熱塑性預(yù)浸帶成型加熱熱源研究

李東陽(yáng)，宋麗蕓，杜娟，李云杰，劉國(guó)豪，潘騰，穆承廣

（1.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司管道科技研究中心；2.廊坊市科發(fā)管道技術(shù)服務(wù)有限公司，河北 廊坊 065000）

熱纏繞技術(shù)是制備高性能復(fù)合材料的重要成型工藝，尤其在耐腐蝕容器、耐腐蝕管道成型方面具有無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)。熱塑性預(yù)浸帶一般為纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料，由于其具有極好的抗沖擊性、比強(qiáng)度，極長(zhǎng)的貯存期以及低吸濕性，在熱纏繞成型技術(shù)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。常用的熱塑性預(yù)浸帶成型溫度在350℃以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熱固性材料。熱塑性預(yù)浸料纏繞過(guò)程中關(guān)鍵要實(shí)現(xiàn)預(yù)浸料的定型加熱，加熱歷程將顯著影響層間黏結(jié)性能，加熱熱源已成為纏繞成型過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。因此，對(duì)熱塑性預(yù)浸帶成型時(shí)的加熱熱源進(jìn)行研究具有重要意義。目前，在熱源方面，國(guó)內(nèi)外較先進(jìn)的主要有熱輻射、LED、熱沖擊、激光、紅外等幾種方式。

1 熱輻射熱源

熱輻射是一種清潔、靈活、高效的手段，可提供能量實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的固化。熱輻射涉及的以下方面均影響固化效果：表面或體積輻射熱通量；輻射源發(fā)射功率水平和效率；復(fù)合材料的輻射發(fā)射；放熱的化學(xué)能釋放；輻射的入射角；以及復(fù)合材料內(nèi)部的獨(dú)立散射和相關(guān)散射。Chern通過(guò)表面或體積輻射加熱在線處理單向纖維復(fù)合材料的詳細(xì)熱模型，給出了對(duì)應(yīng)于單向的繞圈圓柱體物理幾何形狀以及施加的熱和輻射邊界條件，得出了石墨/環(huán)氧樹(shù)脂和玻璃/環(huán)氧樹(shù)脂圓柱體的溫度和固化程度的數(shù)值結(jié)果。

2 LED熱源

LED熱源具有節(jié)能、環(huán)保兩大優(yōu)勢(shì)，作為新一代綠色熱源正逐步取代傳統(tǒng)熱源。Orth T開(kāi)發(fā)并分析了一種新的基于LED的加熱單元，分析了LED的輻射能量輸出。通過(guò)調(diào)整加熱單元上多個(gè)LED陣列的電輸入、輻照度，可以控制基材表面的分布從而調(diào)整表面溫度分布，并開(kāi)發(fā)了二維和三維的熱模型。LED熱源示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 LED熱源示意圖

3 熱沖擊熱源

熱沖擊熱源通過(guò)遵循第一原理，對(duì)于法向和斜向碰撞的實(shí)驗(yàn)可用對(duì)流傳熱相關(guān)性來(lái)研究，并能夠適應(yīng)該過(guò)程所特有的幾何形狀。影響復(fù)合材料固化的參數(shù)包括割炬入射角、割炬出口直徑、割炬到目標(biāo)的距離、熱氣體溫度、氣體速度、線速度和絲束基材中的層數(shù)。Guan X等人提出了一種沖擊傳熱分析，用于熱塑性基質(zhì)復(fù)合材料絲束放置過(guò)程中熱氣炬的加熱，其研究表明，根據(jù)最佳結(jié)晶度水平，可確定各種氣體溫度和線速度加工窗口。熱沖擊熱源示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 熱沖擊熱源示意圖

4 激光熱源

激光加熱具有能量密度高、溫度控制精準(zhǔn)、響應(yīng)速度快、加工速度快等優(yōu)點(diǎn)，但是，其設(shè)備昂貴，使用成本高昂。零件的質(zhì)量取決于加工過(guò)程中的溫度分布以及層壓板的熱歷史，激光功率和放置速度是最大的影響參數(shù)，可以顯著改善復(fù)雜形狀零件的制造質(zhì)量。Grouve W研究了熱塑性復(fù)合材料的激光輔助自動(dòng)膠帶貼合（LATP）原位固結(jié)，具有比常規(guī)加工方法更高效，更精確的特點(diǎn)。在激光主要對(duì)準(zhǔn)膠帶的情況下，在高速和低輸入功率下可以獲得出色的黏合質(zhì)量。新的工業(yè)化生產(chǎn)需要基于模型的全局控制方法，虛擬流程模型有助于快速適應(yīng)各種產(chǎn)品要求，減少生產(chǎn)的浪費(fèi)，提高系統(tǒng)的產(chǎn)量和產(chǎn)品的可靠性。所有這些目標(biāo)都需要一個(gè)高效的熱模型，可捕獲產(chǎn)品范圍內(nèi)的溫度分布。Kollmannsberger A開(kāi)發(fā)并驗(yàn)證了激光輔助的自動(dòng)熱塑性纖維放置過(guò)程的熱力學(xué)模型。激光束的照射和反射直接影響固結(jié)過(guò)程中的熱通量和溫度分布，因此，對(duì)激光光學(xué)器件進(jìn)行描述和理解，可以提高黏結(jié)質(zhì)量。激光加熱示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 激光熱源示意圖

另外，激光輔助的膠帶纏繞工藝可以為自動(dòng)化生產(chǎn)提供一種有效的自動(dòng)化解決方案，尤其在石油和天然氣行業(yè)的管道制造行業(yè)。但是，為了保證可靠和高質(zhì)量的過(guò)程結(jié)果，必須理解并考慮層壓板內(nèi)連續(xù)纏繞層之間固結(jié)溫度的分布，并將其考慮到流程設(shè)計(jì)中。激光輔助的膠帶纏繞工藝示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 激光輔助的膠帶纏繞工藝示意圖

5 紅外熱源

紅外加熱是一種低成本、有效的加熱方式，適用于連續(xù)碳纖維增強(qiáng)耐高溫?zé)崴苄詮?fù)合材料的纏繞成型。對(duì)于碳基復(fù)合材料而言，紅外線能量幾乎能被完全吸收。單毫等用使用自主設(shè)計(jì)的熱塑性復(fù)合材料紅外加熱纏繞成型機(jī)制備出了層間剪切性能良好的纏繞制品，研究發(fā)現(xiàn)，影響紅外加熱纏繞效果的工藝參數(shù)主要有成型溫度、預(yù)熱時(shí)間、送料張力、芯模轉(zhuǎn)速等，這可為今后紅外熱源的研究和應(yīng)用提供參考（圖5）。

圖5 紅外熱源示意圖

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，加熱熱源作為影響熱塑性預(yù)浸帶纏繞成型質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，已引起學(xué)者越來(lái)越多的關(guān)注。通過(guò)對(duì)不同加熱熱源特點(diǎn)及影響參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，可發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外常用的幾種熱源各有優(yōu)勢(shì)：熱輻射熱源清潔、靈活、高效；LED熱源節(jié)能、環(huán)保；激光加熱能量密度高、溫度控制精準(zhǔn)、加工速度快；紅外加熱成本低、高效。相信隨著對(duì)熱塑性預(yù)浸帶加熱熱源研究的持續(xù)開(kāi)展，熱纏繞成型工藝將得到進(jìn)一步的發(fā)展和提升。