自動鋪帶工藝參數對復合材料性能的影響

徐小偉　李楠　楊紹昌

摘要：文章針對復合材料自動鋪帶技術中的鋪設壓力和加熱溫度兩種工藝參數，通過對固化成型后的復合材料標準試樣進行拉伸試驗、壓縮試驗、層間剪切試驗及面孔隙率測試，研究了不同鋪帶壓力和溫度工藝參數對復合材料力學性能的影響。研究表明，不同鋪設壓力對復合材料的各項力學性能均有影響，而加熱溫度對面孔隙率含量的影響尤為明顯。

關鍵詞：復合材料；自動鋪帶；工藝參數；力學性能；鋪設壓力；加熱溫度 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP391 文章編號：1009-2374（2016）01-0063-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.01.032

1 概述

降低加工成本、提高材料性能是當今復合材料大規模工業化應用亟待解決的問題和必然趨勢。近年來，國內外在復合材料低成本制造技術的研究領域取得了一定的進展，多種低成本制造技術應運而生。憑借可大幅提高生產效率、產品質量的可靠性和穩定性，降低制造成本，且易于精確控制工藝參數和技術指標等優點，自動鋪帶技術成為目前發展最快、最有效的復合材料自動化制造技術之一。自動鋪帶技術最早在20世紀70年代由Boing公司等公司聯合開發，迄今為止已經發展近40年。目前，世界上復合材料制造技術先進的公司例如美國的Boing公司、AIRBUS公司、ECF公司等在飛機復合材料的構件制造技術中都已廣泛采用了自動鋪帶技術，采用該技術制造出的復合材料的零部件也都已經大量安裝在了生產的許多飛機上。高效率、高質量和低成本是自動鋪帶技術的最突出的特點。自動鋪帶技術是一種結合溫度控制和質量檢測功能，集成了預浸料剪裁、定位、鋪疊等多種工序于一體的數控加工技術。該技術的核心功能是通過鋪帶頭的規律運動實現預浸帶的傳送、切割、加熱、輥壓等學一系列操作，達到復合材料自動鋪疊的目的。由于具備高效率、低成本等優勢，目前自動鋪帶技術在國內外航空航天復合材料結構的加工制造領域已取得了成功的應用。與此同時，對自動鋪帶技術工藝參數的研究也成為當前復合材料設計制造領域關注的熱點。

本文結合實驗研究探討了自動鋪帶技術中鋪設壓力和加熱溫度兩種工藝參數對復合材料性能的影響，旨在從工藝方法上為自動鋪帶技術在復合材料結構件加工制造提供參考與指導。實驗結果表明，不同鋪設壓力和加熱溫度對復合材料產生顯著的影響。

2 實驗部分

2.1 實驗設備與材料

組成自動鋪帶機的主要系統部件包括臺架系統、鋪帶頭以及獨立工作單元。其中鋪帶頭是自動鋪帶機的核心部件，用于實現鋪層過程復材帶料傳送、切割與鋪放控制。圖1顯示了自動鋪帶機的大致工作流程。首先，復合材料預浸帶被安放于鋪帶頭中，并通過一組滾輪導出；然后，經過加熱后的預浸帶在壓輥的作用下被鋪疊到工裝或上一層已鋪好的材料上；最后，為保證鋪放的材料與工裝外形保持一致，將預浸帶按照預先設定好的方向通過切割刀切斷。上述整個過程都由計算機自動控制，鋪放預浸帶的同時，背襯材料通過回料滾輪進行回收。本文針對鋪設壓力和加熱溫度兩種工藝參數，通過對固化成型后的復合材料標準試樣進行拉伸試驗、壓縮試驗、層間剪切試驗及面孔隙率測試，考察不同壓力和溫度工藝參數對復合材料力學性能的影響。本研究中的復合材料采用由CYTCE公司提供的CYCOM X850-35-12KIM+-190-ATL環氧預浸料（寬150mm）。本次實驗中，所使用的自動鋪帶機的型號為TORRESLAYUP，生產廠家為M.Torres，該設備主要用于鋪貼復合材料。另外，該試驗中用到的電子拉力試驗機的型號分別為CMT5105和CMT7204，生產廠家為深圳新三思計量技術有限公司，其中CMT5105電子拉力試驗機用于拉伸試驗、壓縮試驗；CMT7204電子拉力試驗機用于層間剪切試驗；該實驗中所使用的顯微鏡型號為DMM-300C，由上海蔡康光學儀器有限公司生產，顯微鏡用于面孔隙率測試。

2.2 實驗方法與步驟

本實驗所涉及的自動鋪帶工藝參數為鋪帶溫度與壓力。實驗采用固定其中一種參數，通過改變另一種參數，考察其對制備的復合材料性能的影響，并分別進行討論。當加熱溫度一定時，實驗選取四種不同的鋪設壓力（100%滿壓、80%滿壓、50%滿壓、30%滿壓，以下簡寫為100%、80%、50%、30%）進行鋪貼，當鋪設壓力一定時，實驗選取五種不同的加熱溫度（0℃、35℃、45℃、60℃、80℃）進行鋪貼。固化成型后加工成標準試樣分別進行拉伸、短梁剪切、面孔隙率、壓縮試驗。每個試驗重復5次，記錄結果并計算其平均值。

3 實驗結果與討論

3.1 鋪設壓力的影響

3.1.1 鋪設壓力對拉伸性能的影響。圖1是拉伸強度隨鋪設壓力的變化曲線（圖中三角代表每組5個試驗的單個值，方塊代表這5個值的平均值），從圖1上可以看出拉伸強度的變化沒有明顯規律。圖2是拉伸模量隨鋪設壓力的變化曲線，從圖2中可以看出，隨著鋪設壓力的增大，復合材料的模量逐漸減小。這可能是因為隨著鋪設壓力的增大，局部變形過于劇烈而出現皺褶，皺褶對強度的影響不是很明顯，但會顯著降低復合材料的拉伸

模量。

圖1 拉伸強度隨鋪設壓力的變化圖

圖2 拉伸模量隨鋪設壓力的變化圖

3.1.2 鋪設壓力對短梁剪切強度的影響。根據該實驗過程中短梁剪切強度隨鋪設壓力變化的曲線可以表明：隨著鋪設壓力的增大，短梁剪切強度明顯增加。隨著鋪設壓力的增大，可使得當前鋪層與上一鋪層間的預浸帶更加緊密地結合，從而有效地減少了層間空隙。此外，擠壓預浸帶也有利于樹脂流動，提高層間粘合度，進一步降低層間空隙，從而增加層合板的有效承載面積，提高層間剪切強度。

3.1.3 鋪設壓力對面孔隙率的影響。根據該實驗過程中面孔隙率含量隨鋪設壓力變化的曲線圖表明：隨著鋪設壓力的減小，面孔隙率含量呈增大的趨勢。這是由于在鋪帶過程中空氣會被卷入鋪層間，當鋪設壓力較低時，由于樹脂的壓力不足，導致裹入的空氣壓力大于樹脂的壓力，從而形成層間空隙。反之，當鋪設壓力較高時，由于可以提供較大的壓實壓力，故而能夠有效抑制孔隙長大，甚至可以使復合材料內的空氣溶解在環氧樹脂內。

3.1.4 鋪設壓力對壓縮性能的影響。根據本次試驗的壓縮強度和壓縮模量隨鋪設壓力變化的曲線表明：在30%～80%的壓力范圍內壓縮強度和模量均隨著鋪設壓力的增大而增大，而在100%的壓力處略有下降。這可能是因為，在一定的壓力范圍內，隨著鋪設壓力的增大，鋪層與鋪層之間的空隙越來越小，結合更加緊密，從而增強了材料的壓縮性能。但當壓力過大時，可能會由于局部變形過于劇烈而產生褶皺或其他缺陷，從而降低壓縮性能。

3.2 加熱溫度的影響

3.2.1 加熱溫度對拉伸性能的影響。根據實驗數據，在該實驗過程中拉伸強度的平均值最大為855.25MPa，最小為798.72MPa，拉伸模量的平均值最大為61.55GPa，最小為57.75GPa，可見不同加熱溫度下的拉伸性能差異不大。所以，不同的加熱溫度對復合材料的拉伸性能影響不大。

3.2.2 加熱溫度對短梁剪切強度的影響。根據實驗過程中短梁剪切強度隨加熱溫度變化的曲線圖，當加熱溫度從0℃增加到80℃時短梁剪切強度變化很小。可以表明：不同加熱溫度下的短梁剪切強度的變化不大。所以，由此推斷不同的加熱溫度對材料的短梁剪切性能影響不大。

3.2.3 加熱溫度對面孔隙率的影響。根據實驗中面孔隙率含量隨溫度變化的曲線，可以表明：隨著加熱溫度的增加，面孔隙率含量呈增大的趨勢。這可能是因為，隨著加熱溫度的升高，基體中的小分子揮發或是周圍空氣水分蒸發進入基體形成孔隙。從實驗數據也可以看出，雖然呈增大趨勢，但增大的幅度不大。

3.2.4 加熱溫度對壓縮性能的影響。根據實驗過程中的壓縮強度和壓縮模量隨加熱溫度變化的曲線表明：加熱溫度對壓縮性能的影響及變化規律不明顯。

4 結語

根據本次實驗的數據和結果可以得出以下結論：（1）鋪設壓力對復合材料的各項性能均有一定的影響，隨著鋪設壓力的增大，拉伸性能降低，短梁剪切強度增大，面孔隙率含量減小，壓縮性能先增大后減小；（2）加熱溫度對面孔隙率含量有一定的影響，面孔隙率含量隨著加熱溫度的升高而增大，加熱溫度對復合材料其他性能的影響不大。

參考文獻

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作者簡介：徐小偉（1982-），男，陜西涇陽人，中航飛機西安飛機分公司復合材料廠工程師，研究方向：復合材料制造工藝。

（責任編輯：陳 潔）