復(fù)合材料預(yù)浸帶自動(dòng)鋪放適宜性試驗(yàn)研究

華中科技大學(xué)數(shù)學(xué)制造裝備與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 張 鵬 孫容磊 黃文宗

先進(jìn)復(fù)合材料具有輕質(zhì)量、高強(qiáng)度、高模量、結(jié)構(gòu)功能一體化和設(shè)計(jì)制造一體化、易于成型為大型構(gòu)件等優(yōu)點(diǎn)，在導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭和航天器上應(yīng)用越來(lái)越普遍，在新一代航天產(chǎn)品上的應(yīng)用將更加廣泛，是一種重要的航天主結(jié)構(gòu)材料。作為21世紀(jì)的主導(dǎo)材料，先進(jìn)復(fù)合材料已經(jīng)滲透至交通、能源、國(guó)防等諸多領(lǐng)域，是世界各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的對(duì)象。

盡管先進(jìn)復(fù)合材料有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，但先進(jìn)復(fù)合材料過(guò)高的設(shè)計(jì)與制造成本嚴(yán)重制約了其推廣與應(yīng)用，使得先進(jìn)復(fù)合材料巨大的優(yōu)越性在很大程度上難以充分發(fā)揮出來(lái)。因此，低成本的制造技術(shù)仍是復(fù)合材料發(fā)展中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題[1]。自動(dòng)鋪放技術(shù)是實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料“低成本、高性能、高效率”制造的重要途徑，在航空航天高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造中應(yīng)用極為廣泛[2-4]。自動(dòng)鋪放技術(shù)分為自動(dòng)鋪帶技術(shù)與自動(dòng)鋪絲技術(shù)[5]。

自動(dòng)鋪帶技術(shù)以帶有背襯紙的單向預(yù)浸帶為原料，在切割區(qū)域完成預(yù)定形狀的切割，經(jīng)加熱后，在壓輥的作用下直接鋪貼到模具或者上一層預(yù)浸帶表面[6]。對(duì)一種型號(hào)的預(yù)浸帶，黏性與鋪覆性是評(píng)價(jià)其鋪放適宜性的重要指標(biāo)，而鋪放適宜性對(duì)鋪放工藝過(guò)程成功與否有重要影響。因此，研究預(yù)浸帶黏性及鋪覆性，并分析鋪放工藝參數(shù)對(duì)黏性及鋪覆性的影響具有工程意義。

預(yù)浸帶黏性與鋪覆性

預(yù)浸帶黏性是指預(yù)浸帶與模具或其他預(yù)浸料之間形成粘接的能力[7]。預(yù)浸帶黏性必須適中，若預(yù)浸帶黏性過(guò)小，則相鄰鋪層之間無(wú)法順利貼合，這將嚴(yán)重影響鋪放過(guò)程以及最終構(gòu)件的質(zhì)量；若預(yù)浸帶黏性過(guò)大，則鋪層失誤后無(wú)法順利修改。

預(yù)浸帶鋪覆性是指預(yù)浸帶適應(yīng)于不同曲率模具曲面的能力[7]。預(yù)浸帶必須有較好的鋪覆性，若預(yù)浸帶鋪覆性太差，則預(yù)浸帶容易在模具凹形區(qū)域形成架橋，導(dǎo)致鋪層失敗。圖1所示為預(yù)浸帶在凹形區(qū)域表面形成架橋。

圖1 預(yù)浸帶在模具凹形區(qū)域上方形成架橋

通過(guò)觀察與分析，可以將鋪放過(guò)程中預(yù)浸帶的行為分為兩個(gè)獨(dú)立的階段。第一階段是預(yù)浸帶在外力作用下發(fā)生變形從而適應(yīng)帶曲率的模具曲面；第二階段是預(yù)浸帶依靠表面樹(shù)脂貼合于模具或上一層預(yù)浸帶，如圖2所示。

由預(yù)浸帶黏性、鋪覆性的定義可知第一階段預(yù)浸帶變形僅涉及到鋪覆性，而第二階段預(yù)浸帶貼合僅涉及到黏性，這說(shuō)明預(yù)浸帶的黏性與鋪覆性可以分開(kāi)研究。根據(jù)以上分析，為考察工藝參數(shù)對(duì)預(yù)浸帶黏性的影響，必須在工藝參數(shù)試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)預(yù)浸帶的貼合（與模具或其他預(yù)浸帶），而為考察工藝參數(shù)對(duì)預(yù)浸帶鋪覆性的影響，必須在工藝參數(shù)試驗(yàn)中引入預(yù)浸帶的變形。

試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)采用的預(yù)浸帶為北京航空材料研究所提供的75mm寬的5228/T700高溫環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸帶。試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)室環(huán)境溫度為25℃，相對(duì)濕度為50%。預(yù)浸帶從冰箱取出后在試驗(yàn)室環(huán)境中放置時(shí)間為60min。

1 預(yù)浸帶黏性試驗(yàn)

通過(guò)剝離試驗(yàn)研究工藝參數(shù)對(duì)預(yù)浸帶黏性的影響，以平均剝離力作為量化預(yù)浸帶黏性的指標(biāo)，平均剝離力越大表示預(yù)浸帶黏性越大。為了實(shí)現(xiàn)兩層預(yù)浸帶在不同工藝參數(shù)組合下的貼合，開(kāi)發(fā)了自動(dòng)鋪帶工藝參數(shù)試驗(yàn)平臺(tái)，如圖3所示。

該試驗(yàn)平臺(tái)由速度提供單元、壓力提供單元、溫度提供單元、工作臺(tái)、控制器組成。速度提供單元包括伺服電機(jī)、絲桿、導(dǎo)軌等。壓力提供單元包括步進(jìn)電機(jī)、壓力傳感器、柔性壓輥等。溫度提供單元包括加熱電阻絲、智能溫度控制儀等，加熱電阻絲位于工作臺(tái)內(nèi)，通過(guò)調(diào)節(jié)溫度控制儀可改變工作臺(tái)溫度。試驗(yàn)平臺(tái)可提供的工藝參數(shù)范圍如表1所示。如無(wú)特別說(shuō)明，預(yù)浸帶黏性試驗(yàn)中試驗(yàn)平臺(tái)工藝參數(shù)設(shè)定如表2所示。

預(yù)浸帶尺寸為75mm×150mm，兩層預(yù)浸帶在試驗(yàn)平臺(tái)上貼合后進(jìn)行剝離試驗(yàn)，繪制剝離曲線，計(jì)算平均剝離力。剝離試驗(yàn)在三思公司提供的UTM6102型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)及配套剝離夾具上進(jìn)行，剝離速率設(shè)定為50mm/min。

2 預(yù)浸帶鋪覆性試驗(yàn)

通過(guò)3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究工藝參數(shù)對(duì)預(yù)浸帶彎曲變形的影響，以預(yù)浸帶彎曲變形產(chǎn)生的最大彎曲力作為量化預(yù)浸帶鋪覆性的指標(biāo)，最大彎曲力越大表示預(yù)浸帶鋪覆性越差。

如無(wú)特別說(shuō)明，3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

試驗(yàn)結(jié)果

1 工藝參數(shù)對(duì)預(yù)浸帶黏性的影響

圖2 鋪放過(guò)程中預(yù)浸帶行為分為2個(gè)階段

圖3 自動(dòng)鋪帶工藝參數(shù)試驗(yàn)平臺(tái)

表1 試驗(yàn)平臺(tái)工藝參數(shù)可調(diào)節(jié)范圍

表2 預(yù)浸帶黏性實(shí)驗(yàn)中試驗(yàn)平臺(tái)工藝參數(shù)設(shè)定值

表3 3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)參數(shù)

圖4 鋪放壓力對(duì)平均剝離力的影響

圖5 模具溫度對(duì)平均剝離力的影響

圖6 鋪放速率對(duì)平均剝離力的影響

（1）鋪放壓力對(duì)預(yù)浸帶黏性的影響。試驗(yàn)平臺(tái)鋪放壓力設(shè)定為100N、300N、500N、700N、900N，其他工藝參數(shù)見(jiàn)表2，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出兩層預(yù)浸帶的平均剝離力隨鋪放壓力增大而增大，即預(yù)浸帶黏性會(huì)隨鋪放壓力增大而提高。這是由于鋪放壓力增大有利于預(yù)浸帶表面樹(shù)脂流動(dòng)從而更多地?cái)D出兩層預(yù)浸帶間的空氣[8]。

（2）模具溫度對(duì)預(yù)浸帶黏性的影響。

試驗(yàn)平臺(tái)模具溫度設(shè)定為 30℃、33℃、36℃、39℃、42℃，其他工藝參數(shù)如表2，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5所示。

由圖5可以看出兩層預(yù)浸帶的平均剝離力隨模具溫度升高而增大，即預(yù)浸帶黏性會(huì)隨模具溫度升高而提高。模具溫度改變主要引起預(yù)浸帶表面樹(shù)脂黏度與流動(dòng)度發(fā)生改變，導(dǎo)致預(yù)浸帶黏性發(fā)生改變。

（3）鋪放速率對(duì)預(yù)浸帶黏性的影響。

試驗(yàn)平臺(tái)鋪放速率設(shè)定為 1m/min、5m/min、10m/min、15m/min、20m/min，其他工藝參數(shù)見(jiàn)表2，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出兩層預(yù)浸帶的平均剝離力隨鋪放速率增大而減小，即預(yù)浸帶黏性會(huì)隨鋪放速率增大而降低。鋪放速率增大時(shí)，壓輥在預(yù)浸帶同一區(qū)域上的停留時(shí)間變短，不利于樹(shù)脂在兩層預(yù)浸帶間流動(dòng)，導(dǎo)致預(yù)浸帶黏性降低。

2 工藝參數(shù)對(duì)預(yù)浸帶鋪覆性的影響

（1）加載速率對(duì)預(yù)浸帶鋪覆性的影響。

3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)壓頭加載速率設(shè)定為 5、10、15、20、25mm/min，其他工藝參數(shù)如表3，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出最大彎曲力隨加載速率增大而增大，即預(yù)浸帶鋪覆性會(huì)隨加載速率增大而降低。當(dāng)預(yù)浸帶鋪放到帶曲率模具表面時(shí)，預(yù)浸帶發(fā)生彎曲的加載速率與鋪放速率密切相關(guān)，這表示鋪覆性與加載速率之間的關(guān)系可以在一定程度上反映鋪覆性與鋪放速率之間的關(guān)系。

（2） 加熱溫度對(duì)預(yù)浸帶鋪覆性的影響。

采用熱風(fēng)槍對(duì)3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中預(yù)浸帶進(jìn)行加熱，熱風(fēng)槍距預(yù)浸帶加載位置15mm。熱風(fēng)槍熱風(fēng)溫度設(shè)定為 50℃、70℃、90℃、110℃、130℃，其他工藝參數(shù)見(jiàn)表3，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

由圖8可以看出最大彎曲力隨熱風(fēng)溫度增大而減小，即預(yù)浸帶鋪覆性會(huì)隨熱風(fēng)溫度增大而提高。

（3）濕度對(duì)預(yù)浸帶鋪覆性的影響。

將預(yù)浸帶置于蒸餾水中浸泡60min，再進(jìn)行3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，并與未浸泡的樣品作比較，試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

可以看出浸水（增加預(yù)浸帶濕度）可以顯著減小預(yù)浸帶彎曲力，提高預(yù)浸帶的鋪覆性。

（4）老化時(shí)間對(duì)預(yù)浸帶鋪覆性的影響。

為考察老化時(shí)間對(duì)預(yù)浸帶鋪覆性的影響，將五條預(yù)浸帶在試驗(yàn)室環(huán)境中分別放置 1、2、3、4、5 天后，再進(jìn)行3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖10。

由圖10可以看出最大彎曲力隨老化時(shí)間增大而增大，即預(yù)浸帶鋪覆性會(huì)隨老化時(shí)間增大而降低。

3 工藝參數(shù)對(duì)預(yù)浸帶鋪放適宜性的影響

對(duì)于平面自動(dòng)鋪帶，鋪放適宜性僅涉及到黏性，而對(duì)于曲面自動(dòng)鋪帶，鋪放適宜性涉及到黏性及鋪覆性。由于多數(shù)自動(dòng)鋪帶構(gòu)件都是帶有一定曲率的，因此研究工藝參數(shù)對(duì)鋪放適宜性影響時(shí)，必須同時(shí)考慮其對(duì)黏性以及鋪覆性的影響。工藝參數(shù)對(duì)預(yù)浸帶鋪放適宜性的影響如表4所示。

預(yù)浸帶黏性與鋪覆性試驗(yàn)的工程意義

圖7 壓頭加載速率對(duì)最大彎曲力的影響

圖8 熱風(fēng)溫度對(duì)最大彎曲力的影響

圖9 濕度對(duì)最大彎曲力的影響

圖10 老化時(shí)間對(duì)最大彎曲力的影響

表4 工藝參數(shù)對(duì)鋪放適宜性的影響

通過(guò)試驗(yàn)得到了鋪放壓力、鋪放速度等諸多工藝參數(shù)影響預(yù)浸帶鋪放適宜性的規(guī)律。在鋪放過(guò)程中，若預(yù)浸帶鋪放適宜性過(guò)差導(dǎo)致出現(xiàn)滑移或架橋，則可以考慮降低鋪放速度、增大鋪放壓力或提高加熱溫度。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，商用鋪帶機(jī)一般運(yùn)行在能夠保證鋪放精度的最高鋪放速率下以提高生產(chǎn)效率。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中預(yù)浸帶鋪放適宜性過(guò)差時(shí)，需要優(yōu)先考慮提高加熱溫度與增大鋪放壓力。然而，提高溫度會(huì)增加預(yù)浸料發(fā)生老化的趨勢(shì)[9]；鋪放壓力過(guò)大時(shí)，預(yù)浸料會(huì)發(fā)生較大變形，嚴(yán)重影響鋪帶質(zhì)量，且鋪帶機(jī)或者模具有可能因無(wú)法承受過(guò)大壓力而導(dǎo)致變形甚至破壞[10]。綜上所述，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中預(yù)浸帶鋪放適宜性過(guò)差時(shí)復(fù)材構(gòu)件制造廠商一個(gè)較為合理的做法是保持鋪放速率不變，在預(yù)浸帶工藝窗口內(nèi)，提高加熱溫度或增大鋪放壓力。

結(jié)論

（1）在自動(dòng)鋪帶工藝參數(shù)試驗(yàn)平臺(tái)上針對(duì)5228/T700高溫環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸帶進(jìn)行一系列黏性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明預(yù)浸帶黏性隨鋪放速率增大而降低，隨鋪放壓力增大與加熱溫度升高而提高。

（2）在 UTM6102型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行一系列鋪覆性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明預(yù)浸帶鋪覆性隨加熱溫度升高而提高，隨鋪放速率與老化時(shí)間增大而降低。

（3）鋪放過(guò)程中為提高預(yù)浸帶鋪放適宜性可以降低鋪放速度、增大鋪放壓力或提高加熱溫度，而在實(shí)際生產(chǎn)中，鋪放壓力與加熱溫度是優(yōu)先考慮改變的因素。

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