復(fù)合材料長桁機(jī)械成型工藝

馬開維 李 博 文友誼 朱佳強(qiáng) 段躍新

（1 成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610092）

（2 北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191）

0 引言

在現(xiàn)代機(jī)翼中，桁架因為承受機(jī)翼彎矩引起的軸向力而參與機(jī)翼的總體受力，是縱向骨架中的重要受力部件之一。復(fù)合材料因為質(zhì)輕以及高比強(qiáng)度比模量的優(yōu)點(diǎn)成為航空領(lǐng)域主要的承載結(jié)構(gòu)，從而使得復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛［1］。

復(fù)合材料長桁結(jié)構(gòu)的成型過程中，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且存在較多角度突變區(qū)域及一定曲率，傳統(tǒng)上采用手工鋪層，其過程是將預(yù)浸料手工逐層鋪貼于彎曲模具型面上，鋪層時加熱軟化以增加預(yù)浸料的粘性，同時注意趕走層間氣泡，保證層間密實(shí)，最后在熱壓罐內(nèi)固化成型。但由于手工鋪層效率低、成型質(zhì)量不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，促使復(fù)合材料長桁零件成型朝著機(jī)械化自動化方向發(fā)展。自動鋪帶和自動鋪絲等工藝的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用極大地推動了復(fù)合材料機(jī)械成型制造技術(shù)的發(fā)展［2］，從原材料制備方面提高了制備效率；而自動化制造技術(shù)的發(fā)展又極大提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量，比如熱隔膜成型［3］等自動化成型方式可以在保證成型質(zhì)量的前提下提高加工效率20多倍。

目前國外以波音和空客為首的大型飛機(jī)制造商已經(jīng)開展了機(jī)翼長桁的自動化生產(chǎn)，這種機(jī)械變形成型工藝首先利用自動鋪帶技術(shù)將預(yù)浸料鋪貼成平板，然后隨著機(jī)械運(yùn)動帶動層合板隨形到一定形狀的模具上，最后固化得到制件成品［4］。在平板屈曲時易產(chǎn)生纖維的褶皺和斷裂，因此控制合適的成型工藝參數(shù)才能提高制件質(zhì)量。對于復(fù)合材料鋪層成型時工藝參數(shù)的影響，國內(nèi)外已有眾多研究：熱隔膜成型中H.E Elgmel 等人［5］通過表征隔膜形變與壓力的關(guān)系，分析了壓力對成型質(zhì)量的變化規(guī)律；S.G.Pantelakis［6］則發(fā)現(xiàn)在一定壓力范圍內(nèi)壓力值與固化質(zhì)量呈現(xiàn)正相關(guān)，但很容易產(chǎn)生尺寸偏差及纖維淤積的現(xiàn)象；文瓊?cè)A［7］研究了溫度對預(yù)浸料層間黏附性及預(yù)浸料與模具間的黏附性的影響。T.G.Gutowski等人［8］提出雙隔膜成型工藝中熱塑和熱固復(fù)合材料層壓板起皺是失效的主要原因。對比熱固性復(fù)合材料起皺的實(shí)驗現(xiàn)象和基本定律發(fā)現(xiàn)通過對理想運(yùn)動的假設(shè)及對制件尺寸變化的限制，實(shí)驗結(jié)果與基本定律基本吻合。H.B.Ning 等人［9］提出了單隔膜成型過程中厚度方向上的溫度梯度可能會引入殘余應(yīng)力，從而降低機(jī)械性能或使得零件翹曲，加工過程中通過厚度調(diào)查溫度曲線可以提高單隔膜成型中復(fù)合零件的質(zhì)量。SUN Jing 等人［10］研究了雙膜片對C 型結(jié)構(gòu)的碳纖維/環(huán)氧樹脂基預(yù)浸料層壓板進(jìn)行成型的機(jī)理，建立了一個成型測試系統(tǒng)來評估預(yù)浸料層合板在不同溫度下的層間滑移摩擦阻力。

雖然國外先進(jìn)航空企業(yè)已發(fā)展出了較為成熟的熱隔膜預(yù)成型工藝技術(shù)和機(jī)械化成型技術(shù)，但國內(nèi)對復(fù)合材料長桁成型工藝應(yīng)用僅停留在實(shí)驗室研究階段，在生產(chǎn)應(yīng)用上尚沒有成熟的長桁結(jié)構(gòu)自動化成型設(shè)備，在工藝研究上仍缺乏系統(tǒng)性。

本文利用自制的長桁結(jié)構(gòu)機(jī)械成型載荷測試系統(tǒng)，通過研究預(yù)成型速率、預(yù)成型溫度、鋪層結(jié)構(gòu)等工藝參數(shù)對于預(yù)成型件厚度均勻性以及纖維變形程度的影響，優(yōu)選出合適的工藝參數(shù)，并探究出一套長桁機(jī)械變形成型工藝的質(zhì)量表征技術(shù)。

1 實(shí)驗

1.1 自研成型載荷測試系統(tǒng)

基于自制復(fù)合材料L型長桁自動化成型機(jī)，研制出成型載荷測試系統(tǒng)，圖1為系統(tǒng)的設(shè)計原理圖，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)以下功能。

（1）能夠設(shè)定機(jī)械預(yù)成型溫度加熱層合板，溫度范圍符合預(yù)成型工藝要求。

（2）機(jī)械系統(tǒng)連接計算機(jī)實(shí)時控制預(yù)成型速率。

（3）與力學(xué)試驗機(jī)相連能實(shí)時采集成型載荷的數(shù)據(jù)。

（4）在機(jī)械下壓成型過程中，機(jī)械壓頭下壓運(yùn)動不會改變成型間距。

（5）預(yù)成型結(jié)束后利用搭載的烘箱實(shí)現(xiàn)對預(yù)成型體的加熱固化。

基于系統(tǒng)的設(shè)計原理可知，鋪層結(jié)構(gòu)相同時，同種預(yù)浸料制件的纖維體積分?jǐn)?shù)由成型間距決定。其理論值計算公式為：

式中，V為纖維體積分?jǐn)?shù)，n為預(yù)浸料層疊板鋪層層數(shù)，w為預(yù)浸料碳纖維面密度，h為成型間距。

圖1 設(shè)備設(shè)計示意圖Fig.1 Sketch of equipment design

1.2 實(shí)驗材料

預(yù)浸料為美國Cytec公司生產(chǎn)，型號規(guī)格X850，樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32%～33%，纖維面密度184 g/m2，預(yù)浸料面密度為273 g/m2，預(yù)浸料單層厚度約為0.212 mm。

1.3 預(yù)浸料樹脂體系性能測試

合理的成型溫度范圍尤為關(guān)鍵，因此采用Bohlin Instrument 公司生產(chǎn)的Gemini 旋轉(zhuǎn)流變儀對預(yù)浸料中樹脂流變特性進(jìn)行了測試。測試采用應(yīng)力控制模式（stress control），頻率為1 Hz，應(yīng)力為10 Pa，升溫速率為5 ℃/min。

1.4 樣品制備

1.4.1 鋪層方向及各部分名稱

圖2 L型制件鋪層方向示意圖Fig.2 Diagram of parts’ply orientation

如圖2所示。預(yù)浸料纖維方向沿L-型件虛線箭頭方向的為90°鋪層；沿L-型件實(shí)線箭頭所示為0°鋪層。對于設(shè)備成形的制件，緣條部分為設(shè)備蓋板預(yù)壓實(shí)固定部分，腹板為下壓頭成形部分。

1.4.2 層疊板制備

使用L 型自動鋪帶機(jī)在工作臺上鋪貼60 mm×30 mm 的預(yù)浸料層疊版，按照要求選取緣條部分尺寸，在等截面成型測試載荷測試夾具安裝完畢后進(jìn)行試驗。

預(yù)制體固化工藝：預(yù)固化即在完成預(yù)成型后，成型裝置保持最終狀態(tài)，外置烘箱加熱至180 ℃并保溫，時間為30 min，以保留預(yù)成型制件的原始狀態(tài)，方便后續(xù)觀察。

1.5 制件質(zhì)量表征

（1）金相表征：采用光學(xué)顯微鏡對固化后的L-型制件的腹板和拐角處橫截面金相試樣進(jìn)行觀察并拍照。

（2）纖維體積分?jǐn)?shù)及孔隙率計算：按照GB/T3365—2008［11］，利用金相照片以及Sisc IAS 分析軟件計算固化L-型制件的纖維體積分?jǐn)?shù)以及孔隙率。每個試樣選取10 組的500 倍觀測面內(nèi)無孔隙的顯微放大金相照片，進(jìn)行纖維體積分?jǐn)?shù)測量。計算孔隙率時，每根試樣至少選取5個點(diǎn)進(jìn)行拍照測量。

（3）預(yù)成型體纖維變形量：選取各制件不同區(qū)域下的500 倍金相照片，使用image-pro plus 分別計算0°及45°方向纖維的平均截面積。將各制件0°方向纖維的平均截面積中的最小值作為纖維0°方向的實(shí)際截面積S0，通過45°方向纖維平均截面積與S0的比值計算45°方向纖維的實(shí)際取向，通過比較同一制件不同區(qū)域的纖維取向，判斷纖維是否發(fā)生偏轉(zhuǎn)變形及變形程度。

2 工藝參數(shù)研究

使用自制的等截面成型載荷測試夾具進(jìn)行機(jī)械成型，以［90°/45°/0°/-45°］2s鋪層方式進(jìn)行鋪層，在92、97 以及113 ℃預(yù)成型溫度下，分別采用1、3、5 及7 mm/min 的預(yù)成型速率和2.99 mm 成型間距下進(jìn)行機(jī)械預(yù)成型。完成預(yù)制體固化后，對成型制件的質(zhì)量從兩方面分析：宏觀上，由于成型制件在夾具上緣條和腹板部位厚度均相同，僅針對制件拐角厚度進(jìn)行宏觀狀態(tài)上的比較；微觀上通過金相分析研究制件腹板及拐角的纖維體積分?jǐn)?shù)和孔隙率，以及制件腹板45°方向鋪層纖維的變形。

2.1 流變測試

預(yù)浸料體系的樹脂溫度-黏度曲線如圖3所示。選取三個溫度點(diǎn)，分別為92、97 及113 ℃，黏度分別為527、358 及153 Pa·s，黏度基本在預(yù)浸料體系所選取黏度的范圍內(nèi)。

圖3 樹脂流變曲線Fig.3 Rheologic curve of resin

2.2 拐角厚度

預(yù)成型制件腹板拐角厚度沿其半徑方向是不等的，各制件所取點(diǎn)不在同一位置容易造成人工誤差。因此，為了盡量消除拐角厚度測量過程中容易產(chǎn)生的人工誤差，利用成型制件作為固化模具，以低溫固化樹脂固化一個輔助測量斜塊，如圖4所示。

圖4 拐角厚度測量方式示意圖Fig.4 Measurement method for corner thickness

測量時，斜塊與成型制件完全貼合，采用非球面千分尺進(jìn)行測量，這時測量方向（圖4中的線13）與斜塊平面垂直，從而保證測量不同制件時測量方向偏離厚度方向的程度相同，同時在斜塊平面上沿寬度方向上的一條直線（點(diǎn)1 所在直線）等距標(biāo)記5 個點(diǎn)作為測量點(diǎn)，保證測量不同成型制件時測量點(diǎn)一致，基本消除測量過程中產(chǎn)生的人工誤差，保證測量結(jié)果之間的可比性。如圖4所示，測量時先測量5 個標(biāo)記點(diǎn)位置斜塊的厚度ha并記錄，然后測量各成型制件5 個標(biāo)記點(diǎn)位置斜塊與制件的總厚度Ha并記錄，通過式（2）計算得到制件拐角厚度的平均值。

式中，a代表測量點(diǎn)編號，為制件拐角厚度平均值，b表示不同成型條件。所得結(jié)果如圖5所示。

在92 ℃預(yù)成型溫度下，制件拐角厚度變化率隨成型速率的增大而增大，而在97 及113 ℃預(yù)成型溫度下，制件拐角厚度變化率先增大后減小。同時，較高的預(yù)成型溫度有利于保持制件拐角厚度的均勻。

圖5 拐角厚度變化率Fig.5 Thickness variation of corner

2.3 金相分析

圖6、圖7為92 ℃各速率下成型的L-型制件腹板和拐角金相圖片，97和103 ℃也是如此。

圖6 92 ℃成型制件腹板金相照片 25×Fig.6 Metallographic micrographs of the web of parts preformed under 92 ℃

在采用相同的成型間距的條件下，不同預(yù)成型溫度及速率的制件腹板體現(xiàn)出一致的狀態(tài)：層間樹脂層較厚，存在大量缺陷，均勻分散且面積較大，而層內(nèi)則不均勻地分布著面積較小的點(diǎn)狀缺陷。

通過Sisc IAS 軟件分析制件腹板及拐角的孔隙率和纖維體積分?jǐn)?shù)，如圖8及圖9所示。

圖7 92 ℃成型制件拐角金相照片 25×Fig.7 Metallographic micrographs of the corner of parts preformed under 92 ℃

圖8 不同預(yù)成型溫度及速率下L-型制件孔隙率Fig.8 Void contents of the web and the corner of parts preformed under diverse forming temperatures and rates

圖9 不同預(yù)成型溫度及速率下L-型制件纖維體積分?jǐn)?shù)Fig.9 Fiber volume content of the web and the corner of parts preformed under diverse forming temperatures and rates

可以從圖8（a）中看到92 ℃以及97 ℃下，隨預(yù)成型速率增大，腹板孔隙率增大。而高溫下，樹脂松弛時間較短，較高速率下也能觀察到高聚物的變形，同時高速率下下壓頭對制件腹板壓力更大，有利于層疊板的壓實(shí)以及孔隙的排出，113 ℃下，隨預(yù)成型速率增大，腹板孔隙率呈先增大后減小的規(guī)律，1～3 mm/min 預(yù)成型速率時，松弛時間對孔隙率的影響要大于預(yù)成型速率造成的壓力的影響，3～7 mm/min 時，后者影響則要大于前者。綜合來看，可以發(fā)現(xiàn)，在所有成型條件下，制件腹板的孔隙率在2.5%～4%，說明在固定成型間距的條件下，預(yù)成型溫度以及預(yù)成型速率對于腹板孔隙率的影響不大。

如圖8（b）所示，92 ℃預(yù)成型溫度下，預(yù)成型速率在1～5 mm/min 時，制件拐角孔隙率隨預(yù)成型速率上升而增大，預(yù)成型速率在5～7 mm/min時，制件拐角孔隙率減小，說明對制件拐角而言，預(yù)成型速率造成的壓力變化對于制件拐角的影響要大于對制件腹板的影響，在預(yù)成型速率為5～7 mm/min時，其影響超過了松弛時間的影響，這一現(xiàn)象在97 ℃時也相同。而在113 ℃預(yù)成型溫度下，制件拐角孔隙率變化呈現(xiàn)與腹板相同的變化規(guī)律。對比溫度對于制件腹板孔隙率的影響，發(fā)現(xiàn)預(yù)成型溫度增高有利于孔隙的消除，這是由于預(yù)成型溫度增高使樹脂黏度減小，流動性增強(qiáng)，有利于氣泡的排出和孔隙的消除。

如圖9（a）所示，各預(yù)成型溫度下不同預(yù)成型速率制件的腹板纖維體積分?jǐn)?shù)均在腹板理論纖維體積分?jǐn)?shù)54.4%左右，預(yù)成型溫度及預(yù)成型速率對于腹板纖維體積分?jǐn)?shù)的影響并不明顯。在92 以及97 ℃預(yù)成型溫度下，腹板纖維體積分?jǐn)?shù)隨預(yù)成型速率增大呈下降趨勢，而在113 ℃預(yù)成型溫度下，制件腹板纖維體積分?jǐn)?shù)隨預(yù)成型速率增大而增大，且溫度越高，腹板纖維體積分?jǐn)?shù)越大，與腹板孔隙率的變化相對應(yīng)。如圖9（b）所示，在各個成型條件下，制件拐角纖維體積分?jǐn)?shù)均低于54.4%，變化幅度大于腹板纖維體積分?jǐn)?shù)的變化。92 ℃預(yù)成型溫度下，制件拐角纖維體積分?jǐn)?shù)隨預(yù)成型速率的增大而減小；113 ℃預(yù)成型溫度下，制件拐角纖維體積分?jǐn)?shù)則隨預(yù)成型速率的增大而增大；97 ℃預(yù)成型溫度下制件拐角纖維體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律則不明顯，但大致呈隨預(yù)成型速率的增大而增大。

2.4 纖維變形

預(yù)成型制件腹板的預(yù)浸料鋪層在成型過程中經(jīng)歷了機(jī)械折彎、壓實(shí)、層間滑移等過程，相比于制件拐角更容易發(fā)生纖維的偏轉(zhuǎn)變形，其中尤以45°方向纖維更易發(fā)生。因此，這一部分主要針對制件腹板的45°方向纖維的偏轉(zhuǎn)變形進(jìn)行分析。

預(yù)浸料體系標(biāo)稱纖維直徑為5 μm，其標(biāo)稱橫截面積為19.63 μm2，統(tǒng)計各制件腹板兩個不同位置的0°方向纖維平均截面積，取統(tǒng)計結(jié)果中的實(shí)際最小值19.5 μm2為0°纖維方向的截面積。然后統(tǒng)計不同成型條件下制件同一放大倍數(shù)金相照片內(nèi)45°方向鋪層近模側(cè)和遠(yuǎn)模側(cè)兩個位置的平均纖維截面積，如圖10所示。所得平均橫截面積通過公式（3）計算纖維取向角度θ。

式中，S為45°方向鋪層平均纖維截面積，S0為纖維的橫截面面積。這里選取統(tǒng)計結(jié)果中的最小值19.5 μm2作為S0。

圖10 制件腹板45°方向鋪層金相照片 500×Fig.10 Metallographic micrographs of the web of parts

如圖11所示，對比同一成型條件下制件同一放大倍數(shù)金相照片內(nèi)45°方向鋪層厚度方向兩側(cè)纖維取向角度發(fā)現(xiàn)，45°方向鋪層兩側(cè)纖維取向有明顯不同。這是由于在機(jī)械成型過程中，相鄰的鋪層會產(chǎn)生相對滑移，層與層之間的滑移會受到樹脂粘滯阻力的阻礙，粘滯阻力作用于鋪層表面纖維就會造成鋪層表面纖維沿剪切力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)變形。圖11所示45°方向鋪層右側(cè)靠近模具，左側(cè)靠近制件外表面，其鋪層纖維取向角度沿紅色箭頭方向變化，從左到中間再到右側(cè)纖維取向角度變化為49.22°、47.29°、45.36°。說明鋪層越靠近制件外表面，其所受剪切力越大，剪切力所造成的纖維偏轉(zhuǎn)變形越大。

圖11 1 mm/min成型制件腹板45°方向鋪層金相照片 500×Fig.11 Metallographic micrographs of the web of parts forming preformed under 1 mm/min

從整體而言，92 ℃預(yù)成型溫度以及113 ℃預(yù)成型溫度所得制件腹板45°方向鋪層纖維變化程度要大于97 ℃預(yù)成型溫度下成型制件，說明樹脂黏度較高或較低都容易導(dǎo)致機(jī)械成型過程中45°方向鋪層纖維的偏轉(zhuǎn)變形。溫度變化主要影響樹脂黏度的變化，而樹脂黏度變化會造成層間滑移產(chǎn)生的剪切作用力以及樹脂對于鋪層內(nèi)纖維束約束力的相應(yīng)變化。當(dāng)剪切作用力大于約束力時，纖維發(fā)生偏轉(zhuǎn)變形，相差程度越大，偏轉(zhuǎn)變形越嚴(yán)重。三個預(yù)成型溫度下，剪切作用力均大于約束力，因此都存在纖維的偏轉(zhuǎn)變形，但92 及113 ℃預(yù)成型溫度剪切作用力與約束力的相差程度要大于97 ℃預(yù)成型溫度，因此97 ℃預(yù)成型溫度下纖維偏轉(zhuǎn)變形程度相對較輕。同時可以發(fā)現(xiàn)，從整體上看預(yù)成型速率增大會加劇纖維的偏轉(zhuǎn)變形，這是由于預(yù)成型速率增大會使層間滑移速率增大，造成層間剪切作用力增大，而約束力不受預(yù)成型速率的影響，導(dǎo)致纖維偏轉(zhuǎn)變形程度增大。綜合上述，在97 ℃預(yù)成型溫度、低預(yù)成型速率下可以減小制件腹板鋪層在機(jī)械成型過程中的纖維偏轉(zhuǎn)變形。據(jù)此，這里可以采用同一45°方向鋪層沿厚度方向的纖維取向角度變化來表征層間剪切力所造成的纖維偏轉(zhuǎn)變形。各成型條件下制件45°方向鋪層的纖維取向角度變化平均值折線圖如圖12所示。

圖12 各成型條件下制件腹板45°方向鋪層纖維取向角度變化平均值折線圖Fig.12 Change of fiber orientation angle diagram at 45°direction layer

綜合拐角厚度、金相分析以及纖維變形的分析結(jié)果，在鋪層形式以及成型間距確定的情況下，要獲得低孔隙率、高纖維體積分?jǐn)?shù)的制件，應(yīng)該采用97 ℃預(yù)成型溫度、1～3 mm/min預(yù)成型速率這一工藝參數(shù)。

2.5 表面鋪層影響

復(fù)合材料長桁在使用過程中承受軸向力，為了提高其承載能力，表面鋪層一般采用45°方向鋪層。在傳統(tǒng)的手工鋪層方式下，45°方向鋪層對成型工藝并沒有太大影響，但在采用機(jī)械成型方式預(yù)成型45°方向表面鋪層長桁時，則會對成型制件質(zhì)量有較大影響。

在45 ℃預(yù)成型溫度、5 mm/min 預(yù)成型速率及1.70 mm 成型間距（53.9%腹板理論纖維體積分?jǐn)?shù)）條件下，以鋪層形式鋪疊層疊板并進(jìn)行機(jī)械成型實(shí)驗，所得制件外觀及載荷曲線如圖13所示。從圖中可以看出，制件在成型過程中，表面45°方向鋪層發(fā)生了嚴(yán)重的偏轉(zhuǎn)變形，其載荷曲線在20 mm 左右初即進(jìn)入一個平臺，并在30 mm 后出現(xiàn)一個大的下降。

圖13 制件外觀及載荷曲線Fig.13 Part appearance and load-displacement curve

根據(jù)前期研究，從成型工藝參數(shù)的角度有四種方式可以減小表層45°方向纖維變形程度：（a）降低預(yù)成型溫度，提高樹脂黏度；（b）降低預(yù)成型速率；（c）增大成型間距；（d）采用保護(hù)層。其中，增大成型間距將導(dǎo)致預(yù)成型質(zhì)量孔隙率增大，缺陷變多，這一方式不予以考慮。

（1）預(yù)成型溫度及速率

在機(jī)械成型過程中，表面45°方向鋪層將直接與下壓頭成型面接觸，將受到一個向下的剪切作用力F。剪切作用力F可分解為垂直于纖維方向的力F1和平行于纖維方向的力F2。F1越大時造成的纖維偏轉(zhuǎn)就越大。R.Scherer等［12］研究了熱塑性預(yù)浸料層滑移行為后指出層間滑移速率與層間滑移阻力具有正相關(guān)的關(guān)系。剪切作用力增大時會造成45°方向纖維的偏轉(zhuǎn)變形，出現(xiàn)纖維束分離的現(xiàn)象。由此可知，降低預(yù)成型溫度和降低預(yù)成型速率都可以有效減小下壓頭成型面對表面預(yù)浸料鋪層的剪切作用力，減小表層45°方向纖維變形程度。

圖14 1 mm/min預(yù)成型速率下各溫度成型制件腹板表面質(zhì)量Fig.14 Surface quality of the formed parts at various temperatures at 1 mm/min molding rate

在使用低速率的情況下，兩個預(yù)成型溫度的成型制件表面45°方向鋪層都存在嚴(yán)重的轉(zhuǎn)動變形，其后的0°方向鋪層也出現(xiàn)了纖維束分離的情況。可見低預(yù)成型速率及低預(yù)成型溫度對于改善表面45°方向鋪層在機(jī)械成型過程中出現(xiàn)的變形沒有顯著效果。

（2）保護(hù)層

以鋪層方式［45°/02°/-45°/90ˉ°］s進(jìn)行鋪疊，在1.70 mm成型間距下，在層疊板表面鋪上一層聚四氟乙烯布作為保護(hù)層，以1 mm/min、30 ℃，及92 ℃、5 mm/min 成型條件進(jìn)行預(yù)成型。實(shí)驗表明1 mm/min預(yù)成型速率、30 ℃預(yù)成型溫度條件下成型制件（圖15所示）表層45°方向纖維幾乎沒有變形，表觀質(zhì)量良好，而高速率高溫度下表觀質(zhì)量較差。

圖15 采用保護(hù)層，在30 ℃、1 mm/min時成型制件表觀質(zhì)量Fig.15 Apparent quality of molded parts with protective layer at 30 ℃and 1 mm/min

3 結(jié)論

（1）綜合制件拐角厚度、孔隙率、纖維體積分?jǐn)?shù)以及纖維變形程度比較的結(jié)果，確定97 ℃預(yù)成型溫度、1～3 mm/min 預(yù)成型速率、［90°/45°/0°/-45°］2s鋪層方式、2.99 mm 成型間距下，是預(yù)浸料較優(yōu)的成型工藝參數(shù)。

（2）當(dāng)表面鋪層為45°方向時，成型過程中表面鋪層會發(fā)生嚴(yán)重的纖維偏轉(zhuǎn)變形。通過改變預(yù)成型速率以及預(yù)成型溫度的方式均不能有效解決這一問題，但在鋪層表面添加聚四氟乙烯布保護(hù)層可以有效改善纖維的變形及偏轉(zhuǎn)。

（3）提出通過分析0°和45°纖維金相橫截面照片來表征纖維變形量的方法，可以定量計算制件內(nèi)層纖維偏轉(zhuǎn)的角度，具有一定的參考價值。