復(fù)合材料纖維鋪放技術(shù)現(xiàn)狀與研究進(jìn)展

河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院　馮磊強(qiáng)

復(fù)合材料纖維鋪放技術(shù)現(xiàn)狀與研究進(jìn)展

河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院馮磊強(qiáng)

復(fù)合材料是近年來新材料技術(shù)中備受關(guān)注的種類。纖維鋪放技術(shù)作為復(fù)合材料成型自動(dòng)化的典型代表，已成為飛機(jī)復(fù)合材料翼面壁板技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，大飛機(jī)項(xiàng)目已經(jīng)立項(xiàng)，纖維技術(shù)必將成為我國提高飛機(jī)復(fù)合材料用量的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本文介紹了纖維鋪放技術(shù)的成型原理及特點(diǎn)，分析了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，最后展望了纖維鋪放技術(shù)在我國的發(fā)展前景。

復(fù)合材料；纖維鋪放；展望

1引言

先進(jìn)復(fù)合材料比傳統(tǒng)材料具有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如輕質(zhì)量、高強(qiáng)度、低密度、高模量、抗疲勞、耐腐蝕、設(shè)計(jì)制造一體化等等。復(fù)合材料對減輕結(jié)構(gòu)重量、提高經(jīng)濟(jì)性和可靠性具有不可替代的作用。復(fù)合材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于制造領(lǐng)域，尤其是航空航天領(lǐng)域，在航空航天設(shè)備上的用量和應(yīng)用部位已經(jīng)成為衡量航空航天器結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一［1］。

2纖維鋪放技術(shù)的成型原理和特點(diǎn)

纖維鋪放技術(shù)是樹脂基復(fù)合材料制造技術(shù)中的一種，其工作原理是將連續(xù)的纖維絲束或纖維帶通過預(yù)浸膠或樹脂之后，按照設(shè)定好的路徑鋪放到芯模上，最后在一定溫度下固化，制成所需形狀的制品［2］。復(fù)合材料纖維鋪放成型技術(shù)（Fiber placement FP）是自動(dòng)窄帶鋪放成型技術(shù)（Automanted tep placement，ATP）和自動(dòng)鋪絲束成型技術(shù)（Automated towplacement，ATP）的總稱。纖維鋪放技術(shù)的成型工藝是在纖維鋪放機(jī)上將平行的纖維絲束或纖維帶預(yù)浸處理，通過鋪放頭裝置將預(yù)浸過的纖維束壓到需要加工的工件或芯模表面。纖維鋪放與纖維纏繞和帶鋪放不同，它不是按照測地線在芯模或模具上布紗；纖維鋪放可精確控制絲束寬度，且各絲束可單獨(dú)鋪放，通過切斷、重續(xù)等工序控制鋪放厚度的增減［3］。此外，纖維絲束是通過纖維鋪放機(jī)上的鋪放頭壓在模具上的，能保證鋪放每一層緊密貼合避免出現(xiàn)分層現(xiàn)象?？偨Y(jié)纖維鋪放技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有：

（1）通過鋪絲頭剪斷絲束、重新開始等，可以對鋪放厚度進(jìn)行精確控制；

（2）工藝過程中鋪絲頭可調(diào)節(jié)施加力，實(shí)時(shí)加壓密實(shí)；

（3）鋪放精度高，不易出現(xiàn)孔隙；

（4）纖維鋪放角度可以調(diào)節(jié)，不受限制；

（5）鋪放材料利用率高，浪費(fèi)少。

3纖維鋪放技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3.1國外纖維鋪放技術(shù)的發(fā)展

纖維鋪放技術(shù)首先在西方發(fā)達(dá)國家出現(xiàn)，早在20世紀(jì)90年代末、21世紀(jì)初，國外就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對一些工業(yè)常用異型件的軌跡規(guī)劃和鋪放成型，例如彎頭、三通管道等。與此同時(shí)，在鋪放軌跡設(shè)計(jì)理論方面也取得了不錯(cuò)的研究成果，研究表明鋪放軌跡影響著芯模表面絲束的排線精度、芯模表面絲束的布滿效果、鋪放機(jī)的運(yùn)行軌跡以及鋪放制品的質(zhì)量，因此在設(shè)計(jì)纖維鋪放軌跡時(shí)，必須保證纖維絲束能夠均勻緊密地鋪放在芯模表面，不能出現(xiàn)孔隙或分層的現(xiàn)象。以芯模方程為研究基礎(chǔ)，西方學(xué)者對鋪放軌跡展開了更加深入的研究，提出了鋪放軌跡設(shè)計(jì)方案，并對其進(jìn)行了后期完善，該方案可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定的鋪放角和芯模表面的摩擦系數(shù)設(shè)計(jì)出穩(wěn)定的鋪放軌跡。從近年來國外學(xué)者發(fā)表的學(xué)術(shù)論文可以看出，國外目前的研究內(nèi)容主要集中在鋪放工藝、鋪放張力、鋪放角、膠溫各個(gè)參數(shù)對鋪放制品性能的影響。

3.2國內(nèi)纖維鋪放技術(shù)的發(fā)展

我國的纖維鋪放技術(shù)還處于起步階段，在對異型件的鋪放布滿研究領(lǐng)域相對于國外還比較落后，目前還不能實(shí)現(xiàn)在數(shù)控鋪放機(jī)上對工業(yè)常用的異型件進(jìn)行鋪放布滿，如飛機(jī)進(jìn)氣道、葉片、三通管等。雖然對三通管的鋪放成型進(jìn)行了探索性研究，但是三通管拐角部位的鋪放布滿問題一直未得到徹底的解決，有關(guān)技術(shù)的研究亟待加強(qiáng)。目前國內(nèi)在研究纖維鋪放軌跡后置處理方面，運(yùn)用參數(shù)化鋪放軌跡的后置處理方法。和國外鋪放軌跡設(shè)計(jì)方案研究基礎(chǔ)相同，參數(shù)化鋪放軌跡后置處理方法也是基于芯模方程的基礎(chǔ)上，通過出絲點(diǎn)軌跡方程的坐標(biāo)變換來求取鋪放機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡。由于參數(shù)化鋪放軌跡后置處理方法依賴于芯模方程，使得其應(yīng)用范圍限制在芯模方程能夠表達(dá)芯模的鋪放軌跡后置處理上，而無法對異型件的鋪放軌跡后置進(jìn)行處理實(shí)施，所以異型件鋪放軌跡的后置處理問題也是我國鋪放成型領(lǐng)域?qū)W者專家亟待研究解決的重點(diǎn)問題［4］。

4總結(jié)

目前，我國正在啟動(dòng)實(shí)施大飛機(jī)重大項(xiàng)目，航空復(fù)合材料構(gòu)件制造對纖維自動(dòng)鋪絲技術(shù)有迫切需求，而我國在纖維自動(dòng)鋪放技術(shù)基本上還處于起步階段，和國際先進(jìn)水平存在有較大差距。本文對纖維鋪放技術(shù)的鋪放成型工藝原理、國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨向進(jìn)行了介紹與討論，以期對我國纖維鋪放技術(shù)的研究有所幫助。

［1］王恩青，張斌.復(fù)合材料在航空航天中的發(fā)展現(xiàn)狀和未來展望［J］.科技信息，2011，33：290.

［2］GoubaltP，MayesS.Comparativeanalysismetaland composite materials for the primary structure of a patrol boat. Naval Engineers Journal.1996.

［3］葉長青，楊青芳.樹脂基復(fù)合材料成型工藝的發(fā)展［J］.粘接，2009，05：66-70.

［4］蘇峰，于柏峰，賀晶，孫麗娜.纖維纏繞設(shè)備的創(chuàng)新和發(fā)展［J］.纖維復(fù)合材料，2008，01：49-51.