自動鋪纏預(yù)浸帶熱壓接研究

嚴(yán) 飆，文立偉

（1南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京210016；2南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京210016）

先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天器的大量應(yīng)用直接推動了復(fù)合材料自動成型技術(shù)的進(jìn)步，并且朝著成型裝備專門化、材料體系多樣化、設(shè)計(jì)分析制造集成化以及高效率和高可靠性成型方向發(fā)展［1－3］，各類用于復(fù)合材料成型的“增材制造”的機(jī)床——鋪放／纏繞裝備層出不窮。為進(jìn)一步提高鋪放及纏繞成型效率、降低構(gòu)件制造成本，研究者提出多種解決方案［4，5］：①提高機(jī)床各運(yùn)動軸的速度；②提高設(shè)備在相同速率下的出料量；③減少設(shè)備額外的操作時(shí)間；④完善CAD／CAM軟件軌跡規(guī)劃方法、優(yōu)化制造等。

數(shù)控機(jī)床的發(fā)展已相當(dāng)成熟，各軸的速度已接近工藝允許的速度極限，采取多頭鋪放機(jī)、單頭多帶鋪放機(jī)和更大質(zhì)量纖維束等方法，提高相同速率下的出料量是高效成型的主要方向。同時(shí)，復(fù)合材料成型所用預(yù)浸料卷長度有限（少于5000m），對于大型復(fù)雜構(gòu)件的鋪纏成型，在運(yùn)行中必然存在換料和續(xù)接等額外操作；對于最多可達(dá)32條預(yù)浸紗的自動鋪絲而言，累計(jì)占用時(shí)間更多。利用預(yù)浸料自身具有的黏度，采用快速熱壓接續(xù)接預(yù)浸料、減少額外操作時(shí)間是提高成型效率和改善制件性能的重要途徑。目前，國內(nèi)研究者［6－8］已從預(yù)浸料黏性及鋪放工藝參數(shù)等方面展開鋪層貼合的因素分析，但對預(yù)浸料快速熱壓接形成機(jī)理的研究還較薄弱；國外 Warek［9］在復(fù)合材料成型裝置及方法中設(shè)計(jì)了續(xù)接機(jī)理框圖，實(shí)現(xiàn)預(yù)浸帶的快速連續(xù)進(jìn)給；Cairns［10］設(shè)計(jì)可旋轉(zhuǎn)平臺裝置，實(shí)現(xiàn)預(yù)浸帶的自動續(xù)接；Tingley［11］，Oldani［12］，Hoffmann［13］針對自動輔絲設(shè)計(jì)快速更換紗箱裝置，實(shí)現(xiàn)快速續(xù)接與連續(xù)鋪絲；M－Torres自動鋪絲機(jī)只需暫停2s便可完成預(yù)浸帶的快速續(xù)接，達(dá)到應(yīng)用水平［14］，但關(guān)于壓接機(jī)理方面的研究鮮有報(bào)道，因此，本工作通過對預(yù)浸帶壓接過程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，從理論上分析壓接工藝參數(shù)對續(xù)接能力的影響，為研制更合理的壓接工藝參數(shù)提供一定的指導(dǎo)。

1 熱壓接工藝

鋪纏成型時(shí)，預(yù)浸帶在放卷結(jié)束后更換新帶料盤，在一定的壓力溫度環(huán)境下將新預(yù)浸帶首部與原預(yù)浸帶的尾部熱壓。一方面，表面粗糙不平的預(yù)浸帶在壓力的作用下易發(fā)生機(jī)械互鎖；另一方面，預(yù)浸帶受熱黏流、樹脂擴(kuò)散流動可使兩層預(yù)浸帶間形成一個(gè)結(jié)合界面，從而產(chǎn)生續(xù)接強(qiáng)度。

傳統(tǒng)的續(xù)接方法采用手指擠壓或手工縫合的方式對新舊預(yù)浸帶的首尾兩端續(xù)接，很大程度上取決于操作者的熟練程度和樹脂本身特性，給續(xù)接過程帶來明顯的不穩(wěn)定性，花費(fèi)時(shí)間較長，降低了復(fù)合材料自動成型效率?？焖贌釅航蛹夹g(shù)具有以下優(yōu)勢：①不改變復(fù)合材料結(jié)構(gòu)；②減小應(yīng)力集中和縮短接頭長度；③減少加工工序、節(jié)省了時(shí)間，從而提高了效率；④提高制品的質(zhì)量與強(qiáng)度。

為保證制品質(zhì)量不受續(xù)接過程影響，需在續(xù)接前保持原預(yù)浸帶的張力，且續(xù)接后的預(yù)浸帶在其熱壓接處必須滿足繼續(xù)加工的張力要求。

2 熱壓接模型分析

預(yù)浸料是在嚴(yán)格控制工藝的條件下使用樹脂基體浸漬連續(xù)纖維或織物制成的復(fù)合材料中間材料，未固化的樹脂在常溫下為固態(tài)／假固態(tài)，而加熱后熔融黏流。圖1所示為采用熱熔法制備的預(yù)浸料表面，可見其表面分布有不均勻的“島”狀樹脂。

圖1 預(yù)浸帶表面樹脂分布Fig.1 Distribution of resin on prepreg surface

預(yù)浸帶制作工藝過程使得它不可避免地存在微氣孔和纖維未完全浸潤樹脂等問題，通過一定的溫度和壓力作用，樹脂黏度降低，改善潤濕并且通過滲流等降低微氣孔。為保證續(xù)接后的預(yù)浸帶能繼續(xù)加熱鋪覆至模具表面或上一鋪層，預(yù)浸帶搭接處須在適當(dāng)?shù)臏囟葔毫Ψ秶鷥?nèi)形成穩(wěn)定相容的界面層以傳遞鋪纏過程中預(yù)浸帶所承受的拉伸載荷，忽略樹脂在預(yù)浸帶纖維間的運(yùn)動，該界面層可認(rèn)為是預(yù)浸帶表面樹脂“島”在預(yù)浸帶間浸潤生長形成。

Gutowski等［15］對鋪放過程的研究表明，正是這些樹脂“島”在預(yù)浸帶與基板之間浸潤生長（雖然接觸面積只有大約5%～25%）保證了預(yù)浸帶與基板的可靠黏結(jié)。將這一原理拓展到熱壓接，在忽略樹脂在纖維間滲透的前提下，壓接力F作用于壓接區(qū)域樹脂“島”，樹脂在預(yù)浸帶間的浸潤生長形成結(jié)合。為研究方便，可進(jìn)一步簡化為圓柱狀樹脂流體在平行板之間的擠壓流動，如圖2所示。

圖2 樹脂流體在平行板間的擠壓流動［16］Fig.2 Squeezing flow of resin patch under parallel plates［16］

熱壓接工藝采用電熱板將電能轉(zhuǎn)換成熱能，在外部壓力作用下利用熱傳導(dǎo)的傳熱方式將熱能傳遞給續(xù)接處的預(yù)浸帶使其升溫，平行板的板長為新舊預(yù)浸帶的續(xù)接長度。

Tadmor和Gogos［16］提出了冪律模型流體在平行板間的擠壓流動模型，得出Scott方程：

根據(jù)流體體積不可壓原理V為常數(shù)，對式（4）兩邊積分得到：

式中：H（0）表示初始時(shí)刻柱體高度；H（t）表示任意時(shí)刻柱體高度，可得

再一次應(yīng)用流體體積不可壓原理，即V＝A（0）H（0）＝A（t）H（t），其中A（0）表示初始時(shí)刻柱體潤濕底面積，A（t）表示任意時(shí)刻柱體潤濕底面積，可得

續(xù)接性能由潤濕部分的樹脂內(nèi)聚力決定，正比于潤濕面積。根據(jù)式（7），續(xù)接性能與壓力F、熱壓接時(shí)間t、樹脂黏度μ及樹脂“島”的初始面積A（0）有關(guān)，并符合下述規(guī)律：續(xù)接性能隨壓接壓力F和壓接時(shí)間t的增加而提高。

由于樹脂黏度μ依賴樹脂溫度T并遵循Arrhenius方程［17］：

式中：E為活化能；A和R為常數(shù)，因此續(xù)接性能隨壓接溫度的上升而提高。

增加續(xù)接長度L，A（0）也增加，續(xù)接性能隨之提高。

3 續(xù)接實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證續(xù)接性能與以上參數(shù)理論分析結(jié)果，實(shí)驗(yàn)采用酚醛樹脂含膠量為38%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的玻璃纖維織物／酚醛樹脂預(yù)浸帶（664／B30），在室溫23℃，相對濕度50%環(huán)境下，進(jìn)行不同壓力、溫度、時(shí)間和續(xù)接長度下的預(yù)浸帶熱壓接實(shí)驗(yàn)。

由于成型張力是指預(yù)浸帶從開卷到芯模上的整個(gè)成型過程中受到的拉力，一方面，它可以使預(yù)浸帶拉直、均勻地承受載荷；另一方面，還可使纏繞制品上預(yù)浸帶層間加壓粘接、驅(qū)除氣泡并使制品更加致密，同時(shí)也有利于樹脂滲透；因此，在平行于續(xù)接界面層軸向的拉伸載荷作用下，采用拉伸實(shí)驗(yàn)測得的破壞載荷表征預(yù)浸帶的續(xù)接性能。

試件的結(jié)構(gòu)如圖3所示，試件為單搭接接頭，寬度為40mm，單邊長度為150mm，單邊厚度為0.35mm。在實(shí)驗(yàn)室CMT5105型電子萬能拉伸機(jī)上以2mm／min的移動速率，室溫23℃環(huán)境下施加載荷，為使施加的拉伸載荷成功地引入試件和防止試件由于明顯的不連續(xù)而引起提前破壞，在試件的兩端各加一組加強(qiáng)片。

圖3 熱壓接試件結(jié)構(gòu)Fig.3 Configuration of the specimen by hot－press

3.1 續(xù)接壓力對續(xù)接性能的影響

續(xù)接壓力的施加采用氣缸直接加壓方式，以更好地模擬真實(shí)熱壓接（該方式具有體積小、成本低、驅(qū)動及響應(yīng)速度較快的特點(diǎn)，且容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制），通過調(diào)節(jié)氣缸壓力來實(shí)現(xiàn)不同續(xù)接壓力的控制。在續(xù)接溫度34℃、續(xù)接時(shí)間5s、續(xù)接長度70mm條件下，調(diào)節(jié)續(xù)接壓力為0.2，0.3，0.4，0.5，0.6MPa，續(xù)接后的預(yù)浸帶拉伸破壞載荷如圖4所示。

圖4 續(xù)接壓力對拉伸破壞載荷的影響Fig.4 Effect of lap pressure on tensile failure load

由圖4可看出，續(xù)接預(yù)浸帶的拉伸破壞載荷隨續(xù)接壓力的增加而增大，即樹脂在預(yù)浸帶平行板之間的浸潤面積增加，續(xù)接性能得到提升，這一結(jié)果與理論分析相一致。

3.2 續(xù)接溫度對續(xù)接性能的影響

熱壓接采用熱傳導(dǎo)方式加熱預(yù)浸帶，續(xù)接溫度增加，樹脂黏度降低。為防止加熱引起預(yù)浸帶交聯(lián)，一般對預(yù)浸帶加熱溫度控制在26～43℃范圍內(nèi)，取續(xù)接壓力0.5MPa、續(xù)接時(shí)間5s、續(xù)接長度70mm條件下，調(diào)節(jié)續(xù)接溫度為30，32，34，36，38℃，續(xù)接后的預(yù)浸帶拉伸破壞載荷如圖5所示。

圖5 續(xù)接溫度對拉伸破壞載荷的影響Fig.5 Effect of lap temperature on tensile failure load

由圖5可見，續(xù)接預(yù)浸帶的拉伸破壞載荷隨續(xù)接溫度的升高呈顯著遞增趨勢，這是因?yàn)闃渲ざ入S溫度升高而降低，樹脂流動性加強(qiáng)，從而樹脂在預(yù)浸帶平行板之間的浸潤面積增加，續(xù)接預(yù)浸帶間的黏結(jié)程度也逐漸增強(qiáng)，續(xù)接性能得到提升。

3.3 續(xù)接時(shí)間對續(xù)接性能的影響

實(shí)驗(yàn)選擇在續(xù)接氣缸壓力0.5MPa、續(xù)接溫度34℃、續(xù)接長度70mm條件下，調(diào)節(jié)續(xù)接時(shí)間為5，10，15，20，25s，續(xù)接后預(yù)浸帶拉伸破壞載荷如圖6所示。

圖6 續(xù)接時(shí)間對拉伸破壞載荷的影響Fig.6 Effect of lap time on tensile failure load

由圖6可看出，續(xù)接預(yù)浸帶的拉伸破壞載荷隨續(xù)接時(shí)間的延長而增大。隨著時(shí)間的延長，樹脂在溫度壓力作用下逐漸浸潤生長，在預(yù)浸帶平行板之間的浸潤面積越大，預(yù)浸帶間的黏結(jié)程度越高，續(xù)接性能隨之提高。

3.4 續(xù)接長度對續(xù)接性能的影響

選取續(xù)接壓力0.5MPa、續(xù)接溫度34℃、續(xù)接時(shí)間5s進(jìn)行預(yù)浸帶熱壓接實(shí)驗(yàn)，考慮不同續(xù)接長度對續(xù)接預(yù)浸帶拉伸破壞載荷的影響，分別調(diào)節(jié)續(xù)接長度為50，60，70，80，90mm，續(xù)接后預(yù)浸帶拉伸破壞載荷如圖7所示。

圖7 續(xù)接長度對拉伸破壞載荷的影響Fig.7 Effect of lap length on tensile failure load

由圖7可看出，續(xù)接預(yù)浸帶的拉伸破壞載荷隨續(xù)接長度的增加而增大。當(dāng)續(xù)接長度增加時(shí)，續(xù)接處的樹脂分布相應(yīng)增多，在溫度及壓力作用下，樹脂流動擴(kuò)散，在預(yù)浸帶平行板之間的浸潤總面積隨之增長，續(xù)接預(yù)浸帶性能得到提高。

4 結(jié)論

（1）通過對預(yù)浸帶快速熱壓接分析，提出續(xù)接預(yù)浸帶間的貼合可視為樹脂“島”在平板預(yù)浸帶間受擠壓流動從而形成界面層的過程，將鋪放黏合模型應(yīng)用于熱壓接分析。

（2）應(yīng)用冪律模型獲得流體在平板擠壓下的流體力學(xué)方程，并得出樹脂浸潤面積受續(xù)接壓力、樹脂黏度、續(xù)接溫度、續(xù)接時(shí)間和續(xù)接長度的影響關(guān)系。

（3）熱壓接后的預(yù)浸帶性能隨續(xù)接壓力的增大（0.2～0.6MPa）、續(xù)接溫度的升高（30～38℃）、續(xù)接時(shí)間（5～25s）和續(xù)接長度（50～90mm）的增加而提高，符合冪律模型分析結(jié)果。

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