國產T800級碳纖維/雙馬來酰亞胺復合材料自動鋪絲工藝適應性技術研究

張洋，姚鋒，鄭廣強，鄭曉然，黃威

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國產T800級碳纖維/雙馬來酰亞胺復合材料自動鋪絲工藝適應性技術研究

張洋，姚鋒，鄭廣強，鄭曉然，黃威

（中航復合材料有限責任公司，中航工業復合材料技術中心，北京 101300）

針對國產T800級碳纖維雙馬來酰亞胺復合材料開展自動鋪絲工藝適應性試驗研究，利用國內首臺大型高架橋式自動鋪絲設備作為試驗平臺，通過優化鋪放速度、加熱功率、鋪放壓力等工藝參數，實現國產材料的穩定性自動鋪放。試驗結果表明，首層鋪放時，選擇鋪放壓力500 N，鋪放速度10%（1.2 m/min），加熱功率40%（600 W）；第二層及后續鋪層鋪放時，選擇鋪放速度70%（8.4 m/min），加熱功率10%（150 W），通過多批次鋪放試驗測試，鋪放效果良好，滿足復合材料自動鋪絲工藝成型要求，為后續試驗件的鋪放奠定基礎。

復合材料；自動鋪絲；鋪放速度；加熱功率

1 研究背景

目前，國外軍用及民用航空飛行器主承力結構已經成熟應用高模中強碳纖維（T800）增強的復合材料[1]，大量應用T800級碳纖維復合材料可以有效實現航空飛行器的結構輕質、耐腐蝕、長航時等關鍵技術指標，取得了良好的減重收益。例如，美國波音公司的大型商用客機B787大量應用T800級碳纖維復合材料[2]，燃油效率提高15%，取得了可觀的經濟效益。現階段航空器復合材料主承力結構制造主要采用自動化工藝成型，特別是復雜結構適宜采用自動鋪絲工藝成型[3-6]。因此，為了推動國產T800級碳纖維增強雙馬來酰亞胺復合材料在主承力部件的應用，實現復雜結構部件的自動化鋪絲工藝成型，有必要在前期開展國產材料的鋪放適應性研究，優化國產材料自動化鋪放工藝參數，為后續穩定鋪放及參數優化實現技術積累。

本文選擇中航復合材料有限責任公司開發的國產T800級碳纖維雙馬來酰亞胺復合材料為鋪放實驗材料，通過優化鋪放速度、鋪放功率、鋪放壓力等基本自動化鋪放工藝參數，分析不同工藝參數對鋪放效果及質量的影響，得到基于國產材料滿足鋪放工藝要求的工藝參數，為后續開展典型結構的鋪放創造條件。

2 實驗材料及方法

2.1 測試材料牌號及規格

材料名稱：國產T800級碳纖維雙馬來酰亞胺復合材料。

牌號：AC631/CCF800。

生產廠家：中航復合材料有限責任公司。

規格：6.35 mm×200 m。

數量：32卷。

2.2 鋪放設備介紹

選擇國內首臺高架橋式鋪絲機為測試平臺，設備型號為ATLAS FP，最大調用絲束32束（單束寬6.35 mm）。

2.3 試驗過程

針對鋪放材料AC631/CCF800開展自動鋪絲工藝適應性研究，通過調整鋪放工藝參數，得到穩定鋪放的最優鋪放速度、加熱功率、鋪放壓力等主要參數，利用專用鋪放設備進行材料的現場鋪放試驗，根據鋪放效果及狀態判斷評價材料是否滿足后續自動化鋪放工藝要求。

3 試驗結果分析

3.1 首層鋪放工藝參數優化

3.1.1 鋪放速度對鋪放效果的影響

通過設定鋪放壓力500 N，加熱功率50%（750 W），鋪放速度30%（60 mm/s）～50%（100 mm/s），采用8絲束國產T800級碳纖維雙馬來酰亞胺預浸絲束開展鋪放試驗，研究不同的鋪放速度條件下的鋪放效果。試驗結果表明，首層絲束與模具的貼敷性較差，低速可以實現絲束與模具表面的有效貼合；如果鋪放速度過快時，會出現絲束與模具分離，嚴重情況下同時會受到壓輥的碾壓作用，造成絲束偏移預定鋪放區域，導致鋪疊過程失敗。通過比較，初步選定60 mm/s為鋪放速度。

保持鋪放壓力不變，調節加熱功率為60%（900 W），研究鋪放速度為10%（20 mm/s）～40%（80 mm/s）時，進行鋪放試驗，試驗結果表明，鋪放速度在10%（20 mm/s）～30%（60 mm/s）時，絲束與模具表面貼敷效果良好。

3.1.2 加熱功率對鋪放效果的影響

設定鋪放速度為30%（60 mm/s），加熱功率50%（750 W）～80%（1 200 W），開展鋪放工藝試驗，試驗結果表明，加熱功率過大時，絲束出現扭曲變形，偏離正常鋪放軌跡；加熱功率過小時，出現無法平整貼敷模具的情況。因此，加熱功率初步設定為60%（900 W），鋪放絲束平整，可以滿足鋪放工藝要求。

3.1.3 鋪放壓力對鋪放效果的影響

設定鋪放速度30%（60 mm/s），加熱功率60%（900 W）的情況下，通過比較鋪放壓力500 N和800 N情況下的鋪放效果，觀察鋪放壓力對鋪放的影響。試驗結果表明，鋪放壓力800 N時，絲束由于受到碾壓力過大，貼敷效果不好；鋪放壓力500 N，絲束與模具貼敷效果良好。

3.1.4 小結

通過上述分析，在首層鋪放工藝過程中，完成鋪放速度、加熱功率、鋪放壓力等工藝參數鋪放測試，得到最優鋪放參數如表1所示。在確定首層鋪放參數的情況下，通過連續鋪放測試，驗證鋪放絲束平整，鋪放效果如圖1所示。

試驗結果表明，首層鋪放工藝過程中，保持較低速度（10%），鋪放功率在0%～40%的調節過程中，絲束均可以與模具表面貼合，其中鋪放功率在40%時鋪放效果最好，絲束鋪放平整；后續采用鋪放功率40%，鋪放速度10%的條件下進一步通過連續鋪放試驗驗證，鋪放效果良好。

表1 AC631/CCF800首層鋪放工藝參數

序號工藝參數結果備注 01鋪放速度20～60 mm/s滿足首層鋪放工藝要求 02加熱功率60%（900 W） 03鋪放壓力500 N

圖1 首層連續鋪放測試

3.2 層間及后續鋪放參數優化

在進行第二層鋪放工藝過程中，可以通過絲束自身的粘性實現彼此的粘接，因此，可以降低鋪放功率，以下開展鋪放效果測試。

3.2.1 無加熱鋪放試驗

設定鋪放壓力500 N，鋪放速度40%～60%（80～120 mm/s）時，開展鋪放試驗。試驗結果表明，在不加熱的情況下，低速鋪放時材料可以實現良好貼敷；但是在高速鋪放時，鋪貼效果下降。為了提高鋪放效率，可以通過小幅度提高加熱功率來改善鋪放效果。

3.2.2 小幅提高加熱功率對鋪放效果的影響

設定鋪放壓力500 N，加熱功率10%（150 W），測試鋪放速度60%～100%（120～200 mm/s）時，開展鋪放測試。試驗結果表明，在加熱功率10%的情況下，最大鋪放速度70%（140 mm/s）時可以實現良好貼敷；但是如果鋪放速度太快，絲束會在沖擊力的作用下發生翹曲而變形。

同時，設定較低的加熱功率可以減緩鋪絲頭內部溫度上升的速度，降低鋪放故障發生的概率。

3.3 連續鋪放試驗

通過上述測試，針對國產T800級碳纖維雙馬來酰亞胺復合材料優化的鋪放工藝參數結果如下：①首層鋪放工藝參數。鋪放速度10%（20 mm/s），加熱功率40%（600 W），鋪放壓力500 N；②層間鋪放工藝參數。鋪放速度70%（140 m/s），加熱功率10%（150 W），鋪放壓力500 N。

后續通過開展含插層平板連續鋪放測試驗證（900 mm×900 mm），連續鋪貼1 h，試驗結果表明，鋪放工藝參數優化后鋪放效果良好。

4 結論

對國產T800級碳纖維雙馬來酰亞胺復合材料進行自動鋪絲工藝適應性研究，優化后的工藝參數為：①首層鋪放工藝參數。鋪放速度10%（20 mm/s），加熱功率40%（600 W），鋪放壓力500 N。②層間鋪放工藝參數。鋪放速度70%（140 m/s），加熱功率10%（150 W），鋪放壓力500 N。

［1］李奇輝，劉向陽，房曉斌.碳纖維復合材料的應用現狀及我國碳纖維工業的發展方向［J］.價值工程，2016（17）：113-115.

［2］馬立敏，張嘉振，岳廣全，等.復合材料在新一代大型民用飛機中的應用［J］.復合材料學報，2015（02）：317-322.

［3］肖軍，李勇，文立偉，等.樹脂基復合材料自動鋪放技術進展［J］.中國材料進展，2009（06）：28-32.

［4］林勝.自動鋪帶機/鋪絲機（ATL/AFP）——現代大型飛機制造的關鍵設備（上）［J］.世界制造技術與裝備市場，2009（04）：84-89.

［5］邢麗英，包建文，禮嵩明，等.先進樹脂基復合材料發展現狀和面臨的挑戰［J］.復合材料學報，2016（07）：1327-1338.

［6］張洋，鐘翔嶼，包建文.先進樹脂基復合材料自動絲束鋪放技術研究現狀及發展方向［J］.航空制造技術，2013（Suppl 2）.

2095－6835（2019）01－0052－02

TB33

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.01.052

張洋，工學碩士，主要從事先進樹脂基復合材料自動絲束鋪放技術研究工作。

〔編輯：張思楠〕