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热塑性复合材料自动铺放原位成型技术

2019/01/30
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复合材料低成本制造技术是目前国际上复合材料技术领域关注的核心问题之一,而复合材料自动铺放技术是欧美发达国家近30年来广泛发展和应用的低成本制造技术,是复合材料自动化成型的典型代表。复合材料自动铺放技术的加工对象一般为纤维增强树脂基复合材料。按树脂基体的不同,分为热固性复合材料和热塑性复合材料。热固性复合材料作为一种轻质高强材料已应用于航空航天领域,但由于其抗冲击性能差、耐热性低,阻碍其在航空航天上广泛应用。而热塑性复合材料不仅克服上述缺点,还具备抗化学腐蚀性、可循环性以及良好的焊接性能,因此越来越多的热塑性复合材料零件及组合件应用于航空航天领域,如空客A380上采用荷兰Tencate公司玻璃纤维/PPS制成的焊接固定机翼前缘,Gulfstream550飞机上的压力舱壁肋板是碳纤维/PEI夹层结构以及A400M驾驶员座舱板均已使用热塑性复合材料制造。

热塑性复合材料与自动铺放相结合,采用“原位固结”技术,与传统“热压罐”技术相比,预浸料铺层没有预成型阶段,直接一次成型,因此加热工艺是自动铺放成型过程中的关键环节之一。自动铺放加热工艺首先需考虑的是加热方式的选择,目前应用在自动铺放中的加热方式主要有热气加热、激光加热及红外加热。

作者首先选择热风加热方式,搭建一台热塑性复合材料热风加热自动铺放原位成型原理样机(图1)。

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图1  热塑性复合材料热风加热自动铺放原位成型原理样机
注:图片来源于期刊论文“宋清华, 肖军, 文立伟, 等. 热塑性复合材料自动铺放过程中温度场研究[J]. 材料工程, 2018, 46(1): 83-91.”   
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000147 

作者基于图1所示热风加热原理样机,通过建立热塑性复合材料自动铺放过程中温度场二维数学模型及热传递边界条件(图2),并根据自动铺放过程中实际工况计算出复合材料在自然对流和强制对流两种情况下的表面对流传热系数。

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图2  温度场有限元分析模型网格划分
注:图片来源于期刊论文“宋清华, 肖军, 文立伟, 等. 热塑性复合材料自动铺放过程中温度场研究[J]. 材料工程, 2018, 46(1): 83-91.”   
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000147 

通过ANSYS软件模拟热源随铺放头移动、铺放过程中预浸料不断被铺叠到底层预浸料上,获得复合材料铺层的温度场分布情况。同时构建基于WinCC flexible的温度场在线测量系统,进行多次玻璃纤维增强聚丙烯(GF/PP)预浸料铺放试验,对铺层温度进行在线采集和存储(图3)。

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图3  铺放过程中温度采集系统
注:图片来源于期刊论文“宋清华, 肖军, 文立伟, 等. 热塑性复合材料自动铺放过程中温度场研究[J]. 材料工程, 2018, 46(1): 83-91.”    
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000147 

试验结果表明,在铺放成型过程中,每一层预浸料的温度曲线出现多个峰值,且随着热气温度的升高,每层峰值温度逐渐增加,热气温度越高,铺层间峰值温度差越大,热电偶测量结果与仿真结果相差越小(图4);随着铺放速度的加快,每层峰值温度逐渐降低,为满足成型要求,当热风枪出口处热气温度最高为600℃时,最大铺放速度为1.2m/min(图5)。通过对试验结果中的峰值温度与有限元模拟结果进行对比,证明了有限元仿真模型的正确性。

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图4 热气温度对铺层峰值温度的影响

注:图片来源于期刊论文“宋清华, 肖军, 文立伟, 等. 热塑性复合材料自动铺放过程中温度场研究[J]. 材料工程, 2018, 46(1): 83-91.” 

DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000147 

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图5  铺放速度对铺层峰值温度的影响
注:图片来源于期刊论文“宋清华, 肖军, 文立伟, 等. 热塑性复合材料自动铺放过程中温度场研究[J]. 材料工程, 2018, 46(1): 83-91.”   
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000147 

热气加热适用于要求加热时间较短,同时加热空间又很小的场合,但其最大的缺点就是热量利用率比较低,因此作者在热气加热原理样机的基础上进行了改造,选择红外辐射加热作为自动铺放过程中的热源,搭建热塑性复合材料红外加热自动铺放原位成型原理样机(图6(a)),图6(b)为自动铺放过程中红外加热温度测量系统。

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图6  热塑性复合材料红外加热自动铺放系统
注:图片来源于期刊论文“宋清华, 刘卫平, 肖军, 等. 热塑性复合材料自动铺放过程中红外加热技术研究[J]. 材料工程, 2019, 47(1): 77-83.”  
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000346

作者基于图6所示红外加热原理样机,通过对红外热源与铺层间能量传输过程的分析,提出红外加热过程中动态恒温控制方程,建立热源辐射强度与铺放速度之间的匹配关系。同时搭建红外加热恒温控制系统,该系统采用前馈控制方式,根据动态恒温控制方程,制定相应控制策略,实现对预浸料加热过程中温度的精确控制(图7)。试验结果表明自动铺放过程中使用红外加热恒温控制系统满足变速工况下恒温加热要求(图8),且铺放成型试验件的压缩强度及层间剪切强度均接近模压成型试验件。

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图7 不同铺放速度热电偶峰值温度

注:图片来源于期刊论文“宋清华, 刘卫平, 肖军, 等. 热塑性复合材料自动铺放过程中红外加热技术研究[J]. 材料工程, 2019, 47(1): 77-83.” 

DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000346

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图8  热成像仪测量铺放过程中黏合区域的温度
注:图片来源于期刊论文“宋清华, 刘卫平, 肖军, 等. 热塑性复合材料自动铺放过程中红外加热技术研究[J]. 材料工程, 2019, 47(1): 77-83.”  
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000346

       不管采用何种加热方式,自动铺放原位成型过程中预浸料铺层没有预成型阶段,直接一次成型,因此成型过程中的冷却速率、冷却时间对自动铺放成型后复合材料基体的结构和性能有着显著影响,进而对整体复合材料构件的性能产生显著影响。用于自动铺放的热塑性预浸料树脂基体材料,通常为结晶性聚合物,这类聚合物的强度、韧性、使用温度及抗蠕变性都受结晶度的影响。一般说来,结晶度增加会使聚合物的屈服强度、表面硬度、屈服强度也随之增加,但聚合物也会随结晶度的提高而变脆,韧性降低;随着球晶尺寸增大,球晶与球晶之间由于收缩而产生微裂纹增大,聚合物材料也将变脆,可见结晶度及结晶形态直接影响铺放成型后复合材料构件的性能,因此控制结晶度及结晶形态是控制复合材料性能的有效措施。在原位成型过程中,影响基体材料结晶度及结晶形态最重要的参数就是冷却速率和冷却时间,为保证自动铺放成型的复合材料构件最终性能,必须合理设定并严格控制这两个参数。自动铺放过程中,在黏合点即压辊与铺层接触处,树脂基体处于熔融状态,在压辊压力作用下,铺层黏合在一起。当压辊离开黏合点时,铺层树脂基体开始冷却结晶,然而在结晶过程中若无持续的压力,空气会凝聚在树脂基体中至结晶完成,导致成型后的构件孔隙率较大。因此为保证铺层结晶过程中保持恒定的成型压力,在原理样机基础上,增加一套冷压辊装置,冷压辊的压力持续到铺层树脂温度冷却到其熔点之下(图9)。

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图9  带有冷压辊的热塑性复合材料自动铺放原位成型原理样机
注:图片来源于期刊论文“宋清华, 肖军, 文立伟, 等. 自动铺放成型热塑性复合材料的非等温结晶动力学研究[J]. 材料工程, 2018, 46(4): 120-126.”   
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000411

作者利用差示扫描量热仪结合Avrami方程研究GF/PP预浸料自动铺放成型过程非等温结晶动力学,推导非等温结晶动力学模型,将结晶动力学模型和传热模型相结合,设定自动铺放成型过程中的冷却条件,探讨冷却速率及冷却时间对基体材料结晶行为的影响,求解出不同冷却速率下的最大铺放速度。
研究结果表明,铺层树脂基体的结晶度随冷却速率的增大而依次减小。随着冷却速率的提高,树脂结晶起始温度和结晶完成温度均向低温方向移动,且树脂相对结晶度随温度变化规律接近反S型曲线(图10)。

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图10铺层相对结晶度随温度变化曲线
注:图片来源于期刊论文“宋清华, 肖军, 文立伟, 等. 自动铺放成型热塑性复合材料的非等温结晶动力学研究[J]. 材料工程, 2018, 46(4): 120-126.”   
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000411

自动铺放成型试验件的压缩强度及层间剪切强度随着铺层结晶度的增大基本呈增大趋势,而冲击强度与铺层结晶度的变化趋势完全相反,随着结晶度的增大,材料韧性越差(图11)。

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图11  冷却速度对GF/PP试验件结晶度及力学性能的影响

注:图片来源于期刊论文“宋清华, 肖军, 文立伟, 等. 自动铺放成型热塑性复合材料的非等温结晶动力学研究[J]. 材料工程, 2018, 46(4): 120-126.”   

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