區(qū)共六個區(qū)域［8］。對預(yù)浸絲束進行預(yù)加熱的主要目的是提高纖維鋪放速率；對其進行主加熱的目的是使預(yù)浸絲束上預(yù)浸料熔化，使其具有一定的流動性與黏彈性，為后面鋪層間的完全熔合提供前提條件；在熔合區(qū)，在壓輥壓力作用下，預(yù)浸絲束與之前的鋪層（或芯模表面）黏合成一體；完成粘合后的鋪層進入特定冷卻區(qū)完成最終的冷卻固結(jié)。設(shè)置特定冷卻區(qū)而不采取自然冷卻方式的主要原因是纖維束基體材料需以一定的冷卻速率固結(jié)才能達到所要求的強度指標(biāo)。由于預(yù)加熱區(qū)與主加熱區(qū)，主加熱區(qū)與特定冷卻區(qū)之間不可能緊密相鄰，因此，在此之間必然存在兩個空氣冷卻區(qū)，雖然這兩個空氣冷卻區(qū)區(qū)間很小，但對溫度的變化會產(chǎn)生較大的影響，不能忽略不計。在鋪放成型過程中，主要涉及預(yù)加熱、主加熱、冷卻、鋪層間緊密接觸、鋪層間熔合、鋪放壓力及殘余熱應(yīng)力七個方面的問題，這些問題的解決和處理又涉及一系列的相關(guān)學(xué)科，如傳熱學(xué)、結(jié)晶動力學(xué)、熱力學(xué)、布朗運動及擴散現(xiàn)象、牛頓流體力學(xué)等，纖維鋪放工藝如圖2所示。對涉及上述學(xué)科的相關(guān)鋪放工藝進行研究，可以為鋪放中各項工藝參數(shù)的設(shè)定建立理論依據(jù)，通過理論數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)的對比優(yōu)化，就可確定最優(yōu)的鋪放工藝參數(shù)，最終達到復(fù)材構(gòu)件所要求的各項技術(shù)指標(biāo)。下面將對鋪放過程中涉及的七個問題進行分類論述。

2 纖維鋪放中的加熱工藝

纖維鋪放過程中的加熱工藝包括預(yù)加熱工藝和主加熱工藝兩項。主要涉及加熱溫度的確定，熱源的選擇和加熱模型的建立三方面內(nèi)容，涉及的物理現(xiàn)象主要是熱傳遞現(xiàn)象。

2.1 加熱溫度的確定

目前，纖維鋪放中使用的炭纖維增強熱塑性復(fù)合材料具有較高的加工溫度，例如 APC－2（Carbon/PEEK），其工藝溫度為382～399℃。采用預(yù)加熱技術(shù)，一方面，可以顯著縮短主加熱所需的時間，提高纖維鋪放速率；另一方面，又可避免無預(yù)熱時，鋪層嚙合點處溫度在短時間內(nèi)由于溫度梯度變化過大，而引起過多的殘余應(yīng)力。預(yù)加熱時，需保持基體材料原有的物理化學(xué)性質(zhì)，因此，預(yù)加熱溫度通常選取略低于基體材料玻璃轉(zhuǎn)化溫度的值［9，10］。主加熱的目的是使基體材料熔化，使其具有一定的流動性和較低的黏彈性，在壓輥壓力的作用下，預(yù)浸絲束基體材料與鋪層基層材料發(fā)生良好的融合。主加熱溫度的選擇除了要高于基體熔化溫度外，還要考慮到基體退化對鋪層質(zhì)量產(chǎn)生的影響，因此，主加熱的溫度應(yīng)選取基體材料熔化溫度與退化溫度之間的值。這樣，既可保證基體材料完全熔化，又可使基體材料不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，避免影響鋪層質(zhì)量。

2.2 熱源的選擇

熱源的選擇，通常需要結(jié)合具體的應(yīng)用場合，主要從熱源自身的價格、質(zhì)量、體積、加熱時間和熱利用率等幾個方面加以考慮。目前，應(yīng)用在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三種。激光束熱源加熱時間極短，但受自身價格、質(zhì)量和體積的影響，適用于對加熱空間和價格沒有限制的場合；紅外線熱源適用于對加熱時間要求較低，同時對價格要求盡量低的場合；高溫氣體熱源適用于要求加熱時間較短，同時加熱空間又很小的場合，但高溫氣體熱源的最大缺點就是能量的利用率太低［11］。在文獻［12］中還將熱流體作為熱源進行了研究，其最大的優(yōu)點是可循環(huán)利用，極大地提高了熱源的熱利用率，但由于其可實施性較差，并未被廣泛使用。因此，在實際鋪放過程中，主要參考上述三種熱源各自的優(yōu)缺點及纖維鋪放工藝的特點，來合理靈活地選擇加熱方式。

2.3 加熱模型的建立

目前，工業(yè)上使用的預(yù)浸絲束的標(biāo)準(zhǔn)寬度為3.2，6.4，12.7mm 三種型號，預(yù)浸絲束的厚度在0.1～0.3mm之間。當(dāng)熱源垂直于預(yù)浸絲束表面加熱時，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，考慮熱量傳遞方向，可建立一維、二維或三維的熱傳遞模型。同時，根據(jù)熱源的不同，鋪放設(shè)備及周圍的實際環(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。

考慮到熱量主要沿厚度方向傳遞，而沿寬度和長度方向的熱傳遞很少，Colton，Pitchumani，Munki等進行了一維熱傳遞模型的研究［13－15］。其中，Colton建立了熱塑性復(fù)合材料纖維纏繞/鋪放的一維熱傳導(dǎo)模型，考慮的熱傳遞方式為熱對流和熱輻射，得出了纖維纏繞速率為最主要的工藝參數(shù)的結(jié)論。Pitchumani建立了熱塑性復(fù)合材料纖維鋪放的一維熱傳導(dǎo)模型，同時還討論了鋪放過程中鋪層基體的熔合與基體的退化等問題。Munki則分別以高溫氣體和熱流體作為熱源，對纖維鋪放一維熱傳導(dǎo)模型進行了討論，同時，還進行鋪放壓力的研究。

考慮到熱量主要沿厚度與寬度方向傳遞，而沿長度方向的熱傳遞很少，可忽略不計，Grove，Chasemi Nejhad，S.Turnkor進行了二維熱傳遞模型的研究［16－18］。Grove建立了纖維帶鋪放二維熱傳導(dǎo)模型，采用激光熱源，討論了溫度對鋪放工藝的影響。Chasemi Nejhad建立了纖維帶鋪放的二維熱傳導(dǎo)模型，分別求其解析解與數(shù)值解；同時，對鋪放速率，熱密度，熱源寬度等鋪放工藝參數(shù)進行了討論。S.Turnkor建立了纖維帶鋪放的二維熱傳導(dǎo)模型，通過有限元的方法求其數(shù)值解，并將數(shù)值解與其他文獻中實驗值進行了對比，驗證了此模型的實用性。

加熱溫度，加熱熱源，加熱模型三者共同決定了加熱時間，而鋪放速率主要由加熱時間所決定。因此，在上述三者確定的情況下，可以計算出鋪放速率的理論值范圍。

3 纖維鋪放中的冷卻工藝

用于制造飛機復(fù)合材料構(gòu)件的炭纖維增強熱塑性復(fù)合材料其基體材料屬于半結(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，其分子結(jié)構(gòu)中，一部分能量較低的重復(fù)單元分子結(jié)構(gòu)有序排列，形成密實的結(jié)晶部分，另一部分能量較高的結(jié)構(gòu)單元呈無規(guī)卷曲狀態(tài)［6］。半結(jié)晶聚合物的使用溫度、抗蠕變性、硬度和強度主要受結(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［6，19］。因此，在實際應(yīng)用中，需嚴格保證半結(jié)晶聚合物成品的結(jié)晶度，才能保證產(chǎn)品質(zhì)量。在纖維鋪放過程中，冷卻工藝決定了復(fù)合材料構(gòu)件的結(jié)晶度值，當(dāng)預(yù)浸絲束通過熔合區(qū)完成鋪層間的熔合后首先通過區(qū)間很窄的空氣冷卻區(qū)，隨后進入到特定冷卻區(qū)，在這個區(qū)域，鋪層基體材料將完成其最終的結(jié)晶固化。在冷卻過程中，冷卻速率和冷卻時間是影響最終結(jié)晶度的兩個重要參數(shù)。這里將涉及傳熱學(xué)和結(jié)晶動力學(xué)兩個學(xué)科知識的交叉。

3.1 冷卻參數(shù)的選擇

對于半結(jié)晶聚合物，其各項性能主要受結(jié)晶程度和結(jié)晶狀態(tài)的影響。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，可以得出，冷卻速率和冷卻時間是冷卻工藝中最為關(guān)鍵的兩個參數(shù)，它們將影響最終的產(chǎn)品品質(zhì)。因此，在纖維鋪放過程中，應(yīng)合理選擇和嚴格控制這兩個參數(shù)［20］。合理的冷卻速率主要是通過大量實驗數(shù)據(jù)得到的。首先，應(yīng)用在纖維鋪放中的纖維增強熱塑性復(fù)合材料的基體材料，其性能最優(yōu)時所對應(yīng)的結(jié)晶度值的范圍應(yīng)該是材料制造廠商提供的；其次，在已知最優(yōu)結(jié)晶度值范圍的基礎(chǔ)上，需要設(shè)定冷卻條件，如等溫冷卻或以一定的冷卻速率冷卻，然后通過實驗得出在此條件下的基體材料的結(jié)晶速率；最后，在得到冷卻速率與結(jié)晶速率之間的關(guān)系之后，需要根據(jù)實際情況建模，計算在此冷卻速率下，達到要求結(jié)晶度所需的時間，這個時間也就是在纖維鋪放過程中鋪層需要在冷卻區(qū)所停留的時間。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［20］。

3.2 冷卻模型的建立

將計算仿真與實驗研究相結(jié)合來研究纖維鋪放的冷卻工藝，可以在較短時間內(nèi)預(yù)測產(chǎn)品的最終性能，得到較為合理的冷卻工藝參數(shù)，對實際生產(chǎn)有很強的指導(dǎo)意義。冷卻過程涉及材料的相變，結(jié)晶化，熱傳導(dǎo)等物理現(xiàn)象，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)定符合實際情況的邊界條件，利用現(xiàn)有的多物理場仿真軟件得到達到某一結(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)模型的建立，其中，基于Avrami方程的模型以被眾多學(xué)者進行研究，基于Tobin方程建立的模型，用來預(yù)測等溫條件或非等溫條件的晶體生長也被廣泛的研究［21］。Tobin方程考慮了的均勻成核和非均勻成核對結(jié)晶度的影響，而Avrami方程則認為基體材料被完全熔化，不存在成核現(xiàn)象［21］。此外，Ozawa模型應(yīng)用在非等溫結(jié)晶動力學(xué)也被研究。合理的結(jié)晶動力學(xué)模型的確立需要通過實驗的方式，目前，最為常用的實驗方法是示差掃描熱量法（DSC）。

冷卻模型建立所需的能量模型，即符合能量守恒定律的能量方程，M.hamed Boutaous等人將Avrami等式與能量方程相耦合，通過多物理場仿真軟件comsol進行計算，得到了冷卻速率與冷卻時間之間的關(guān)系［22］。同時，將仿真得到的理論數(shù)據(jù)與已報道文獻中的實驗數(shù)據(jù)加以對比，證明了理論模型的正確性，說明了此理論模型可用于指導(dǎo)實際生產(chǎn)。

通過求解冷卻模型得到的冷卻時間是決定纖維鋪放速率的又一重要參數(shù)。如鋪放速率過大，將會使基體材料的結(jié)晶度值過小，使最終產(chǎn)品的硬度、強度、抗蠕變性變差，達不到產(chǎn)品所要求的指標(biāo)。而鋪放速率過小，又將使最終產(chǎn)品的韌性變差，同時增加加工時間。在加熱工藝中介紹到，加熱時間也是決定鋪放速率的一個重要參數(shù)，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)間的長度來達到二者速率的一致。

4 纖維鋪放中的鋪層間強度

纖維鋪放過程中，設(shè)定合理的加熱工藝參數(shù)和冷卻工藝參數(shù)可以保證復(fù)合材料構(gòu)件基體材料的性能達到所要求的性能指標(biāo)，但復(fù)合材料構(gòu)件最終的性能是否滿足要求，還與鋪層間強度有關(guān)，即與第n個鋪層和第n＋1個鋪層熔合后所能達到的鋪層間強度有關(guān)。鋪層間強度受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影響。

4.1 鋪層間緊密接觸

鋪層間緊密接觸度的定義是在任意給定時間，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)［23］。圖3中Ⅰ所示為預(yù)浸絲束表面與鋪層表面（或芯模表面）的微觀幾何形貌示意圖，由于兩表面表面粗糙度的原因，預(yù)浸絲束與鋪層表面（或芯模表面）開始時不可能完全接觸。Dara和Loos等將預(yù)浸絲束和鋪層表面（或芯模表面）的微觀幾何形貌用大小不同的矩形來描述，如圖3中Ⅱ所示。Lee和Springer等鑒于上述描述使用不方便，將大小不同的矩形簡化成大小相同的矩形來描述預(yù)浸絲束和鋪層表面（或芯模表面）；如圖3中Ⅲ所示［24，25］。在纖維鋪放過程中，在溫度一定時，當(dāng)壓輥對預(yù)浸絲束施加一定的鋪放壓力后，預(yù)浸絲束與鋪層表面（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，變形后的矩形如圖3Ⅲ中虛線所示。上述研究人員僅根據(jù)各自的簡化模型討論了溫度和壓力對鋪層間緊密接觸度的影響，而Mantell和Springer在上述簡化模型的基礎(chǔ)上，將接觸時間的因素考慮進去［26］。前面的研究存在一個共同的缺點，就是沒有將現(xiàn)行的粗糙度評價指標(biāo)與計算模型相結(jié)合，在實際應(yīng)用中存在一定的不便。如何將現(xiàn)行的粗糙度評價指標(biāo)與計算模型相結(jié)合，將是今后需要研究的一個問題。

圖3 預(yù)浸絲束表面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic of surface structure of towpreg

4.2 鋪層間熔合

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散的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為鋪層間的熔合［23］。分子擴散的距離決定了鋪層間強度，這與溫度、壓力與擴散時間有關(guān)，用來描述此現(xiàn)象的模型是建立在鏈的塌滑理論基礎(chǔ)上的［27，28］。早先的研究主要集中在等溫條件下熱塑性聚合物間的熔合，如De Gennes P和Doi M，接著Bastien將研究擴展到非等溫條件，后來Yang F發(fā)現(xiàn)Bastien模型中不合理的地方，并對非等溫條件下的熔合模型進行了更為合理的研究［27－30］。鋪層間熔合模型研究的關(guān)鍵是建立鋪層間強度與鋪放溫度，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的時間參數(shù)。

4.3 纖維鋪放壓力

纖維鋪放過程中，鋪層間的緊密接觸與熔合都與鋪放壓力有著密切的關(guān)系。因此，需要對壓輥及所接觸鋪層進行壓力場建模分析。當(dāng)預(yù)浸絲束通過壓輥后，其厚度和寬度都將發(fā)生變化，厚度減小，而寬度增大，在長度方向的變化可以忽略不計。根據(jù)上述變化，Ranganathan等建立了二維的可壓縮的牛頓流體模型；Pitchumani預(yù)測了壓輥及所接觸鋪層的壓力場分布分析［14］。在建模過程中，涉及流體力學(xué)，動量方程及能量方程相關(guān)知識。此外，鋪放壓力還會影響到鋪放材料的孔隙率，關(guān)于鋪放壓力與空隙率之間的關(guān)系，目前所見文獻僅通過實驗的對其進行了定性方面的研究，關(guān)于這兩者之間的定量關(guān)系今后還需要進行深入研究。

5 殘余熱應(yīng)力

由于纖維增強熱塑性復(fù)材的增強相與基體相的熱膨脹系數(shù)不同，殘余熱應(yīng)力在所有這類復(fù)合材料都是固有存在的，其存在直接影響了復(fù)合材料構(gòu)件的各項性能及復(fù)合材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。從以往的研究可以得出，殘余熱應(yīng)力的研究主要集中在三個方面：首先，微觀機械水平的研究，也就是增強相材料與基體相材料的研究；其次，宏觀機械水平的研究，即鋪層中殘余熱應(yīng)力的研究；最后，整體研究，主要是針對由于鋪層厚度引起的殘余熱應(yīng)力的研究［4，31，32］。纖維鋪放時，在鋪放材料確定的情況，殘余熱應(yīng)力與加工溫度，特別是冷卻速率有關(guān)，還與鋪層的鋪放角度和鋪層數(shù)有關(guān)。目前，冷卻速率與殘余熱應(yīng)力之間的關(guān)系已相對清楚，對于不同的基體材料，呈現(xiàn)不同的變化趨勢。例如，對于半結(jié)晶熱塑性聚合物而言，殘余熱應(yīng)力隨冷卻速率的增大而減小。而鋪放角度與鋪層數(shù)目產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力對復(fù)材構(gòu)件整體性能的影響的研究相對較少。這方面的研究可以在一定程度上指導(dǎo)復(fù)合材料構(gòu)件在鋪放過程中的軌跡規(guī)劃。

6 結(jié)束語

纖維鋪放的工藝是決定熱塑性復(fù)合材料能否成功應(yīng)用到實際當(dāng)中，生產(chǎn)出合格復(fù)合材料構(gòu)件的關(guān)鍵，是整個纖維鋪放的核心技術(shù)。纖維鋪放過程中涉及了很多的物理現(xiàn)象、物理參數(shù)，如何將這些參數(shù)合理的優(yōu)化，最終得到合適的加工參數(shù)，是纖維鋪放工藝研究的重點。在這些方面，國內(nèi)的研究明顯滯后于國外的研究，今后此方面的研究將任重而道遠。

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Thermoplastic Composites Fiber Placement Process Research

HAN Zhen－yu，LI Yue－h(huán)ua，F(xiàn)U Hong－ya，SHAO Zhong－xi
（School of Mechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

熱塑性復(fù)合材料由于其良好的可焊接性、可循環(huán)利用性、抗化學(xué)腐蝕性，特別是短時間內(nèi)就可加工成型等特點，在未來航空航天構(gòu)件制造領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。纖維鋪放過程中涉及一系列的物理現(xiàn)象，涵蓋傳熱學(xué)、熱力學(xué)、結(jié)晶動力學(xué)，牛頓流體力學(xué)等學(xué)科及這些學(xué)科的交叉領(lǐng)域。本文以上述學(xué)科的相關(guān)知識為理論依據(jù)，對纖維鋪放工藝中的加熱工藝，冷卻工藝，鋪層間強度，纖維鋪放壓力和殘余熱應(yīng)力五方面內(nèi)容，通過分析其理論模型的建立和求解方法，介紹和討論了纖維鋪放過程中與最終產(chǎn)品質(zhì)量相關(guān)的基體材料結(jié)晶度、鋪層間緊密接觸程度、鋪層間熔合度等關(guān)鍵問題及其中涉及的鋪放溫度、鋪放速率、鋪放壓力等主要工藝參數(shù)。同時，本文還總結(jié)了國外的研究成果和研究進展，指出其中存在的一些問題，并對今后纖維鋪放工藝的研究方向進行了展望。

熱塑性復(fù)合材料；纖維鋪放；加熱工藝；冷卻工藝；鋪層間強度；殘余熱應(yīng)力

The thermoplastic composites，which are known for their weldability，recyclability，chemical resistance，and rapid forming，will become common engineering materials in aerospace industry.There are some physical phenomena during fiber placement process，which involves some fields and cross－fields，such as heat transfer，thermomechanics，crystallization kinetics，Newtonian fluid mechanics and so on.Based on above theories，this article analyses theoretical models of heating process，cooling process，interlaminar bond strength，fiber placement compaction load and thermal residual stress，and discusses the influence factors of final products performance，such as matrix material crystallinity，the degree of inter laminar intimate contact，the degree of interlaminar diffusion and so on.The research achievements and research process are summarized and analyzed in this paper，and some problems which still existed and need to be resolved are discussed.The future development trend of fiber placement is also predicted.

thermoplastic composite；fiber placement；heating process；cooling process；interlaminar bond strength；thermal residual stress

TH162

A

1001－4381（2012）02－0091－06

國家自然科學(xué)基金資助項目（51005060）；國家科技重大專項資助項目（2009ZX04004－111）

2010－12－28；

2011－07－06

韓振宇（1978－），男，博士，副教授，主要從事復(fù)合材料纖維鋪放/纏繞成型CAD/CAM技術(shù)、開放數(shù)控、智能加工等方面的研究工作，聯(lián)系地址：黑龍江省哈爾濱市西大直街92號哈爾濱工業(yè)大學(xué)422信箱（150001），E－mail：hanzy@hit.edu.cn