自動(dòng)鋪絲加熱均勻性及其對(duì)復(fù)合材料性能的影響*

鄧琳蔚，普遠(yuǎn)矚，張少秋，楊 恒，韓妙玲

（1.北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094；2.陜西普立通復(fù)材科技有限公司，渭南 714000）

高性能復(fù)合材料已經(jīng)逐漸成為航空航天的主要制造材料之一，其使用率已成為航空航天飛行器先進(jìn)性的重要指標(biāo)[1–4]。自動(dòng)鋪絲技術(shù)是目前最先進(jìn)的復(fù)合材料制造技術(shù)之一[5]，在自動(dòng)鋪絲過(guò)程中，為了適應(yīng)不同樹(shù)脂體系的預(yù)浸絲束鋪放工藝，防止預(yù)浸絲束與紗架和鋪絲頭中與所接觸的零部件產(chǎn)生粘連，必須使預(yù)浸絲束在一個(gè)溫度較低的環(huán)境中輸送，從而減小樹(shù)脂基體的黏性力，確保預(yù)浸絲束的順利鋪放。而當(dāng)預(yù)浸絲束在自動(dòng)鋪放時(shí)，由于鋪放速度較快，為了確保預(yù)浸絲束鋪層之間的良好粘接，必須提高溫度，以增加預(yù)浸絲束中樹(shù)脂基體的黏性力，使預(yù)浸絲束鋪層能夠快速粘接，以減少橋架和預(yù)浸絲束翹邊、褶皺，甚至脫層等鋪放工藝缺陷，但是，較高的溫度也會(huì)使得預(yù)浸絲束的變形過(guò)大，導(dǎo)致鋪層中容易出現(xiàn)氣泡、褶皺等缺陷[6–7]。因此，鋪放溫度是影響自動(dòng)鋪絲工藝的關(guān)鍵的參數(shù)之一[8]。

研究人員對(duì)自動(dòng)鋪放加熱系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛的研究，文瓊?cè)A等[9]研究了溫度對(duì)自動(dòng)鋪帶預(yù)浸料鋪放效果的影響。黃志軍[10]等研究了預(yù)浸料溫度對(duì)黏度的影響規(guī)律，上述研究均表明溫度對(duì)預(yù)浸料黏附性有重要影響，是影響自動(dòng)鋪帶工藝成型質(zhì)量的關(guān)鍵因素。文立偉等[11]、孫天峰[12]搭建了基于紅外加熱的軟硬件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋪層加熱溫度的有效控制。徐強(qiáng)等[13]建立了自動(dòng)鋪放紅外熱源方程并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。Lichtinger等[14]研究了紅外加熱系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)鋪絲過(guò)程中鋪層加熱區(qū)域的影響，研究結(jié)果表明鋪層路徑和順序?qū)訜釡囟确植加兄匾绊?。Hormann[15]、Hassan[16]和Chinesta等[17]通過(guò)有限元方法對(duì)鋪放工藝中的加熱過(guò)程進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。Khan等[18]通過(guò)參數(shù)化的方法對(duì)鋪放過(guò)程進(jìn)行研究，表明溫度是影響鋪放加工過(guò)程的關(guān)鍵因素。Crossley等[19]研究了溫度和鋪放速度對(duì)預(yù)浸料黏度的影響，研究結(jié)果表明通過(guò)控制鋪放溫度和速度能夠提高鋪放工藝的工藝質(zhì)量和可靠性。

為了進(jìn)一步研究復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲工藝中加熱過(guò)程對(duì)復(fù)合材料性能的影響規(guī)律，論文中建立了自動(dòng)鋪絲過(guò)程中的紅外加熱系統(tǒng)傳熱模型，基于紅外傳熱模型對(duì)自動(dòng)鋪絲工藝溫度控制方法和鋪層中溫度分布均勻性進(jìn)行了分析，并通過(guò)試驗(yàn)研究了加熱溫度均勻性對(duì)復(fù)合材料性能的影響。

1 預(yù)浸絲束鋪放過(guò)程傳熱分析

樹(shù)脂黏度和樹(shù)脂的黏性力有直接的關(guān)系[7]。通過(guò)控制溫度可使預(yù)浸絲束中的樹(shù)脂獲得適合的黏度，以防止預(yù)浸絲束在輸送過(guò)程中與輸送通道之間的粘接，影響自動(dòng)鋪絲過(guò)程中預(yù)浸絲束輸送的可靠性和穩(wěn)定性。但同時(shí)在自動(dòng)鋪放過(guò)程中，要使預(yù)浸絲束能夠和已鋪放鋪層或者模具可靠粘接，緊密貼合，才能確保自動(dòng)鋪放過(guò)程的順利實(shí)施，并獲得良好的復(fù)合材料制造質(zhì)量。

預(yù)浸絲束自動(dòng)鋪放過(guò)程在開(kāi)放的工作環(huán)境中進(jìn)行，且要求加熱區(qū)域溫度穩(wěn)定。圖1是預(yù)浸絲束加熱系統(tǒng)模型示意圖。其中紅外燈安裝在反射罩中，加熱已鋪放鋪層或者芯模。為了防止待鋪放預(yù)浸絲束被加熱，在加熱區(qū)域和預(yù)浸絲束輸送區(qū)域之間有隔熱層。紅外燈及反射罩、隔熱層、壓輥等作為鋪絲頭的一部分，隨鋪絲頭一起以速度V移動(dòng)。從圖1可以看出，紅外燈距壓輥中心有一定的距離x，隨著鋪絲頭的移動(dòng)，紅外燈的熱影響區(qū)域才能夠移動(dòng)到壓輥的壓緊點(diǎn)P。因此，整個(gè)預(yù)浸絲束加熱過(guò)程可分為兩個(gè)部分，加熱過(guò)程和放熱壓緊過(guò)程。在加熱過(guò)程中，紅外燈加熱已鋪放鋪層或者芯模，使其達(dá)到一定溫度。而在放熱壓緊過(guò)程中，隨著鋪絲頭的移動(dòng)，被加熱的區(qū)域開(kāi)始釋放熱量，直到完成壓緊，使上下兩層實(shí)現(xiàn)粘接。在這兩個(gè)過(guò)程中，加熱過(guò)程控制已鋪放鋪層或者芯模表面溫度，而放熱壓緊過(guò)程影響最終壓緊點(diǎn)的溫度，其傳熱過(guò)程分析如下。

1.1 加熱過(guò)程

加熱過(guò)程是通過(guò)紅外燈將預(yù)浸絲束加熱到一定溫度的過(guò)程。由于紅外燈加熱系統(tǒng)和預(yù)浸絲束或者芯模沒(méi)有直接接觸，所以它對(duì)預(yù)浸絲束或者芯模的熱影響區(qū)域的熱傳遞方式主要是紅外熱輻射、對(duì)流換熱（對(duì)流換熱是流體流過(guò)固體壁面時(shí)，由于兩者溫度不同所發(fā)生的熱量傳遞過(guò)程）和鋪層間的熱傳導(dǎo)。熱量傳遞過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)的換熱方式如圖2所示。預(yù)浸絲束或者芯模接收到的熱量可通過(guò)式（1）計(jì)算：

式中：Q1為總熱量，J；Qr1為輻射熱量， J ；Qcv1為對(duì)流換熱熱量，J。

其中，輻射熱量Qr1可以采用斯蒂芬–波爾茲曼方程[20]來(lái)計(jì)算：

其中：Ψ為輻射率；σ為斯蒂芬–波爾茲曼常數(shù)，約為5.67×10–8W/（m2·K4）；A1為紅外燈的輻射面積，mm2；T1、T2為分別為紅外燈表面和預(yù)浸絲束表面的絕對(duì)溫度，K；F12為輻射角系數(shù)。輻射角系數(shù)F12與兩個(gè)輻射體的幾何特征相關(guān)，包括表面形狀、尺寸和相對(duì)位置。它是輻射熱量計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)，可參考相關(guān)文獻(xiàn)。

圖1 自動(dòng)鋪絲加熱系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of automated fiber placement (AFP) heating system

對(duì)于對(duì)流換熱熱量Qcv1可以用牛頓冷卻公式[20]來(lái)進(jìn)行計(jì)算：

其中，ΔT1為空氣與預(yù)浸絲束鋪層間的溫度差，K；Aa為空氣與預(yù)浸絲束鋪層間的換熱面積，m2；hir為紅外燈加熱預(yù)浸絲束鋪層時(shí)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)同流體的流速，流體的物性參數(shù)，固體壁面的形狀和位置等有關(guān)。鋪放過(guò)程近似滿足外掠等溫平板、無(wú)內(nèi)熱源、層流等條件，其計(jì)算方法可參考相關(guān)文獻(xiàn)。

1.2 放熱壓緊過(guò)程

放熱壓緊過(guò)程是指被加熱的預(yù)浸絲束在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后被壓輥同上面鋪層一同壓緊的過(guò)程。被加熱的預(yù)浸絲束在放熱和壓緊過(guò)程中的熱傳遞方式主要是熱傳導(dǎo)和對(duì)流換熱。熱量傳遞過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)的換熱方式如圖3所示。其各個(gè)熱傳遞過(guò)程中的熱量計(jì)算方法與加熱過(guò)程相同，總的放熱量Q2為：

其中，Qcv2為預(yù)浸料鋪層熱對(duì)流釋放熱量，J；Qcd2為預(yù)浸料鋪層熱傳導(dǎo)釋放熱量，J。

對(duì)于熱傳導(dǎo)熱量Qcd，根據(jù)傅立葉定律，其三維熱傳導(dǎo)控制方程在直角坐標(biāo)系中可表示為：

其中：λ為沿各個(gè)方向的熱傳導(dǎo)率，W/（m·K）；n為單位法矢量；為溫度梯度，它是隨著厚度和時(shí)間而改變的一個(gè)變量；A2為傳熱物體接觸面積，m2。

2 鋪層加熱溫度理論分析

圖2 鋪層加熱過(guò)程傳熱示意圖Fig.2 Schematic of prepregs heatingtransfer

圖3 鋪層放熱過(guò)程示意圖Fig.3 Schematic of prepregs heating release

由前述預(yù)浸絲束鋪放過(guò)程分析可知，壓緊點(diǎn)處的溫度是預(yù)浸絲束鋪放過(guò)程中上下層粘接的最終溫度。壓緊點(diǎn)的溫度的計(jì)算過(guò)程如下。

設(shè)壓緊點(diǎn)預(yù)浸絲束所需溫度為T(mén)，初始溫度為T(mén)0，則預(yù)浸絲束鋪層升溫至T時(shí)所需的熱量Q可通過(guò)式（6）計(jì)算：

式中，cp為預(yù)浸絲束的比熱容，kJ/（kg·℃）；m為被輻照的預(yù)浸絲束的質(zhì)量，kg。

在預(yù)浸絲束鋪放過(guò)程中，Q是通過(guò)熱量傳遞來(lái)獲得的，它的計(jì)算公式如式（7）所示。即預(yù)浸絲束在鋪放過(guò)程中接收到的熱量減去釋放的熱量。

將式（3）、（6）代入式（7），可得：

其中：hir、hp分別為紅外燈加熱預(yù)浸絲束時(shí)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和預(yù)浸絲束放熱時(shí)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；ΔT1、ΔT2分別為紅外燈加熱預(yù)浸絲束時(shí)的空氣和預(yù)浸絲束的溫度差，以及預(yù)浸絲束放熱時(shí)的空氣和預(yù)浸絲束的溫度差。

由于實(shí)際鋪放過(guò)程中的速度較高，一般速度為50～500mm/s，而壓輥壓緊點(diǎn)距離紅外燈的加熱距離約為100mm（圖1中的距離x），因此整個(gè)對(duì)流換熱過(guò)程持續(xù)的時(shí)間約為0.2～2s，對(duì)流換熱作用時(shí)間非常短。同時(shí)，二者的作用過(guò)程互逆，因此為了簡(jiǎn)化分析，將二者相互抵消，則式（8）可轉(zhuǎn)化為式（9）：

由式（9）可知，預(yù)浸絲束壓緊點(diǎn)的溫度主要取決于紅外輻射熱量和預(yù)浸絲束的熱傳導(dǎo)熱量，即紅外燈的輸入熱量和預(yù)浸絲束的釋放熱量之差。最終的溫度還是取決于紅外的輻射熱量Qu。

其中：Pir為紅外燈功率，W ；th為加熱時(shí)間，s；th= x/V，x為紅外燈距壓緊點(diǎn)的距離，mm；V為鋪放速度， m/s；Uir為紅外燈電壓，V；Iir為紅外燈電流，A；ηir為有效輻射系數(shù)。

結(jié)合式（2）、（9）和（10），可知預(yù)浸絲束在壓緊點(diǎn)的溫度分布可通過(guò)式（11）進(jìn)行計(jì)算：

其中，U為紅外燈電壓；I為紅外燈電流；t為加熱時(shí)間；η為有效輻射系數(shù)。

由上述各式可知，預(yù)浸絲束的加熱溫度與其初始溫度、紅外燈照射距離、輻照面積、輻照時(shí)間，以及紅外燈功率等因素相關(guān)。而紅外燈控制電壓U與溫度分布可表示為：

根據(jù)預(yù)浸絲束鋪放過(guò)程傳熱分析，由式（12）可知，紅外燈控制電壓U與溫度參數(shù)之間表現(xiàn)出復(fù)雜的非線性關(guān)系。紅外輻射加熱過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)輻射角系數(shù)與輻射體的幾何特征相關(guān)，包括表面形狀、尺寸和相對(duì)位置相關(guān)。由于采用自動(dòng)鋪絲工藝所成型的復(fù)合材料構(gòu)件的輪廓形狀和芯模結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，如包括回轉(zhuǎn)體、開(kāi)放型面和封閉型面等，使得輻射角系數(shù)通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)都非常難以確定。同時(shí)，由于復(fù)合材料的各向異性，每層鋪層都有不同的鋪放角度，使其各個(gè)方向上的熱傳導(dǎo)率也表現(xiàn)出各向異性的特征[14，21]。因此，很難建立準(zhǔn)確的自動(dòng)鋪絲加熱理論分析模型。

3 鋪層加熱均勻性分析

預(yù)浸絲束在加熱過(guò)程中，樹(shù)脂基體發(fā)生固化交聯(lián)反應(yīng)并釋放熱量，同時(shí)固化體系內(nèi)部及內(nèi)部與外部之間會(huì)發(fā)生熱量傳遞。熱化學(xué)模型用以描述樹(shù)脂黏度μr和固化度Dc的分布和變化。在溫度場(chǎng)均勻分布條件下，復(fù)合材料在固化時(shí)溫度分布和變化關(guān)系如式（13）所示[22]：

由于固化反應(yīng)至發(fā)生在預(yù)浸絲束鋪層內(nèi)，式（13）的最后一項(xiàng)可表示為：

其中：ρr、ρf分別為樹(shù)脂和纖維的密度；vr、vf分別為樹(shù)脂和纖維的體積分?jǐn)?shù)；qr和qf分別為樹(shù)脂和纖維的反應(yīng)放熱速率，J/s。

由于纖維不參與反應(yīng)放熱，故式（14）中

對(duì)于樹(shù)脂的固化度定義為：

其中，Qr為從固化反應(yīng)開(kāi)始到時(shí)刻t的反應(yīng)放熱量，J；Hr為固化反應(yīng)所釋放的總熱量，J。

將式（16）兩端對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)可得：

結(jié)合式（14）、（15）和（17）可得，預(yù)浸絲束鋪層在加熱過(guò)程中的溫度分布為：

預(yù)浸絲束中固化反應(yīng)速率與樹(shù)脂反應(yīng)放熱的關(guān)系可表示為：

由于自動(dòng)鋪放過(guò)程只是熱固性復(fù)合材料的預(yù)成型階段，因此在整個(gè)鋪放過(guò)程中必須確保不產(chǎn)生固化效應(yīng)，即Dc=0，即結(jié)合式（18）和式（19）可得，預(yù)浸絲束鋪層在鋪放過(guò)程中的溫度分布為：

在自動(dòng)鋪絲工藝過(guò)程中，需要對(duì)預(yù)浸絲束鋪層進(jìn)行預(yù)加熱，以增強(qiáng)鋪層之間的粘接，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件的預(yù)成型。由于鋪放成型加熱過(guò)程不是固化加熱過(guò)程，所以必須確保預(yù)浸絲束鋪層中的樹(shù)脂不能產(chǎn)生固化反應(yīng)，以避免由于樹(shù)脂的預(yù)固化而影響最終復(fù)合材料構(gòu)件的性能。

4 試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中所使用的碳纖維預(yù)浸絲束由威海光威復(fù)合材料股份有限公司生產(chǎn)。預(yù)浸絲束中的碳纖維為臺(tái)灣臺(tái)麗公司（Tairyfil TC35–12K）的產(chǎn)品，樹(shù)脂為環(huán)氧樹(shù)脂，含膠量33%±3%。碳纖維TC35–12K的主要性能參數(shù)：密度為1.802g/cm3；拉伸強(qiáng)度為4154.24MPa；拉伸模量為246.84GPa；延伸率為1.68%。采用威海光威復(fù)合材料股份有限公司生產(chǎn)的預(yù)浸絲束所制作的復(fù)合材料單向?qū)雍习逯饕阅軈?shù)：拉伸強(qiáng)度為1800MPa；層間剪切強(qiáng)度為65MPa；拉伸模量為120GPa；彎曲強(qiáng)度為1100MPa。

4.2 試驗(yàn)設(shè)備和方法

首先，對(duì)鋪放過(guò)程中鋪層的加熱溫度進(jìn)行測(cè)試，并制作不同加熱溫度下的復(fù)合材料試件，試件尺寸為500mm×500mm，鋪絲速度為50mm/s，鋪層方式為[0/±45/90]。鋪層加熱溫度采用紅外溫度傳感器Optrics CT，紅外熱像儀型號(hào)為SC7300M。采用西安交通大學(xué)研制的自動(dòng)鋪絲機(jī)（圖4）工作范圍： 3000mm（L）×2500mm（W）×2000mm（H）；設(shè)計(jì)最大絲束鋪放速度30m/min；壓緊力100～1200N，波動(dòng)范圍±10N；加熱溫度20～70℃，波動(dòng)范圍±4℃；絲束張力0～20N可控，波動(dòng)范圍±2N。

圖4 自動(dòng)鋪絲機(jī)及鋪層加熱測(cè)試示意圖Fig.4 AFP machine and schematic of temperature test

表1為加熱溫度測(cè)試表，在6種溫度下制作復(fù)合材料試件，研究預(yù)浸絲束的加熱溫度對(duì)復(fù)合材料試件性能的影響。試件制作過(guò)程中壓緊力取600N，預(yù)浸絲束張力為0～6N。固化制度為：從室溫升溫至80℃保溫30min，再升溫至130℃保溫60min后，逐漸冷卻至室溫。升/降溫速率為1.5℃/min。

表1 加熱溫度測(cè)試表Table 1 Test table of heat temperature

然后，根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和相關(guān)專用夾具對(duì)復(fù)合材料試件進(jìn)行拉伸、彎曲、層間剪切等力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。復(fù)合材料試件的層間剪切強(qiáng)度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為:ASTM D2344–00；拉伸強(qiáng)度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為：ASTM D3039–07；彎曲強(qiáng)度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為：ASTM D7264–07。每種工藝條件下的復(fù)合材料試件均進(jìn)行5組測(cè)試，并結(jié)合微觀形貌觀察結(jié)果對(duì)復(fù)合材料試件性能進(jìn)行分析。萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為：INSTRON–5565，最大負(fù)荷5kN，加載行程1135mm，加載速度0.001～100mm/s。掃描電子顯微鏡型號(hào)為：HITACHI S–3000。

5 結(jié)果與討論

5.1 鋪層加熱溫度測(cè)試

圖5為鋪放速度為50mm/s 時(shí)鋪層加熱溫度測(cè)試圖?？芍?，通過(guò)合適控制算法，雖然溫度具有一定的波動(dòng)性，但能夠基本滿足鋪層加熱溫度的控制要求。圖6為鋪層加熱過(guò)程的紅外成像圖?？芍?，加熱的核心區(qū)域可控溫度可達(dá)設(shè)定溫度50℃左右，能夠滿足預(yù)浸絲束的預(yù)熱要求。核心加熱區(qū)域的溫度分布也比較均勻，能夠?qū)︻A(yù)浸絲束鋪層進(jìn)行均勻的加熱。但是，由于加熱面積往往會(huì)大于預(yù)浸絲束的實(shí)際鋪放面積，從而會(huì)對(duì)相鄰的已鋪放鋪層進(jìn)行重復(fù)加熱，有可能對(duì)預(yù)浸絲束的性能造成影響，最終影響復(fù)合材料試件制品的性能。

圖5 加熱溫度控制結(jié)果Fig.5 Heating temperature control results

圖6 預(yù)浸絲束鋪層加熱過(guò)程紅外圖像Fig.6 Infrared images detected in heating process

5.2 加熱溫度對(duì)復(fù)合材料性能的影響

圖7為鋪層加熱溫度對(duì)復(fù)合材料試件性能的影響曲線?？芍?，隨著鋪層加熱溫度的升高，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度（最小平均值691.52MPa，最大平均值835.87MPa）、彎曲強(qiáng)度（最小平均值934.64MPa，最大平均值1050.65MPa）和層間剪切強(qiáng)度（最小平均值59.67MPa，最大平均值62.61MPa）分別提高了20.9%、12.4%和4.9%。當(dāng)溫度進(jìn)一步提高后，各項(xiàng)強(qiáng)度開(kāi)始下降。其原因在于，在鋪放過(guò)程中，隨著鋪層加熱溫度的提高，預(yù)浸絲束中樹(shù)脂的黏度逐漸降低，黏性力增加，此時(shí)，在外加壓緊力的作用下，將有利于鋪層之間的粘接，改善復(fù)合材料試件的成型質(zhì)量和性能。而隨著鋪層加熱溫度的進(jìn)一步提高，樹(shù)脂基體的黏度和黏性力會(huì)持續(xù)降低。此時(shí)，在壓輥機(jī)構(gòu)外加壓緊力的作用下，在壓緊區(qū)域存在局部的壓力梯度。由于壓力梯度的影響，預(yù)浸絲束鋪層中的樹(shù)脂會(huì)從高壓區(qū)域向低壓區(qū)域流動(dòng)。壓緊力越大，壓力梯度分布越大，加熱溫度提高，樹(shù)脂黏度會(huì)減小，在壓力梯度和溫度場(chǎng)的共同作用下，樹(shù)脂的流動(dòng)趨勢(shì)越明顯。導(dǎo)致樹(shù)脂產(chǎn)生局部的流動(dòng)，使樹(shù)脂分布不均勻，出現(xiàn)貧樹(shù)脂區(qū)域。

圖7 鋪層加熱溫度對(duì)復(fù)合材料性能的影響Fig.7 Effect of heating temperature on mechanical properties of laminates

圖8為不同加熱溫度下所制作的復(fù)合材料試件固化后在破壞斷口處觀測(cè)到的微觀形貌，其中圖8（a）為設(shè)定加熱溫度30℃，壓緊力為600N時(shí)所制作的復(fù)合材料試件微觀形貌，圖8（b）為設(shè)定加熱溫度50℃，壓緊力同樣為600N時(shí)所制作的復(fù)合材料試件微觀形貌?？芍?，當(dāng)設(shè)定加熱溫度為30℃時(shí)，復(fù)合材料試件中樹(shù)脂和纖維分布均勻，其宏觀力學(xué)性能較好。而當(dāng)設(shè)定加熱溫度為50℃時(shí)，復(fù)合材料試件中出現(xiàn)了明顯的貧樹(shù)脂區(qū)，說(shuō)明樹(shù)脂在鋪放加熱溫度和壓緊力的作用下重新分布，造成局部纖維之間缺乏基體的有效連接，產(chǎn)生一定的層間缺陷，從而影響了復(fù)合材料試件的宏觀力學(xué)性能，雖然試件的拉伸和彎曲強(qiáng)度影響不大，但是對(duì)其層間性能有一定程度的影響。

圖8 不同加熱溫度下的鋪層SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM photographs of laminates at different heating temperatures

5.3 加熱均勻性對(duì)復(fù)合材料性能影響

在預(yù)浸絲束的鋪放過(guò)程中，由于紅外輻射光斑的分散性，導(dǎo)致熱區(qū)域的寬度Wh大于預(yù)浸絲束鋪層的寬度Wp，從而相鄰軌跡之間會(huì)產(chǎn)生重復(fù)加熱區(qū)，如圖9所示。同時(shí)，當(dāng)進(jìn)行上層預(yù)浸絲束鋪放時(shí)，下層的預(yù)浸絲束也會(huì)被傳導(dǎo)的熱量加熱。這樣已經(jīng)鋪放在芯模上的預(yù)浸絲束鋪層會(huì)被反復(fù)加熱，當(dāng)加熱溫度較高時(shí)，會(huì)使預(yù)浸絲束鋪層產(chǎn)生局部預(yù)固化，影響樹(shù)脂的性能，從而造成復(fù)合材料性能下降。殘余熱量對(duì)預(yù)浸絲束鋪層的熱影響可由式（18）和（19）進(jìn)行描述。

圖9 重復(fù)加熱區(qū)形成示意圖Fig.9 Schematic of formation of repeated heating zone

圖10為不同溫度下對(duì)預(yù)浸絲束鋪層進(jìn)行反復(fù)加熱（加熱3次）后所獲得試件的平均固化度測(cè)試結(jié)果。隨著預(yù)浸絲束加熱溫度的提高，固化度略微有所提高。當(dāng)加熱溫度增大到50℃時(shí)，試件的固化度相比較室溫環(huán)境的固化度提高了1.87%，說(shuō)明鋪層中的預(yù)浸絲束已經(jīng)產(chǎn)生部分預(yù)固化，這不但會(huì)影響鋪層之間的粘接，更重要的是熱固性樹(shù)脂很難二次固化，從而最終對(duì)復(fù)合材料試件的層間力學(xué)性能產(chǎn)生一定的影響。

圖10 加熱溫度與預(yù)浸絲束固化度的關(guān)系Fig.10 Relationship between heating temperature and curing rate of prepreg

因此，在自動(dòng)鋪絲工藝中，預(yù)浸絲束鋪層的加熱溫度對(duì)其最終的性能有明顯的影響。當(dāng)加熱溫度較低時(shí)，不利于預(yù)浸絲束鋪層之間的粘接，從而出現(xiàn)褶皺、脫粘等鋪層缺陷；而當(dāng)溫度較高時(shí)，在壓緊力作用下，預(yù)浸絲束鋪層中會(huì)出現(xiàn)貧樹(shù)脂區(qū)，并且由于鋪放過(guò)程中加熱區(qū)域的不均勻，導(dǎo)致預(yù)浸絲束局部鋪層在較高溫度下反復(fù)加熱，影響了樹(shù)脂基體的性能，最終影響了復(fù)合材料構(gòu)件的性能。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，論文中所用材料體系的最佳加熱溫度范圍為35～40℃左右。

6 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)自動(dòng)鋪絲加熱過(guò)程中紅外傳熱模型、溫度模型和加熱均勻性的理論分析，初步建立了采用紅外加熱的自動(dòng)鋪絲過(guò)程熱系統(tǒng)模型，提出了自動(dòng)鋪絲紅外加熱系統(tǒng)需要采用模糊等智能控制算法實(shí)現(xiàn)。

（2）鋪層加熱溫度是影響復(fù)合材料性能的關(guān)鍵工藝參數(shù)，當(dāng)設(shè)定加熱溫度為35℃時(shí)，論文中所制作的復(fù)合材料試件的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度分別提高了20.9%、12.4%和4.9%。

（3）由于加熱不均勻?qū)е碌念A(yù)浸絲束鋪層局部溫度過(guò)高而產(chǎn)生的復(fù)合材料預(yù)浸絲束預(yù)固化和在壓力溫度共同作用下局部樹(shù)脂流動(dòng)導(dǎo)致的貧樹(shù)脂區(qū)域的出現(xiàn)會(huì)對(duì)復(fù)合材料試件的層間性能產(chǎn)生一定的不利影響。