熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放過程中紅外加熱技術(shù)研究

宋清華，劉衛(wèi)平，肖 軍，陳 萍，楊 洋，陳吉平

(1 上海飛機(jī)制造有限公司，上海 201324;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)

復(fù)合材料低成本制造技術(shù)是目前國(guó)際上復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域關(guān)注的核心問題之一，復(fù)合材料自動(dòng)鋪放技術(shù)是歐美發(fā)達(dá)國(guó)家近30年來廣泛發(fā)展和應(yīng)用的低成本制造技術(shù)，是復(fù)合材料自動(dòng)化成型的典型代表[1-2]。復(fù)合材料自動(dòng)鋪放技術(shù)的加工對(duì)象一般為纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。按樹脂基體的不同，分為熱固性復(fù)合材料和熱塑性復(fù)合材料。熱固性復(fù)合材料作為一種輕質(zhì)高強(qiáng)材料已應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，但由于其抗沖擊性能差、耐熱性低，阻礙其在航空航天上廣泛應(yīng)用。而熱塑性復(fù)合材料不僅克服上述缺點(diǎn)，還具備抗化學(xué)腐蝕性、可循環(huán)性以及良好的焊接性能[3]，因此越來越多的熱塑性復(fù)合材料零件及組合件應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，如空客A380上采用荷蘭Tencate公司玻璃纖維/PPS制成的焊接固定機(jī)翼前緣，Gulfstream550飛機(jī)上的壓力艙壁肋板是碳纖維/PEI夾層結(jié)構(gòu)以及A400M駕駛員座艙板均已使用熱塑性復(fù)合材料制造[4]。熱塑性復(fù)合材料與自動(dòng)鋪放相結(jié)合，采用“原位固結(jié)”技術(shù)，與傳統(tǒng)“熱壓罐”技術(shù)相比，預(yù)浸料鋪層沒有預(yù)成型階段，直接一次成型，因此加熱工藝是自動(dòng)鋪放成型過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。自動(dòng)鋪放加熱工藝首先需考慮的是加熱方式的選擇，目前應(yīng)用在自動(dòng)鋪放中的加熱方式主要有熱氣加熱、激光加熱及紅外加熱。熱氣加熱適用于要求加熱時(shí)間較短，同時(shí)加熱空間又很小的場(chǎng)合，但其最大的缺點(diǎn)就是熱量利用率比較低；激光加熱的加熱范圍很集中，可以在短時(shí)間內(nèi)提供大量能量，因此其加熱時(shí)間極短，但自身價(jià)格較高、體積較大，適用于對(duì)加熱空間及價(jià)格沒有限制的場(chǎng)合[5]；紅外輻射加熱相比前兩種加熱方式，雖加熱時(shí)間稍長(zhǎng)，但由于其加熱過程中污染少、能耗低，加熱裝置響應(yīng)速率快、維修和管理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足大型復(fù)合材料構(gòu)件低成本制造要求[6]，因此本工作選擇紅外輻射加熱作為自動(dòng)鋪放過程中的熱源。目前國(guó)外已經(jīng)把紅外加熱技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料自動(dòng)鋪放過程中，比如Pitchumani等[7]和Buijs等[8]對(duì)紅外加熱應(yīng)用于熱塑性復(fù)合材料纏繞及鋪帶進(jìn)行了研究，并優(yōu)化鋪放工藝參數(shù)；美國(guó)Electroimpact公司及M-Torres公司均開展高速自動(dòng)鋪絲下的紅外加熱技術(shù)研究。國(guó)內(nèi)余永波等[6]對(duì)熱固性復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲過程中的紅外加熱技術(shù)進(jìn)行初步探索，并就紅外加熱對(duì)預(yù)浸料性能及鋪放質(zhì)量的影響進(jìn)行分析，而關(guān)于熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放設(shè)備紅外加熱技術(shù)的研究國(guó)內(nèi)鮮見，國(guó)外在加熱溫度對(duì)鋪放質(zhì)量的影響及溫度場(chǎng)的有限元模擬做了大量研究[9-10]，但關(guān)于鋪放加熱過程中的恒溫控制尚缺乏研究。由于熱塑性復(fù)合材料對(duì)溫度的敏感性，在鋪放過程中不同的溫度梯度會(huì)引起復(fù)合材料內(nèi)部熱應(yīng)力和熱變形，進(jìn)而對(duì)成型構(gòu)件的力學(xué)性能有很大的影響，因此對(duì)熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放成型加熱過程中的恒溫控制具有重要的理論意義與實(shí)用價(jià)值。

本工作以自行研制的熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放設(shè)備為平臺(tái)[11]，通過對(duì)紅外熱源與鋪層間能量傳輸過程的分析，提出紅外加熱過程中動(dòng)態(tài)恒溫控制方程，建立熱源輻射強(qiáng)度與鋪放速率之間的匹配關(guān)系，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建紅外加熱恒溫閉環(huán)控制系統(tǒng)，制定相應(yīng)控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱塑性預(yù)浸料加熱過程中溫度的精確控制。

1 TPC自動(dòng)鋪放紅外加熱系統(tǒng)的研究

熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放設(shè)備中的紅外加熱裝置位于切刀與熱壓輥中間，圖1為TPC自動(dòng)鋪放紅外加熱系統(tǒng)的原理圖，圖2為本工作采用的管式紅外加熱燈。在紅外燈輻射區(qū)域內(nèi)，輻射能不以任何物質(zhì)為中介，直接輻射或經(jīng)反射涂層反射到預(yù)浸料表面，被有效輻射的預(yù)浸料吸收輻射轉(zhuǎn)化為內(nèi)部的蓄熱能[12]，其溫度升高，當(dāng)達(dá)到樹脂熔點(diǎn)時(shí)，預(yù)浸料樹脂基體熔化，在壓輥壓力作用下，預(yù)浸料與底層鋪層熔合在一起，實(shí)現(xiàn)熱塑性復(fù)合材料原位固結(jié)成型。

圖1 自動(dòng)鋪放紅外加熱系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of infrared heating system for AFP

圖2 管式紅外燈結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of tubular infrared heating system for AFP

熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放原位成型過程中，紅外加熱系統(tǒng)完全開放，紅外輻射的熱能傳遞受到外界的干擾較多，比如外界溫度變化及氣流等。而且輻射表面與吸收表面的物性(表面粗糙度、發(fā)射率、吸收率等)及溫度的不同也會(huì)給輻射傳熱計(jì)算過程帶來許多困難[13]。因此關(guān)于自動(dòng)鋪放過程紅外輻射傳熱的計(jì)算較復(fù)雜，為解決上述難題，本工作采用近似等效的方法簡(jiǎn)化自動(dòng)鋪放過程中紅外輻射加熱的計(jì)算。

1.1 紅外燈輻射理論

由斯忒藩-玻爾茲曼定律可得紅外燈燈絲的輻射強(qiáng)度為：

(1)

式中:Ei為燈絲輻射強(qiáng)度；ε為燈絲發(fā)射率；σb為玻爾茲曼常數(shù)，其值為5.67×10-8W/(m2·K4)；Ti為燈絲溫度。

由式(1)可得，紅外燈的輻射強(qiáng)度與燈絲溫度的四次方成正比，而燈絲溫度取決于紅外燈的加熱功率。紅外燈燈絲為鎢絲緊密繞制成單螺旋圓柱體樣式，當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)，燈絲溫度可以按圓柱體發(fā)熱計(jì)算[13]：

Pe=εAσbT4

(2)

式中：Pe為紅外燈加熱功率；A為燈絲有效輻射面積，按公式(3)計(jì)算：

A=ξπDL

(3)

式中:ξ為燈絲螺旋排列致密度系數(shù)；D為燈絲直徑；L為燈絲長(zhǎng)度。

由式(1),(2),(3)可得：

(4)

因此由式(4)可知，通過調(diào)節(jié)紅外燈的加熱功率改變紅外燈的輻射強(qiáng)度。

1.2 自動(dòng)鋪放過程中動(dòng)態(tài)恒溫控制方程

熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放過程中，紅外燈以鋪放速率運(yùn)動(dòng)的同時(shí)加熱預(yù)浸料表面，預(yù)浸料吸收輻射能轉(zhuǎn)化為內(nèi)部的蓄熱能，使其溫度上升，由能量守恒定律可得預(yù)浸料吸收的輻射能與其溫度變化關(guān)系為：

Qa=cmΔT

(5)

式中:Qa為預(yù)浸料吸收的輻射能；c為預(yù)浸料的比熱容；m為吸收輻射能的預(yù)浸料質(zhì)量；ΔT為預(yù)浸料的溫度變化，即ΔT=T2-T1，T1為環(huán)境溫度，T2為目標(biāo)溫度。

由圖1和圖2可以看出，由于紅外燈存在反射燈罩及反射涂層，輻射被限定在一定區(qū)域內(nèi)，假定此區(qū)域?yàn)橛行л椛鋮^(qū)域，因此有效輻射區(qū)域內(nèi)預(yù)浸料吸收的輻射能有兩個(gè)路徑：直接輻射到預(yù)浸料表面的直接輻射能及經(jīng)反射涂層反射到預(yù)浸料表面的間接輻射能。

把紅外燈燈絲1發(fā)射的輻射能直接輻射到預(yù)浸料表面2上的百分?jǐn)?shù)記為X12，即燈絲1對(duì)有限輻射區(qū)域2的角系數(shù)；把紅外燈燈絲1發(fā)射的輻射能落到反射涂層3上的百分?jǐn)?shù)記為X13，即燈絲1對(duì)涂層表面3的角系數(shù)；把經(jīng)反射涂層3反射的輻射能落到有效輻射區(qū)域2的百分?jǐn)?shù)記為X32，即涂層3對(duì)有效輻射區(qū)域2的角系數(shù)。因此，單位時(shí)間內(nèi)直接輻射到有效輻射區(qū)域內(nèi)的直接輻射能Q12為：

Q12=EiAX12

(6)

單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)反射涂層反射到有效輻射區(qū)域內(nèi)的間接輻射能Q32為：

Q32=λEiAX13X32

(7)

式中：λ為涂層的反射率。

自動(dòng)鋪放過程中，預(yù)浸料吸收的輻射能為直接輻射能和間接輻射能的熱能總和，因此有效輻射區(qū)域內(nèi)預(yù)浸料單位時(shí)間吸收的輻射能為：

Qa=η(Q12+Q23)

(8)

因此，由式(2)及式(5)～(8)可得：

η(X12+λX13X32)Pet=cmΔT

(9)

式中：t為加熱時(shí)間，其計(jì)算公式為：

t=L/v

(10)

式中:L為有限輻射區(qū)域沿軌跡方向的運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度；v為鋪放速率。

由式(9)，(10)可得，自動(dòng)鋪放過程中紅外燈加熱功率與鋪放速率之間的關(guān)系為：

(11)

由于角系數(shù)純屬幾何因子，其只與燈絲表面和有效輻射區(qū)域的形狀、大小及相對(duì)位置有關(guān)。在自動(dòng)鋪放過程中，鋪絲頭一般垂直于鋪放表面，沿鋪放表面切線方向運(yùn)動(dòng)，紅外燈與預(yù)浸料表面之間的距離只受熱壓輥?zhàn)冃瘟康挠绊?，而熱塑性?fù)合材料自動(dòng)鋪放設(shè)備的熱壓輥采用鋼材料制成，其變形量可忽略不計(jì)，從工程應(yīng)用角度簡(jiǎn)化，可認(rèn)為加熱燈與預(yù)浸料表面的相對(duì)位置恒定，有效輻射區(qū)域保持不變，即角系數(shù)X12,X13,X32為常數(shù)。因此，由式(11)可得：

Pe=kΔTv

(12)

陳卓提到，近年來，我國(guó)農(nóng)藥工業(yè)發(fā)展迅速，農(nóng)藥產(chǎn)量逐年遞增，傳統(tǒng)產(chǎn)品出口增長(zhǎng)，總量增大，進(jìn)口產(chǎn)品推廣力度提升，農(nóng)藥工業(yè)產(chǎn)業(yè)布局更趨于集中，加快了農(nóng)藥綠色化進(jìn)程。企業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，農(nóng)藥向高效發(fā)展。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)更趨合理，農(nóng)藥清潔化水平提升。

式(12)即為熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放過程中動(dòng)態(tài)恒溫控制數(shù)學(xué)模型，是控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、處理的依據(jù)，由此建立紅外燈加熱功率與鋪放速率之間的匹配關(guān)系。

2 紅外加熱動(dòng)態(tài)恒溫控制策略

自動(dòng)鋪放過程中鋪放速率會(huì)在較大的范圍內(nèi)變化，若紅外加熱系統(tǒng)以恒功率加熱，必然導(dǎo)致預(yù)浸料表面受熱不均勻，而且在鋪放過程中當(dāng)出現(xiàn)切紗或送紗等特殊位置需要鋪放設(shè)備暫停運(yùn)動(dòng)時(shí)，紅外燈必須迅速停止工作，防止預(yù)浸料表面過熱而使樹脂降解，因此紅外加熱系統(tǒng)需具備鋪放速率檢測(cè)、保持恒目標(biāo)溫度加熱及特殊位置判斷等功能。但由于自動(dòng)鋪放是動(dòng)態(tài)過程，預(yù)浸料融合區(qū)域溫度難以實(shí)時(shí)采集，且為保持預(yù)浸料加熱溫度恒定，加熱系統(tǒng)需具有良好的輸出功率快速響應(yīng)特性。鑒于上述要求，本工作采用前饋控制方式[14]，即干擾補(bǔ)償控制，當(dāng)干擾剛剛出現(xiàn)而又能被檢測(cè)時(shí)，前饋控制器就發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)使控制量做出相應(yīng)的調(diào)整，在產(chǎn)生偏差前，及時(shí)消除干擾作用，從而保持預(yù)浸料被恒溫加熱。

根據(jù)上述要求，設(shè)計(jì)熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放專用加熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)包括加熱機(jī)構(gòu)、鋪放速率檢測(cè)單元及控制單元。如圖1所示，在導(dǎo)紗輥處安裝編碼器，編碼器滾輪與導(dǎo)紗輥嚙合，鋪放過程中，導(dǎo)紗輥旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)編碼器主軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)時(shí)檢測(cè)鋪放速率?？刂茊卧邮站幋a器采集的速率信號(hào)，根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)溫度及已建立的紅外加熱恒溫控制方程，進(jìn)行程序運(yùn)算后輸出控制量，調(diào)節(jié)紅外燈的加熱功率，從而根據(jù)鋪放速率實(shí)時(shí)調(diào)整紅外燈的輻射強(qiáng)度。圖3為紅外加熱控制系統(tǒng)原理圖。

圖3 紅外加熱控制系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic of temperature control system for infrared heating

2.1 鋪放速率的獲取

自動(dòng)鋪放紅外加熱前饋控制系統(tǒng)中鋪放速率為主要控制變量，本工作采用增量型編碼器為采集速率信號(hào)的傳感器，以可編程控制器(PLC)作為控制單元，將編碼器連接在PLC的脈沖輸入端口，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋪放速率的實(shí)時(shí)采集。但由于編碼器輸出的是脈沖信號(hào)，而動(dòng)態(tài)恒溫控制數(shù)學(xué)模型中采用的是速率信號(hào)，因此需將采集的脈沖量轉(zhuǎn)化成速率量。

如圖4所示為編碼器測(cè)速示意圖，編碼器滾輪半徑為re，假定編碼器的分辨率為N，即編碼器每旋轉(zhuǎn)一周發(fā)出N個(gè)脈沖，因此編碼器每發(fā)出一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)編碼器滾輪的位移量為：

(13)

編碼器發(fā)出的脈沖信號(hào)，經(jīng)PLC采集后獲得該脈沖的頻率f，則編碼器滾輪的線速率即鋪放速率為：

(14)

圖4 編碼器測(cè)速示意圖Fig.4 Schematic of speed collection with encoder

2.2 加熱功率的調(diào)節(jié)

在紅外加熱控制系統(tǒng)中，通過調(diào)壓模塊調(diào)節(jié)紅外燈的加熱功率，因此必須明確紅外燈加熱功率與輸入電壓之間的關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)用的紅外燈為鹵素石英燈，燈內(nèi)鎢絲的電阻率隨溫度的升高而增大，因此燈絲的電阻并不是固定不變的，紅外燈加熱功率與輸入電壓并不是線性變化。通過實(shí)驗(yàn)，獲得加熱燈功率與輸入電壓的關(guān)系，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 加熱功率與輸入電壓的關(guān)系Fig.5 Relationship between heating power and voltage

通過二次多項(xiàng)式擬合，得到紅外燈加熱功率Pe與輸入電壓U的關(guān)系為：

Pe=0.00812U2+0.71826U-2.2658

(15)

控制單元根據(jù)目標(biāo)溫度及獲取的鋪放速率由式(12)計(jì)算出紅外燈加熱功率，通過式(15)得出紅外燈工作電壓，調(diào)壓模塊根據(jù)比例關(guān)系輸出控制電壓至紅外燈，從而實(shí)現(xiàn)紅外燈加熱功率的調(diào)節(jié)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

為驗(yàn)證建立的動(dòng)態(tài)恒溫控制數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，本工作基于熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，搭建紅外加熱恒溫控制系統(tǒng)及加熱溫度在線測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括紅外加熱燈、控制單元、溫度采集單元、數(shù)據(jù)顯示及存儲(chǔ)單元，如圖6所示。

圖6 熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放紅外加熱系統(tǒng) (a)熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放實(shí)驗(yàn)平臺(tái);(b)紅外加熱控制系統(tǒng)Fig.6 Infrared heating control system for automated fiber placement (a)platform for automated fiber placement; (b)temperature control system for infrared heating

本實(shí)驗(yàn)以三菱FX3G PLC作為控制單元，其一方面與上位機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)運(yùn)算程序的傳輸及命令發(fā)送，另一方面根據(jù)采集的編碼器頻率及目標(biāo)溫度，經(jīng)運(yùn)算程序計(jì)算輸出模擬量至調(diào)壓模塊，調(diào)節(jié)紅外燈加熱功率；采用熱電偶作為溫度采集單元的溫度測(cè)量元件，采集的溫度值經(jīng)西門子Step-300PLC信號(hào)處理后，由西門子觸摸屏Smart 700顯示并存儲(chǔ)溫度值，其原理圖如圖7所示。

圖7 溫度采集系統(tǒng)原理圖Fig.7 Diagram of the temperature acquisition system

溫度采集系統(tǒng)以Step7-300PLC為信號(hào)處理中心，通過Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線與西門子觸摸屏Smart 700建立通信網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)以觸摸屏基于WinCC flexible軟件編寫的人機(jī)交互界面，實(shí)時(shí)更新并存儲(chǔ)熱電偶采集的溫度。

本實(shí)驗(yàn)選擇的預(yù)浸紗為玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料，玻纖含量為60%(體積分?jǐn)?shù))，寬度為12.7mm，聚丙烯熔點(diǎn)為180℃左右，降解溫度為350℃左右，選擇預(yù)浸紗目標(biāo)溫度為280℃。為初步確定控制系數(shù)k，設(shè)定鋪放速率0.3m/min保持不變，改變控制系數(shù)k，做多組鋪放實(shí)驗(yàn)，通過紅外測(cè)溫儀測(cè)量鋪放輥與預(yù)浸紗黏合點(diǎn)處的溫度，圖8為控制系數(shù)與鋪放表面溫度的關(guān)系曲線及其線性擬合方程。

圖8 控制系數(shù)與黏合點(diǎn)溫度的關(guān)系曲線Fig.8 Relation curve between control coefficient and bonding point temperature

根據(jù)圖8的擬合方程可計(jì)算出控制系數(shù)k=2.32。以k=2.32為控制系數(shù)，在多種速率下做鋪放實(shí)驗(yàn)。鋪放開始前，先把熱電偶A～G固定在同一鋪層，測(cè)量不同鋪放速率下同一鋪層溫度變化。

圖9為熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放紅外加熱溫度采集過程，設(shè)定目標(biāo)溫度為280℃，當(dāng)鋪放速率為0.3m/min時(shí)，熱電偶測(cè)量的峰值溫度如圖10所示。

圖9 紅外加熱溫度采集過程Fig.9 Picture of the temperature acquisition for infrared heating

圖11為不同鋪放速率下，熱電偶測(cè)量的同一鋪層溫度峰值變化。從圖中可以看出，雖然鋪放速率在變化，但黏合區(qū)域的溫度始終接近預(yù)浸紗目標(biāo)溫度280℃。當(dāng)鋪放速率為0.6m/min時(shí)，鋪放過程中熱成像儀拍攝的黏合區(qū)域溫度場(chǎng)畫面如圖12所示。

圖11 不同鋪放速率下熱電偶峰值溫度Fig.11 Peak temperature for thermocouples at different speeds

圖12 熱成像儀測(cè)量鋪放過程中黏合區(qū)域的溫度Fig.12 Thermography for bounding point temperature

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得出，本工作構(gòu)建的紅外加熱動(dòng)態(tài)恒溫控制系統(tǒng)基本能夠滿足熱塑性復(fù)合材料變速自動(dòng)鋪放對(duì)加熱溫度的要求，并且在不同鋪放速率下表現(xiàn)出較好的適應(yīng)性。

圖13為壓輥壓力0.1MPa、紅外加熱目標(biāo)溫度280℃、鋪放速率0.6m/min的工藝條件下鋪放成型的尺寸為300mm×12.7mm×3mm的平板實(shí)驗(yàn)件。

圖13 自動(dòng)鋪放成型玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料平板實(shí)驗(yàn)件Fig.13 Polypropylene/fiberglass flat component made by AFP

按ASTM D 6641/D 6641M-09標(biāo)準(zhǔn)采用組合加載壓縮夾具測(cè)量鋪放成型平板實(shí)驗(yàn)件的壓縮性能，其壓縮強(qiáng)度測(cè)量平均值為98.71MPa；按GB 3357-82標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量平板實(shí)驗(yàn)件的層間剪切性能，其層間剪切強(qiáng)度測(cè)量平均值為25.67MPa。相同預(yù)浸料經(jīng)熱模壓成型后的平板實(shí)驗(yàn)件，其壓縮強(qiáng)度為101.32MPa，層間剪切強(qiáng)度為28.42MPa。由數(shù)據(jù)對(duì)比可見，紅外加熱自動(dòng)鋪放成型實(shí)驗(yàn)件的壓縮強(qiáng)度及層間剪切強(qiáng)度均接近模壓成型的實(shí)驗(yàn)件[15]。

4 結(jié)論

(1)針對(duì)熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放過程中鋪放速率變化范圍較大的特點(diǎn)，本工作采用的前饋控制方式使紅外加熱系統(tǒng)在鋪放速率從0.3m/min增大到0.9m/min時(shí)保證黏合區(qū)域的溫度始終接近預(yù)浸紗的目標(biāo)溫度280℃，實(shí)現(xiàn)變速工況下快速響應(yīng)，提高系統(tǒng)的控溫精度。

(2)紅外加熱動(dòng)態(tài)恒溫控制系統(tǒng)能夠較好地滿足熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放過程中對(duì)加熱溫度的要求，實(shí)現(xiàn)原位固結(jié)過程中預(yù)浸料恒溫加熱。

(3)雖然紅外加熱自動(dòng)鋪放成型的實(shí)驗(yàn)件性能接近模壓成型的實(shí)驗(yàn)件性能，但其加工速率與熱固性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放成型相比仍較慢，因此有必要探尋新的加熱方式。