面向復雜回轉體的T700級碳纖維/雙馬樹脂材料鋪放適應性

謝林杉，陳浩然，王浩宇

航空工業成都飛機工業(集團)責任有限公司，成都 610073

自動鋪絲技術是由集成了放卷、導向、傳輸、切割、輥壓等功能的鋪絲頭將數根預浸絲束在柔性鋪放壓輥下集束成一條寬度可變的預浸窄帶，且沿鋪絲軌跡精確鋪放并壓實定型的復合材料自動化成型工藝技術[1]。該技術通過減小帶寬以增加轉向性能從而適應復雜零件的鋪放，主要適用于成型尺寸較大、外形復雜的復合材料構件。通過該技術可以提高生產效率和零件質量，減少變化和不穩定性，降低勞動強度[2]。由于其優異的功能，自動鋪絲技術已成為發達國家航空復合材料構件首選的先進制造技術[3]。

盡管自動鋪絲具有許多優點，但其也有自身的局限性。鋪放零件的復雜程度、鋪放溫度、鋪放速度、鋪放壓力和纖維張力等工藝參數對鋪放質量和鋪放效率有很大的影響[4]。特別是雙曲率復雜回轉體，模具曲率的存在導致路徑規劃中纖維轉向值低于一般材料的極限轉向半徑，甚至低于1 000 mm，使得鋪放過程中，絲束出現大量的內側纖維屈曲和氣泡，外側翻邊等缺陷[5-6]。這些缺陷的存在會造成富脂或貧膠、厚度超差和強度降低等現象，降低零件的性能及質量。阻止大多數鋪放缺陷形成的關鍵機制在于降低材料的極限轉向半徑，然而，材料適應的極限轉向半徑很大程度上取決于預浸料自身的層間黏結力、剛性以及鋪放工藝參數。國內外對于自動鋪絲工藝參數及粘性已開展過學術研究。李勇等[7]對NY9200GA環氧樹脂體系預浸料自動鋪放粘結性工藝特性進行了研究，探究了溫度、壓力、放置時間對粘結性的影響。馬志濤等[4]以大曲率回轉形零件為對象，研究了鋪絲壓輥性能和鋪絲滾壓力對絲束鋪放的影響。黃新杰等[8-9]對NY9200GA材料的工藝參數對平面曲線半徑的影響規律做了研究，且提出了一種鋪放質量評價方法以表征工藝參數對鋪放質量的影響。Nima等[5]采用了廣泛的實驗研究方法以及不同的工藝參數和轉向半徑對鋪放轉向過程中的缺陷形成過程進行了深入研究。Crossley等[10]研究了工藝參數、材料粘性以及褶皺缺陷之間的關系，發現提高溫度、降低速率均可增加粘性，從而提高鋪放質量。Zhang等[11]建立了模具表面自動鋪絲的鋪放適宜性準則，從而確定鋪放過程中的鋪帶寬度。Zhao等[12]研究了工藝參數與缺陷的關系，并提出了一種鋪放評判標準以滿足圓錐體的鋪放適宜性。雖然目前已對材料鋪放適應性及鋪放缺陷等進行過大量研究，但不同的材料所適應的極限轉向半徑不同。且國內外缺少面向雙曲率帶凹陷的復雜回轉體的T700級碳纖維/雙馬樹脂材料自動鋪放性能以及材料性能對鋪放質量影響的研究。同時受技術和設備的限制，大多數是以平板直線實驗作為研究對象。雖然部分研究人員[13-14]開展過鋪放工藝參數對轉向半徑影響的研究，但其僅基于預浸料與鋁板間，而非預浸料鋪層間。其對于雙曲率的復雜回轉制件的工程應用指導性不大。

本文以平板曲率實驗和復雜回轉體為基礎進行材料鋪放性能對比實驗，并獲得最佳T700級碳纖維/雙馬樹脂材料。與此同時，開展材料工藝參數優化，研究其工藝參數(鋪放溫度T、鋪放壓力F、鋪放速度v)在不同轉向半徑下對鋪放質量的影響。并提出一種新的鋪放質量評定方法——數學統計法，從而定量研究材料的層間黏結力及剛性對鋪放質量的影響，獲得適應復雜回轉體的最佳鋪放工藝參數和極限轉向半徑，為復雜回轉體零件高質量、高效率制造提供理論依據。

1 實 驗

1.1 實驗材料及設備

自動鋪絲材料采用單絲寬6.35 mm，單層厚0.125 mm以及含膠量33%的T700級碳纖維/雙馬來酰亞胺復合材料，背襯為塑料薄膜。用于材料對比實驗的3種材料的成分一樣，具體差異如下：

T700級碳纖維/雙馬樹脂材料1：T700級碳纖維/雙馬來酰亞胺復合材料；T700級碳纖維/雙馬樹脂材料2：改進T700級碳纖維/雙馬樹脂材料1樹脂配比工藝以提高其材料自身剛性而來；T700級碳纖維/雙馬樹脂材料3：改進T700級碳纖維/雙馬樹脂材料2樹脂浸潤度工藝以提高材料自身層間黏結力而來。

實驗設備分為鋪絲設備和性能測試設備。鋪絲設備采用的是具有紅外裝置且被動送料的八絲六軸自動鋪絲機，共分為鋪絲頭機構、原材料補給機構、模具支撐機構、運行導軌和控制系統等部分。性能測試設備分為T型剝離測試儀和懸垂測試設備。T型剝離測試儀采用的是英斯特朗3366拉力機(10 kN)，數顯游標卡尺(ZGLU0005)，精度為0.000 1。 懸垂測試直接采用自動鋪絲設備。

1.2 實驗方法

1.2.1 性能測試實驗

對3種T700級碳纖維/雙馬樹脂材料進行懸垂測試及剝離強度測試。懸垂測試采用懸臂120 mm測試方法，共有8道出絲口，其中1～3道 為T700級碳纖維/雙馬樹脂材料2，4～6道為T700級碳纖維/雙馬樹脂材料1，7～8道為T700級碳纖維/雙馬樹脂材料3。在測試溫度20 ℃ 和測試濕度48 %的環境下，通過調整鋪絲頭位置與地面平行，并主動送出120 mm預浸料，靜置1 min，測量其向下偏移距離或角度，以此來表征材料的剛性。

剝離強度是通過T型剝離實驗在測試溫度21.1 ℃、測試濕度50.3%、測試速度200 mm/min、最大位移限制500 mm下測試所得，以此表征材料的層間黏結力[15]，測試方式如圖1所示。

剝離強度公式為

(1)

式中：S為剝離強度，kN/m；f為剝離力，N；d為絲束寬度，mm。

1.2.2 平板曲率實驗

在平板上進行材料對比和工藝優化2種實驗。材料對比實驗，為了滿足大多數真實工裝軌跡規劃曲率2 000 mm，同時為了滿足對復雜回轉體90°典型軌跡的最小轉向半徑約900 mm(紅色區域)的鋪放，如圖2所示。在測試溫度20 ℃和測試濕度48%的環境下，在800 mm×800 mm的平板上進行鋪放半徑為800、1 000、1 200、1 500、2 000 、2 500 mm的平板曲率實驗，通過鋪放質量評定方法對比3種材料的鋪放性能。

圖1 T型剝離法

圖2 復雜回轉體90°典型軌跡

工藝優化實驗，采用單一變量法研究不同工藝參數(鋪放溫度T、鋪放速度v、鋪放壓力F)在不同轉向半徑下對鋪放質量的影響。據研究表明鋪放溫度過高或過低均會導致鋪放質量的下降，故實驗鋪放溫度T選用20、40、60 ℃[9, 16]。而鋪絲設備提供的最大鋪放壓力為800 N，實驗鋪放壓力F則選用200、400、600、800 N。與此同時，根據文獻[8]提供的T700級碳纖維雙馬來酰亞胺復合材料在20～60 mm/s的速度下鋪放效果良好，鋪放速度v選用16、32、48、64、80 mm/s。為了滿足對復雜回轉體90°典型軌跡的最小轉向半徑的鋪放，工藝優化實驗僅對轉向半徑為800、1 000、1 200 mm的鋪放軌跡進行研究。

1.2.3 復雜回轉體驗證實驗

在復雜回轉體上進行材料和工藝驗證實驗。針對材料對比實驗，采用統一變量法，在相同環境下，同時對3種材料進行90°的滿鋪覆實驗，開展放置時長對鋪放質量的影響研究，以及3種材料的鋪放性能對比驗證實驗。針對工藝優化實驗，采用平板曲率實驗所得的最佳工藝參數基于復雜回轉體進行90°滿鋪覆鋪放質量驗證實驗，以驗證平板曲率實驗結果對于復雜回轉體的鋪放的適應性[12]。

1.3 鋪放質量評定方法

為了直觀、定量的表達各種材料的鋪放性能和不同工藝的鋪放質量，提出一種新的鋪放質量評定方法，即數學統計法。實驗存在3種缺陷：氣泡、纖維屈曲和架橋，其中氣泡缺陷通過統計不同轉向半徑上出現的氣泡數量，作為表征材料間黏結牢固程度的方法之一。其中氣泡個數根據Muhsan和Mehdi[17]采用的“紙膠帶”加“人工”方法進行統計，先將紙膠帶沿轉向半徑方向粘貼，再經過人工對貫穿半絲束寬的拱起的氣泡進行標記計數，即對尺寸大于9×10-6m2的氣泡進行了計數。架橋缺陷采用架橋率來表征，纖維屈曲缺陷采用纖維屈曲率來表征。架橋率和纖維屈曲率均是通過軟尺進行測量后，再將其依據式(2) 的統計方法計算：

(2)

式中：P為架橋率(纖維屈曲率)；Di為絲束第i個架橋(纖維屈曲)缺陷的長度，mm；n為絲束架橋(纖維屈曲)缺陷總數；L為鋪放一層所用總長度，mm。

2 實驗結果與分析

2.1 材料對比實驗

2.1.1 懸垂實驗

圖3為懸臂120 mm的懸垂性測試實驗，從圖中可以看出：T700級碳纖維/雙馬樹脂材料1頂端下垂30 mm，T700級碳纖維/雙馬樹脂材料2和T700級碳纖維/雙馬樹脂材料3頂端下垂一致，均為10 mm。向下懸垂幅度越大，材料剛性越差，進一步說明T700級碳纖維/雙馬樹脂材料2由T700級碳纖維/雙馬樹脂材料1提高剛性而來。

圖3 懸垂測試

2.1.2 T型剝離實驗

圖4為同一工藝條件下3種材料的剝離強度大小關系圖。從圖中可以看出，T700級碳纖維/雙馬樹脂材料3的剝離強度最大，T700級碳纖維/雙馬樹脂材料1和T700級碳纖維/雙馬樹脂材料2次之。剝離力的大小與材料的層間黏結力有關，剝離力越大，層間黏結力越大。而材料組成成分一致，則層間黏結力僅與材料制造工藝有關，進一步佐證T700級碳纖維/雙馬樹脂材料3由T700級碳纖維/雙馬樹脂材料2提高層間黏結力而來。

圖5為不同鋪放溫度下3種材料的剝離強度。從圖中可以看出，T700級碳纖維/雙馬樹脂材料3的在不同溫度下的剝離強度均遠大于另外兩種材料，即黏性最強。且隨著溫度的升高，剝離強度呈先上升后下降的趨勢，故溫度鋪放工藝參數范圍選取在40 ℃左右最佳。

圖4 3種T700級碳纖維/雙馬樹脂材料剝離強度

圖5 3種T700級碳纖維/雙馬樹脂材料在不同溫度下的剝離強度

2.1.3 平板曲率實驗

圖6為3種材料的纖維屈曲率隨轉向半徑的變化曲線。當轉向載荷>臨界載荷時，纖維發生屈曲。由文獻[17]提出的轉向載荷式(3)可知，材料和工藝參數一定，即α、h、b、E一定，轉向半徑越大，轉向載荷越小。當轉向載荷<臨界載荷時，缺陷消失。而臨界屈曲載荷由材料本身決定。故如圖6所示，對于同一材料而言，隨著轉向半徑的增加，其纖維屈曲率減少。

(3)

式中：Pm為施加在纖維邊緣的最大壓縮載荷；R為轉向半徑；b和h分別為纖維絲束的寬度和厚度；E為纖維絲束的楊氏模量；α為分布因子。

對于不同材料而言，在同一轉向半徑下，T700級碳纖維/雙馬樹脂材料2的纖維屈曲率低于T700級碳纖維/雙馬樹脂材料1，其主要與材料的楊氏模量有關，而楊氏模量與剛性成正比，剛性越好，楊氏模量越高，轉向載荷越大，纖維屈曲缺陷越不容易產生。通常使用轉向載荷和臨界載荷來定義極限轉向半徑。從圖6中可以看出，T700級碳纖維/雙馬樹脂材料1和T700級碳纖維/雙馬樹脂材料2的極限轉向半徑均為2 500 mm，說明適當的增加剛性對材料鋪放性能有所改善但影響甚微。而T700級碳纖維/雙馬樹脂材料3的極限轉向半徑降至1 500 mm，這是由于T700級碳纖維/雙馬樹脂材料3的層間黏結力最大，在纖維轉向中，釋放載荷后，能夠抵抗樹脂收縮而帶來的纖維屈曲缺陷，限制纖維收縮變形，故纖維屈曲率急速下降，極限轉向半徑急速下降[5]。

圖7為3種材料的氣泡數量隨轉向半徑的變化。由于受纖維屈曲影響，對于轉向半徑低于1 500 mm 以下的氣泡缺陷數量不進行統計。從圖7中可以看出，對于同一材料而言，隨著轉向半徑的增加其氣泡數量呈下降的趨勢。其中氣泡缺陷是指在一組給定的工藝參數下，曲率鋪放時，受壓一側纖維為釋放過多的壓縮載荷，減小過多的儲存內能，而在絲束內側形成的一個由多余材料構成的未粘附在底層襯底材料上的拱形缺陷[6, 18]，且該缺陷可以通過預壓抽真空或熱封壓進行消除[14]。而隨著轉向半徑的增大，材料靠近曲率中心一側的壓縮載荷減小，導致氣泡數量減少。對于不同材料而言，T700級碳纖維/雙馬樹脂材料3的氣泡數量遠小于T700級碳纖維/雙馬樹脂材料1和T700級碳纖維/雙馬樹脂材料2，這與材料自身的層間黏結力有關，層間黏結力越大，在同一轉向半徑下，可承載的壓縮載荷越多。

圖6 3種T700級碳纖維/雙馬樹脂材料的纖維屈曲率隨轉向半徑的變化

圖7 3種T700級碳纖維/雙馬樹脂材料的氣泡數量隨轉向半徑的變化

2.1.4 復雜回轉體驗證實驗

圖8為材料的架橋率隨靜置時長的變化曲線。架橋是由于在曲率鋪放時，遠離曲率中心一側的纖維受拉，難以完全粘附在模具凹面上、R角或斜面上，導致受拉一側纖維在凹形曲率表面與絲束之間形成翻邊而非拱起的間隙[6]。如圖9真實鋪放的局部架橋示意圖，其中紅色部分為嚴重架橋區域。材料抵抗架橋缺陷出現的時長越長，下一層的鋪放質量和鋪放效率越高，且鋪放操作難度越小[19]。如圖8所示，對于同一材料而言，隨著靜置時長增加，架橋比率呈線性上升趨勢。這是由于材料表面的黏結力隨著時間的推移會發生相應的變化，一方面預浸料內的樹脂含有固化劑，會隨時間的延長而發生交聯，導致預浸料表層樹脂逐漸變干，樹脂流動性降低，難以浸潤預浸料間的界面，預浸料層間的貼合程度降低，黏結性下降；另一方面，預浸料置于室溫條件下，碳纖維表面的極性基團易與水分子形成氫鍵，導致水分子很容易聚集在聚合物/纖維界面，引起界面脫粘，從而降低預浸料層間黏結性[16]。故在室溫下存放的時間越長，預浸料層間黏結性越小，當層間黏結力小于纖維在轉向半徑方向的拉應力時，材料架橋增加。對于不同材料而言，T700級碳纖維/雙馬樹脂材料3的架橋率小于T700級碳纖維/雙馬樹脂材料2和T700級碳纖維/雙馬樹脂材料1，即T700級碳纖維/雙馬樹脂材料3具有更長的靜置時長，這是由于材料3的層間黏結力更大，可承載更大的拉應力，故T700級碳纖維/雙馬樹脂材料3在保證鋪放的情況下具有更長的靜置時長，更有利于鋪放成型，提高生產效率。

圖10為3種材料在復雜回轉體上的纖維屈曲率的變化。從圖中可以看出，對于復雜回轉體的鋪放，T700級碳纖維/雙馬樹脂材料3產生的纖維屈曲缺陷最少，這與材料自身的剛性和層間黏結力有關。因此，在相同條件下，T700級碳纖維/雙馬樹脂材料3的鋪放缺陷更少，可靜置時長更長，且具有更小轉向半徑，極限轉向半徑低至1 500 mm。 一方面更符合鋪放復雜回轉體90°典型軌跡極小轉向半徑的條件，提高設計靈活性；另一方面，對于后續鋪層的鋪放質量、鋪放效率的提高以及操作難度的降低起到了積極作用。故選用T700級碳纖維/雙馬樹脂材料3作為鋪放材料，并對其進行工藝參數研究，獲得鋪放復雜回轉體的最優工藝條件。

圖8 3種T700級碳纖維/雙馬樹脂材料的架橋比率隨靜置時長的變化

圖9 復雜回轉體局部架橋

圖10 3種T700級碳纖維/雙馬樹脂材料在復雜回轉體上的纖維屈曲率

2.2 工藝參數優化

為了滿足對復雜回轉體90°典型軌跡的最小轉向半徑的鋪放，工藝參數優化實驗僅對轉向半徑800 mm、1 000 mm和1 200 mm進行了研究。根據文獻[20]指出：絲束轉向半徑高于極限轉向半徑時，影響鋪放質量的主要因素為氣泡缺陷；低于極限轉向半徑，影響鋪放質量的主要缺陷是纖維屈曲缺陷。而材料對比實驗表明，材料3的極限轉向為1 500 mm，故工藝參數優化實驗的鋪放質量采用纖維屈曲率判定。

2.2.1 鋪放溫度對鋪放質量的影響

圖11為T700級碳纖維/雙馬樹脂材料3在不同轉向半徑R下隨不同鋪放溫度的纖維屈曲率變化曲線圖。溫度不僅會改變材料的黏性，同時還會影響材料的剛性與鋪覆性[21]，室溫不加熱，(20 ℃)時纖維屈曲率高，其原因是低溫時樹脂流動性差，材料黏性差，樹脂的低黏度會使纖維偏離規定的曲線路徑并導致樹脂和纖維的剪切，從而導致絲束在轉向鋪放時缺陷占比較多[22]。隨著鋪放溫度的升高，樹脂的黏性有所改善，在壓輥作用下，有利于樹脂沿預浸料橫向流動，使得纖維更好地固定于模具表面，限制纖維收縮變形，纖維屈曲率減小。隨著溫度持續上升，樹脂的失效形式發生轉變導致黏性斷崖式下降，導致纖維屈曲率上升[23]。

圖11 不同轉向半徑下纖維屈曲率隨鋪放溫度的變化

2.2.2 鋪放壓力對鋪放質量的影響

圖12為不同轉向半徑在不同鋪放壓力下的纖維屈曲率變化曲線圖。隨著鋪放壓力的增加，纖維屈曲率呈下降的趨勢。主要因素在于低壓實力難以提供層間貼合壓緊所需的浸潤接觸，導致纖維偏移轉向而帶來的屈曲。隨著壓力的不斷增大，樹脂浸潤鋪層，材料的黏性增加，預浸料之間的貼合能力增強，纖維屈曲率減少。當鋪放壓力超過600 N時，其纖維屈曲缺陷變化不明顯。

圖12 不同轉向半徑下纖維屈曲率隨鋪放壓力的變化

2.2.3 鋪放速度對鋪放質量的影響

圖13為不同轉向半徑在不同鋪放速度下的纖維屈曲率變化曲線圖。從圖中可以看出，隨著鋪放速度的降低，纖維屈曲率降低。當v<32 mm/s時，纖維屈曲率降至零。其原因是鋪放速度越快，其響應鋪放過程的時間越少，載荷作用時間越短，根據文獻[24]并結合文獻[25]提出的樹脂流動公式與“樹脂島”擴散模型推導出自動鋪放工藝下，樹脂面積變化率及其影響因素關系為

(4)

式中：A(t)為樹脂貼片在t時刻的面積；A(0)和H(0)為樹脂貼片在0時刻的幾何形狀；μ為樹脂牛頓黏度；Fa為施加在樹脂貼片上的應力。明顯可見，載荷作用的時間影響貼合質量，載荷時間越短，樹脂擴散不充分，鋪放質量下降。且如圖13所示，v=32 mm/s時T700級碳纖維/雙馬樹脂材料3的極限轉向半徑為1 200 mm，v=16 mm/s時極限轉向半徑降為1 000 mm，接近復雜回轉體最小轉向半徑。

2.2.4 復雜回轉體驗證實驗

通過在平板上的工藝參數研究可以發現，鋪放壓力和鋪放溫度的改變對纖維屈曲缺陷有所改善，但結合工程應用，其調整范圍窄，纖維屈曲缺陷變化不明顯，且該缺陷的存在會降低零件的力學性能，工程上絕不允許。同時，在上述實驗中的極限轉向半徑大于1 500 mm，無法滿足復雜回轉體90°典型軌跡的最小轉向半徑900 mm[26]。再結合零件鋪放效率，復雜回轉體上僅進行鋪放速度對鋪放質量的研究與驗證。為了減少架橋缺陷對鋪放成型、鋪放效率的影響，提出架橋出現時間以此研究兩層之間的最佳鋪放間隔時長。架橋出現時間指鋪放完成到首次出現架橋缺陷的時間間隔。如圖14所示，架橋出現時間隨著鋪放速度增加而減小，最長時間間隔為鋪后2 h，其原因是鋪放速度越快，響應鋪放過程的時間越少，纖維間無法得到完全浸潤，黏性降低，缺陷增加；另一方面，速度越快，載荷作用時間越短，缺陷產生的概率越大。經90°滿鋪覆驗證，如圖15所示，鋪放速度小于32 mm/s時無纖維屈曲缺陷產生，與平板實驗基本一致。

圖13 不同轉向半徑下纖維屈曲率隨鋪放速度的變化

圖14 不同鋪放速度下的屈曲率和架橋出現時間

圖15 鋪放效果

3 結 論

1) 材料的鋪放質量與材料自身的剛性和層間黏結力有關。在一定范圍內，適當提高材料的剛性和層間黏結力，可以提高材料的鋪放質量，其中層間黏結力對改善鋪放效果的影響更為顯著。并確定T700級碳纖維/雙馬樹脂材料3作為復雜回轉體的鋪放材料。

2) 通過平板曲率工藝優化實驗研究表明，材料的鋪放質量與工藝參數有關。通過優化鋪放工藝參數，可以提高材料的鋪放質量，降低極限轉向半徑。且在鋪放工藝為F=800 N、T=40 ℃、v=16 mm/s的情況下，鋪放適宜的極限轉向半徑降至1 000 mm，從而放寬軌跡設計的要求，提高材料的設計性。

3) 通過復雜回轉體工藝驗證實驗發現，最佳鋪放工藝參數為F=800 N、T=40 ℃、v=32 mm/s，且在2 h內進行下層鋪放，以此提高鋪放質量及鋪放效率，解決工程化應用問題。