基于探針試驗的預(yù)浸料黏性內(nèi)聚力模型

舒展，彭嘯，李發(fā)飛，徐強(qiáng)

浙江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 流體動力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點實驗室，杭州 310027

先進(jìn)復(fù)合材料因其性能優(yōu)異而在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2]，高效、低成本制造技術(shù)是復(fù)合材料進(jìn)一步推廣的關(guān)鍵[3]，自動鋪放是復(fù)合材料制造技術(shù)的核心組成部分[4-5]。預(yù)浸料是自動鋪放的原材料，在黏性的作用下，預(yù)浸料逐層鋪貼到模具表面[6-7]，合適的黏性是高質(zhì)量成型的基本保障，黏性不足易產(chǎn)生滑移、架橋等鋪放缺陷，黏性過大既不利于預(yù)浸料與背襯紙脫離，也不利于鋪層有誤時調(diào)整重鋪[8-9]。因此，研究預(yù)浸料的黏性行為對自動鋪放有重大工程意義。

國內(nèi)外學(xué)者借鑒壓敏膠(Pressure Sensitive Adhesive, PSA)黏性的測定方法[10]，發(fā)展了一系列定量測定預(yù)浸料黏性的方法，主要有剝離試驗法[11-18]、壓/拉試驗法[19]和探針試驗法[20]。相比其他方法，剝離試驗法常被用來研究鋪放工藝參數(shù)對黏性的影響規(guī)律。Banks等[11]采用懸浮壓輥剝離試驗法研究了不同固化程度的預(yù)浸料剝離斷裂能的變化規(guī)律；Brooks和Platt[12]以及黃文宗等[13]利用T剝離研究了鋪放速率、壓力和溫度等對預(yù)浸料黏性(平均剝離力)的影響規(guī)律。然而，剝離試驗往往難以獲得預(yù)浸料固有的黏性，因為平均剝離力除預(yù)浸料自身脫粘力之外，還包括預(yù)浸料的彎曲變形力。由于增強(qiáng)纖維的存在，預(yù)浸料剛度對黏性測定的干擾作用更加突出。針對這一問題，Crossley等[14]開發(fā)了一套可以同時鋪放和剝離的鋪放/剝離裝置，研究了預(yù)浸料黏性和剛度隨工藝參數(shù)的變化規(guī)律，但受壓輥摩擦力的作用易產(chǎn)生負(fù)黏性值；另一方面，鋪放與剝離同時進(jìn)行的設(shè)計導(dǎo)致其鋪放速率研究區(qū)間受限于試驗機(jī)加載速率，與實際鋪放速率工作區(qū)間相差兩個數(shù)量級[17-18]。

與剝離試驗相比，壓/拉試驗和探針試驗的基本原理都是首先讓壓頭(或探針)與預(yù)浸料表面接觸，然后保壓一段時間，最后分離，利用分離能(或分離力)來表征預(yù)浸料的黏性，Ahn[19]和Dubois[20]等分別利用這兩種方法研究了預(yù)浸料的黏性隨保壓時間、保壓大小、分離速率、溫度和老化時間等因素的變化規(guī)律。然而，這些工作沒有考慮實際預(yù)浸料鋪放過程中鋪放工藝參數(shù)對黏性的影響規(guī)律。

目前，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于預(yù)浸料黏性的研究主要集中在如何定量表征和測定黏性，對于預(yù)浸料脫粘時所遵循的力學(xué)規(guī)律尚缺乏認(rèn)識，相比剝離試驗，探針試驗在這一方面有獨特的優(yōu)勢，并且已經(jīng)被用于分析PSA的黏性機(jī)理[21-22]。

本文在現(xiàn)有探針試驗的基礎(chǔ)之上[20,23]，開發(fā)了一套適用于自動鋪放預(yù)浸料黏性測定和分析的探針試驗裝置，利用該裝置得到了預(yù)浸料脫粘過程的應(yīng)力-位移曲線，并采用指數(shù)內(nèi)聚力模型(Cohesive Zone Model, CZM)描述了預(yù)浸料與模具之間的黏性行為。根據(jù)黏性內(nèi)聚力模型和試驗現(xiàn)象分析了預(yù)浸料脫粘的力學(xué)演變過程。利用探針試驗參數(shù)調(diào)控鋪放工藝參數(shù)，研究了預(yù)浸料與模具間的黏性CZM參數(shù)與鋪放速率、壓力和溫度之間的定量關(guān)系，為制定特定鋪放條件下的鋪放工藝規(guī)劃提供參考。

1 探針試驗與自動鋪放過程

1.1 探針試驗

圖1 探針試驗裝置和模型Fig.1 Device and model of probe test

圖2 探針試驗過程Fig.2 Probe test process

如圖1所示，探針試驗在深圳三思縱橫UTM2102電子試驗機(jī)上進(jìn)行，由智能柔性加熱器實現(xiàn)溫度調(diào)控。試驗過程包括下壓、保壓和分離3個階段，如圖2所示。(Ⅰ)下壓(Press)：探針以3 mm/min的速率下壓，與預(yù)浸料產(chǎn)生接觸，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定的保壓大小時停止下壓；(Ⅱ)保壓(Dwell)：保壓一段時間；(Ⅲ)分離(Separation)：探針以60 mm/min的速率分離，直到探針與預(yù)浸料完全脫開。記錄載荷-時間曲線和載荷-位移曲線，利用分離能表征預(yù)浸料的黏性。試驗預(yù)浸料為T700/DS1202自動鋪絲專用預(yù)浸料，其樹脂類型為中低溫固化環(huán)氧樹脂，含量為(40±3)%。試樣厚度為0.125 mm，寬度為6.35 mm，長度為30 mm。探針材料為鋼(與模具相同)，頭部直徑為5 mm；墊片材料為硅橡膠(與壓輥相同)。

1.2 試驗參數(shù)與鋪放工藝參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系

自動鋪放過程中，柔性壓輥在鋪放壓力的作用下產(chǎn)生變形，以一定的鋪放速率從預(yù)浸料表面碾過，預(yù)浸料上某一點的受壓時間與壓輥弦向變形量成正比，與鋪放速率成反比[24]，由此可建立探針保壓時間與鋪放速率之間的對應(yīng)關(guān)系為

(1)

式中：t為保壓時間；l為壓輥弦向變形量；v為鋪放速率。

已有研究表明，壓輥弦向變形量對鋪放壓力的敏感度很低，即使鋪放壓力產(chǎn)生較大的變化，壓輥弦向變形量也基本不變[25]。在實驗室自行設(shè)計的鋪放試驗平臺上測量不同壓力下的壓輥弦向變形量，結(jié)果表明：當(dāng)測試溫度T=20 ℃，壓輥材料為硅橡膠(邵氏硬度為40，對應(yīng)的彈性模量為1.696 MPa)，長度H=135 mm，直徑D=85 mm，鋪放壓力(P1)從200 N變化到1 200 N時，壓輥弦向變形量(l)從30 mm變化到32 mm，相對改變量很小(見圖3)。由此可以保證保壓時間與鋪放速率之間的反比關(guān)系基本上不受其他因素(如鋪放壓力等)的影響。

相關(guān)研究表明，硅橡膠壓輥在長度方向上的壓力分布基本均勻[26]。采用日本富士膠片公司的壓力分布測量系統(tǒng)測量壓輥的壓力分布(鋪放壓力為1 012 N，通過氣缸壓力調(diào)節(jié))，該測量系統(tǒng)通過感壓膠片灰度值與壓強(qiáng)值之間的線性關(guān)系來計算壓力，結(jié)果如圖4所示，可見，其沿長度和寬度方向的壓力分布均比較均勻，由此可以建立探針保壓大小與鋪放壓力之間的對應(yīng)關(guān)系：

(2)

式中：p為鋪放壓強(qiáng)；P2為保壓大??；A=19.63 mm2為探頭面積。

受限于試驗機(jī)的保壓時間精度，本文的鋪放速率研究區(qū)間為20～120 mm/s(對應(yīng)保壓時間為1.5～0.25 s)，雖與目前自動鋪放的最高鋪放速率(1 000 mm/s)仍相差一個數(shù)量級，但比剝離試驗卻提高了一個數(shù)量級。常用鋪放壓強(qiáng)一般在0.05～0.3 MPa之間[27]，對應(yīng)的保壓大小為0.98～5.89 N。鋪放溫度與預(yù)浸料固化溫度有關(guān)，本試驗采用的預(yù)浸料為中低溫固化預(yù)浸料，鋪放溫度相對較低，故設(shè)定試驗溫度的變化區(qū)間為20～45 ℃。最終確定的探針試驗過程參數(shù)與鋪放工藝參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。其中，T1為鋪放溫度；T2為探針試驗溫度。

圖3 壓輥變形Fig.3 Deformation of compaction roller

圖4 壓輥壓力分布Fig.4 Pressure distribution of compaction roller

表1 探針試驗參數(shù)與鋪放工藝參數(shù)的關(guān)系

Table 1 Relationship between probe test parameters and laying process parameters

v/(mm·s-1)t/sp/MPaP1/NP2/NT1/℃T2/℃201.50.05202.50.982020400.750.14051.962525600.50.15607.52.943030800.3750.28103.9335351000.30.251012.54.9140401200.250.312155.894545

2 預(yù)浸料黏性的內(nèi)聚力模型

國內(nèi)外學(xué)者借助剝離試驗研究了鋪放工藝參數(shù)對預(yù)浸料黏性大小(平均剝離力)的影響，但是對于預(yù)浸料的脫粘機(jī)理尚缺乏認(rèn)識，本文在探討工藝參數(shù)對黏性的影響之前，首先采用內(nèi)聚力模型(CZM)描述預(yù)浸料脫粘的力學(xué)行為，然后探討鋪放工藝參數(shù)對黏性CZM參數(shù)的影響。

2.1 幾種常用的內(nèi)聚力模型

內(nèi)聚力模型(CZM)自1960年由Dugdale[28]最早提出，并于1987年經(jīng)Needleman[29]推廣后，在描述界面力學(xué)行為等方面得到廣泛的應(yīng)用[30]，如分析層合板的沖擊損傷[31]、分層失效[32]和界面脫粘[33-34]以及復(fù)材貼片修補[35]和膠結(jié)接頭[36]等。常用的內(nèi)聚力模型包括雙線性CZM、彈塑性CZM、多項式CZM和指數(shù)CZM等[37](見圖5)，其控制方程分述為

1) 雙線性CZM：

(3)

2) 彈塑性CZM：

(4)

3) 多項式CZM(二次)：

(5)

4) 指數(shù)CZM：

(6)

式中：σ為層間應(yīng)力；δ為位移；σmax為粘結(jié)強(qiáng)度；δ0、δ1和δ2為特征位移；δc為臨界位移。

圖5 幾種常用的內(nèi)聚力模型Fig.5 Common Cohesive Zone Models (CZM)

2.2 內(nèi)聚力模型擬合結(jié)果

選取試驗數(shù)據(jù)點相對較多的參數(shù)組合(鋪放速率為60 mm/s，鋪放壓力為810 N，鋪放溫度為35 ℃；對應(yīng)保壓時間為0.5 s，保壓大小為3.93 N，試驗溫度為35 ℃)，利用MATLAB最小二乘擬合工具箱對預(yù)浸料脫粘時的應(yīng)力-位移曲線試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，4種內(nèi)聚力模型的擬合曲線如圖6所示，擬合參數(shù)如表2所示。

圖6 內(nèi)聚力模型擬合曲線與試驗數(shù)據(jù)Fig.6 Fitting curves of CZM and experimental data

表2 內(nèi)聚力模型擬合參數(shù)Table 2 Fitting parameters of CZM

CZMσmax/kPaδ0/mmδ1/mmδ2/mmδc/mmR2Bilinear172.310.120.440.90Elastoplastic147.940.090.160.440.90Polynomial112.160.230.460.46Exponential169.570.130.520.98

可見，指數(shù)內(nèi)聚力模型擬合的曲線與試驗數(shù)據(jù)吻合度最高，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.98。對其他參數(shù)組合下的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行指數(shù)CZM擬合，發(fā)現(xiàn)所有擬合曲線的相關(guān)系數(shù)均在0.96以上，表明采用指數(shù)CZM描述預(yù)浸料的黏性行為比較準(zhǔn)確。

2.3 預(yù)浸料在不同失效模式下的脫粘行為

Crossley等[14]發(fā)現(xiàn)預(yù)浸料與模具間粘結(jié)層的失效模式會隨著溫度變化而發(fā)生改變，在低溫時呈現(xiàn)界面失效，在高溫時呈現(xiàn)內(nèi)聚失效。如圖7所示，本文利用實驗室自行開發(fā)的剝離試驗裝置也觀察到了相同的現(xiàn)象。探針試驗溫度T2在20～30 ℃之間時，模具表面幾乎沒有樹脂殘留，表明失效發(fā)生在界面；T2在35～45 ℃之間時，模具表面有明顯的樹脂殘留，且隨著溫度升高而增多，表明失效發(fā)生在粘結(jié)層樹脂內(nèi)部。

圖7 剝離試驗現(xiàn)象Fig.7 Phenomena of peel test

圖8 探針試驗現(xiàn)象Fig.8 Phenomena of probe test

利用探針試驗也觀察到了類似的現(xiàn)象。如圖8所示，探針試驗溫度T2在20～30 ℃之間，探頭表面與預(yù)浸料表面之間幾乎觀察不到黏性絲，表明失效發(fā)生在界面，同時，預(yù)浸料外形完整，相對較“硬”，揭去預(yù)浸料之后，硅橡膠墊片表面幾乎沒有樹脂殘留，表明預(yù)浸料與探針或者硅橡膠片之間均發(fā)生了界面失效；探針試驗溫度T2在35～45 ℃之間，探頭表面與預(yù)浸料表面之間可觀察到明顯的黏性絲，且其隨著溫度升高而增多，表明失效發(fā)生在粘結(jié)層樹脂內(nèi)部，此外，預(yù)浸料表面出現(xiàn)褶皺，相對較“軟”，揭去預(yù)浸料之后，硅橡膠墊片表面有明顯的的樹脂殘留，且隨著溫度升高而增多，表明預(yù)浸料與探針或者硅橡膠片之間均發(fā)生了內(nèi)聚失效。

可見，在低溫階段，探針與預(yù)浸料間的界面強(qiáng)度小于粘結(jié)層樹脂的內(nèi)聚強(qiáng)度，失效發(fā)生在界面；在高溫階段，內(nèi)聚強(qiáng)度小于界面強(qiáng)度，失效發(fā)生在粘結(jié)層內(nèi)部。對兩種失效模式下的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后發(fā)現(xiàn)(詳見下文)，指數(shù)型CZM均可以較好地描述預(yù)浸料的脫粘行為。

預(yù)浸料脫粘時的應(yīng)力-位移曲線和剛度方程曲線如圖9所示，粘結(jié)層剛度方程的表達(dá)式為

(7)

式中：K為預(yù)浸料粘結(jié)層的切線剛度。

預(yù)浸料脫粘時的分離能大小為

(8)

式中：G為預(yù)浸料脫粘的分離能，其大小與黏性CZM參數(shù)σmax和δ0的乘積呈簡單正比關(guān)系。

結(jié)合曲線圖(見圖9)和預(yù)浸料脫粘行為的具體力學(xué)演變過程(見圖10)， 可將其脫粘過程大致劃分為如下3個階段：①快速上升階段OA, 探針與預(yù)浸料間的粘結(jié)層受拉后產(chǎn)生變形，層間應(yīng)力隨著位移的增加而增大，直至其達(dá)到最大值;②損傷擴(kuò)展階段AB，當(dāng)粘結(jié)層中的應(yīng)力超過粘結(jié)層的強(qiáng)度后，粘結(jié)層產(chǎn)生損傷，并加速擴(kuò)散，導(dǎo)致應(yīng)力隨著位移的增加而快速減小；③最終失效階段BC，當(dāng)損傷擴(kuò)展到一定程度時，擴(kuò)展速率逐漸趨緩，隨著位移的增加，層間應(yīng)力緩慢地趨近于零。

圖9 預(yù)浸料脫粘過程的應(yīng)力-位移曲線和 剛度方程曲線Fig.9 Stress-displacement curve and stiffness equation curve of debonding process of prepreg

圖10 預(yù)浸料在兩種失效模式下的脫粘過程Fig.10 Debonding process of prepreg in two failure modes

3 鋪放工藝參數(shù)對預(yù)浸料黏性行為的影響

3.1 重復(fù)次數(shù)和取樣位置對結(jié)果的影響

探究鋪放工藝參數(shù)對預(yù)浸料黏性行為的影響規(guī)律前，首先確定探針試驗重復(fù)次數(shù)和取樣位置對結(jié)果的影響。設(shè)定鋪放速率為60 mm/s，鋪放壓力為810 N，鋪放溫度為20 ℃(對應(yīng)保壓時間為0.5 s，保壓大小為3.93 N，試驗溫度為20 ℃)；做6組試驗，每組重復(fù)6次，一共36次。組內(nèi)試驗不換樣(同一取樣位置)，連續(xù)重復(fù)6次，探究重復(fù)次數(shù)對結(jié)果的影響；組間試驗換樣(不同取樣位置)，一共取樣6次，探究取樣位置對結(jié)果的影響。試驗結(jié)果如表3所示，各個試樣在6次的重復(fù)試驗中，黏性(分離能)有微小的波動，其隨重復(fù)次數(shù)變化的離散系數(shù)(最后一行)的均值為12.61%，造成這種分散性的主要原因是預(yù)浸料的黏彈性特性；在同一次序的試驗中，不同取樣位置的預(yù)浸料黏性也有差異，其隨取樣位置變化的離散系數(shù)(最后一列)的均值為15.50%，這主要是因為不同取樣位置的預(yù)浸料表面粗糙度、纖維分布和樹脂含量均有所差異。

表3 6個試樣各重復(fù)6次的分離能G(N/m)Table 3 Separation energy of 6 samples repeated for 6 times for each G(N/m)

3.2 鋪放速率對預(yù)浸料黏性行為的影響

圖11 不同鋪放速率下的預(yù)浸料黏性CZM曲線Fig.11 CZM curves of prepreg tack under different lay-up velocities

圖12 預(yù)浸料黏性CZM參數(shù)與鋪放速率之間的關(guān)系Fig.12 Relationship between CZM parameters of prepreg tack and lay-up velocity

鋪放速率直接決定復(fù)合材料鋪放成型效率，一般越大越好，然而，鋪放速率高意味著保壓時間短，使樹脂對模具的浸潤不夠，導(dǎo)致黏性過低而產(chǎn)生滑移等鋪放缺陷。如圖11所示，在鋪放壓力為810 N，鋪放溫度為20 ℃(對應(yīng)保壓大小為3.93 N，試驗溫度為20 ℃)時，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得出不同鋪放速率下的預(yù)浸料黏性CZM曲線。圖12是黏性CZM參數(shù)與鋪放速率之間的關(guān)系，可見，粘結(jié)強(qiáng)度和特征位移均與鋪放速率近似呈線性關(guān)系。當(dāng)鋪放速率增加20 mm/s時，粘結(jié)強(qiáng)度和特征位移分別減少5.6 kPa和0.004 mm。這是因為鋪放速率越高，加壓時間越短，樹脂對模具表面的浸潤效果越差，界面粘結(jié)性能越差。在實際鋪放中，應(yīng)當(dāng)綜合考慮成型效率和黏性的要求，選取合適的鋪放速率。

3.3 鋪放壓力對預(yù)浸料黏性行為的影響

圖13 不同鋪放壓力下的預(yù)浸料黏性CZM曲線Fig.13 CZM curves of prepreg tack under different lay-up pressures

圖14 預(yù)浸料黏性CZM參數(shù)與鋪放壓力之間的關(guān)系Fig.14 Relationship between CZM parameters of prepreg tack and lay-up pressure

鋪放壓力作為基本的鋪放工藝參數(shù)之一，不僅影響預(yù)浸料的變形情況，而且對預(yù)浸料的黏性也有重要影響。設(shè)定鋪放速率為60 mm/s，鋪放溫度為20 ℃(對應(yīng)保壓時間為0.5 s，試驗溫度為20 ℃)，探究預(yù)浸料黏性CZM參數(shù)隨鋪放壓力的變化規(guī)律。圖13和圖14分別是不同鋪放壓力下的預(yù)浸料黏性CZM曲線和CZM參數(shù)變化規(guī)律，可見，黏性CZM參數(shù)與鋪放壓力近似呈線性關(guān)系。當(dāng)鋪放壓力增加200 N時，粘結(jié)強(qiáng)度和特征位移分別增加7.8 kPa和0.002 mm。這是因為壓力的增加有利于樹脂的流動，便于樹脂浸潤界面，提高粘結(jié)性能。然而，在壓力的作用下，預(yù)浸料會產(chǎn)生壓縮變形[24]，因此壓力也不宜過大。

3.4 鋪放溫度對預(yù)浸料黏性的影響

圖15 不同鋪放溫度下的預(yù)浸料黏性CZM曲線Fig.15 CZM curves of prepreg tack at different lay-up temperatures

樹脂的力學(xué)性能有較強(qiáng)的溫度相關(guān)性，導(dǎo)致預(yù)浸料的力學(xué)性能和黏性均受到溫度的影響，鋪放溫度是決定成型質(zhì)量的重要因素。設(shè)定鋪放速率為60 mm/s，鋪放壓力為810 N(對應(yīng)保壓時間為0.5 s，保壓大小為3.93 N)，探究預(yù)浸料黏性CZM參數(shù)隨鋪放溫度的變化規(guī)律。預(yù)浸料在不同鋪放溫度下的黏性CZM曲線和CZM參數(shù)變化規(guī)律分別如圖15(a)和圖16(a)所示，隨著溫度的增加，粘結(jié)強(qiáng)度和特征位移均先增大后減小，近似呈二次關(guān)系，峰值點對應(yīng)的溫度為30 ℃左右。

預(yù)浸料與探針間的粘結(jié)層在高低溫階段的失效模式不同，低溫時發(fā)生界面失效，高溫時發(fā)生內(nèi)聚失效。在低溫階段，界面強(qiáng)度起主導(dǎo)作用。溫度增加導(dǎo)致樹脂流動性增強(qiáng)，有利于浸潤界面，使得界面強(qiáng)度增強(qiáng)，預(yù)浸料黏性隨著溫度升高而增大。在高溫階段，內(nèi)聚強(qiáng)度決定黏性大小。隨著溫度進(jìn)一步上升，樹脂變軟，內(nèi)聚強(qiáng)度逐漸減弱，導(dǎo)致預(yù)浸料黏性隨溫度的升高而減小。

圖16 預(yù)浸料黏性CZM參數(shù)與鋪放溫度之間的關(guān)系Fig.16 Relationship between CZM parameters of prepreg tack and lay-up temperature

為了探究預(yù)浸料類型對黏性隨溫度變化規(guī)律的影響，對另外兩種預(yù)浸料也進(jìn)行了溫度探究試驗，結(jié)果如圖15(b)、圖15(c)、圖16(b)和圖16(c)所示。另兩種預(yù)浸料分別為EH103/HF10A和EH104/HF10A自動鋪絲專用預(yù)浸料，其樹脂類型均為高溫固化環(huán)氧樹脂，含量分別為(38±3)%和(35±3)%。由結(jié)果可知，另兩種預(yù)浸料的黏性CZM參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律與T700/DS1202類似，均近似符合二次關(guān)系，它們的峰值點溫度均在35 ℃左右。峰值點溫度跟預(yù)浸料種類尤其是樹脂種類有關(guān)，若需要預(yù)浸料保持較高的黏性，應(yīng)當(dāng)盡量控制鋪放溫度保持在峰值點溫度附近。

4 討 論

4.1 探針試驗與剝離試驗的結(jié)果對比

目前，學(xué)者們利用剝離試驗研究了鋪放工藝參數(shù)對預(yù)浸料黏性的影響[13-14]，為了說明本文探針試驗的有效性，將探針試驗與剝離試驗的結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如圖17所示。

圖17 不同鋪放參數(shù)下的最大分離力與平均剝離力對比Fig.17 Comparison of maximum debonding force and average peel force with different lay-up parameters

由結(jié)果可知，利用探針試驗或者剝離試驗所得到的預(yù)浸料黏性隨鋪放工藝參數(shù)的變化趨勢是基本一致的。這是因為最大分離力反映了粘結(jié)層強(qiáng)度的大小，而粘結(jié)層強(qiáng)度又直接影響所需平均剝離力的大小。探針試驗與剝離試驗的黏性結(jié)果存在相關(guān)性，它們兩者隨工藝參數(shù)的變化趨勢是一致的，說明了本文探針試驗結(jié)果的可靠性。兩者之間存在微小的差異，可能是材料類型和試驗條件的不同引起的。

4.2 探頭面積對結(jié)果的影響

探頭面積影響預(yù)浸料的測量范圍，由于預(yù)浸料表面樹脂凸起分布的隨機(jī)性，探頭面積可能對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。設(shè)定鋪放速率為60 mm/s，鋪放壓力為810 N，鋪放溫度為23 ℃(對應(yīng)保壓時間為0.5 s，保壓大小為3.93 N，試驗溫度為23 ℃)，探究探頭面積(用探頭直徑d間接表示)對預(yù)浸料黏性CZM參數(shù)的影響，試驗結(jié)果如圖18和圖19所示。

圖18 不同探頭面積下的預(yù)浸料黏性CZM曲線Fig.18 CZM curves of prepreg tack with different probe areas

圖19 預(yù)浸料黏性CZM參數(shù)與探頭面積之間的關(guān)系Fig.19 Relationship between CZM parameters of prepreg tack and probe area

可見，粘結(jié)強(qiáng)度和特征位移基本上在平均值附近波動，離散系數(shù)分別為6.90%和7.34%，表明探頭面積對粘結(jié)強(qiáng)度和特征位移的影響并不明顯。這是因為樹脂凸起的尺寸相對于探頭尺寸很微小，盡管其微觀分布可能不均勻，但是探頭探測的面積上還是有足夠多的樹脂凸起，它們的平均效應(yīng)可以使得探頭測得的應(yīng)力基本上反映粘結(jié)層的真實應(yīng)力，故測量值對于探頭面積并不敏感?？紤]到探針的加工工藝，現(xiàn)有探針試驗中探頭尺寸一般比試樣尺寸稍小，保證探頭能完全被待測預(yù)浸料覆蓋[20-23]，本試驗試樣尺寸為6.35 mm×30 mm，因此設(shè)定探頭直徑為5 mm。

4.3 分離速率對結(jié)果的影響

圖20 不同分離速率下的預(yù)浸料黏性CZM曲線Fig.20 CZM curves of prepreg tack with different separation velocities

圖21 預(yù)浸料黏性CZM參數(shù)與分離速率之間的關(guān)系Fig.21 Relationship between CZM parameters of prepreg tack and separation velocity

預(yù)浸料的黏性主要由樹脂性能決定，而樹脂一般是黏彈性材料，因此分離速率可能對測試結(jié)果產(chǎn)生影響。設(shè)定鋪放速率為60 mm/s，鋪放壓力為810 N，鋪放溫度為21 ℃(對應(yīng)保壓時間為0.5 s，保壓大小為3.93 N，試驗溫度為21 ℃)，探究分離速率對預(yù)浸料黏性CZM參數(shù)的影響，結(jié)果如圖20和圖21所示?？梢?，當(dāng)分離速率(V)從20 mm/min變化到120 mm/min時，特征位移基本上保持穩(wěn)定，離散系數(shù)為7.34%；隨著分離速率的增加，粘結(jié)強(qiáng)度先減小，然后保持穩(wěn)定，最后繼續(xù)減小，在40～100 mm/min的范圍內(nèi)，粘結(jié)強(qiáng)度基本不變，離散系數(shù)為6.90%。因此，當(dāng)分離速率在40～100 mm/min范圍內(nèi)時，測量結(jié)果對分離速率的變化不敏感，對于試驗穩(wěn)定性有利，最終確定的分離速率為60 mm/min，因為該速率下的試驗結(jié)果與圖21中的均值最接近。

5 結(jié) 論

1) 開發(fā)了一套適用于一般自動鋪放條件下預(yù)浸料與模具之間黏性測定和分析的探針試驗裝置，利用該試驗裝置得到了預(yù)浸料脫粘過程的應(yīng)力-位移曲線，采用4種常用的內(nèi)聚力模型對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，發(fā)現(xiàn)指數(shù)CZM能取得較好的結(jié)果，與試驗數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)均在0.96以上，從而表征了預(yù)浸料的黏性行為。

2) 預(yù)浸料在低溫脫粘時發(fā)生界面失效，在高溫脫粘時發(fā)生內(nèi)聚失效。預(yù)浸料在兩種失效模式下的黏性行為均可以利用指數(shù)CZM描述。通過黏性CZM曲線和探針試驗現(xiàn)象分析了預(yù)浸料脫粘的力學(xué)演變過程，包括應(yīng)力快速上升、粘結(jié)層損傷擴(kuò)展和最終失效3個階段；利用黏性CZM方程計算了預(yù)浸料脫粘的分離能大小。

3) 建立了探針試驗與鋪放過程的對應(yīng)關(guān)系，利用探針試驗參數(shù)調(diào)控鋪放工藝參數(shù)，研究了鋪放速率、壓力和溫度對預(yù)浸料與模具間黏性CZM參數(shù)的影響規(guī)律。結(jié)果表明，隨鋪放速率的增加，粘結(jié)強(qiáng)度和特征位移均近似線性減?。浑S鋪放壓力的增加，粘結(jié)強(qiáng)度和特征位移均近似線性增大；隨鋪放溫度的增加，粘結(jié)強(qiáng)度和特征位移先增大后減小，近似呈二次關(guān)系，且這種二次關(guān)系在另外兩種不同的預(yù)浸料上也成立，說明了本探針試驗的適用性。本試驗所得到的預(yù)浸料黏性隨鋪放工藝參數(shù)的變化趨勢與現(xiàn)有文獻(xiàn)中的剝離試驗結(jié)果基本一致，說明了本試驗的有效性。

4) 探頭面積對試驗結(jié)果影響不大；分離速率對特征位移影響較小，對粘結(jié)強(qiáng)度有所影響，但在40～100 mm/min范圍內(nèi)不明顯。

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