自动铺带工艺参数对复合材料性能的影响
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摘要：文章针对复合材料自动铺带技术中的铺设压力和加热温度两种工艺参数，通过对固化成型后的复合材料标准试样进行拉伸试验、压缩试验、层间剪切试验及面孔隙率测试，研究了不同铺带压力和温度工艺参数对复合材料力学性能的影响。研究表明，不同铺设压力对复合材料的各项力学性能均有影响，而加热温度对面孔隙率含量的影响尤为明显。
关键词：复合材料；自动铺带；工艺参数；力学性能；铺设压力；加热温度 文献标识码：A
中图分类号：TP391 文章编号：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、提高材料性能是当今复合材料大规模工业化应用亟待解决的问题和必然趋势。近年来，国内外在复合材料低成本制造技术的研究领域取得了一定的进展，多种低成本制造技术应运而生。凭借可大幅提高生产效率、产品质量的可靠性和稳定性，降低制造成本，且易于精确控制工艺参数和技术指标等优点，自动铺带技术成为目前发展最快、最有效的复合材料自动化制造技术之一。自动铺带技术最早在20世纪70年代由Boing公司等公司联合开发，迄今为止已经发展近40年。目前，世界上复合材料制造技术先进的公司例如美国的Boing公司、AIRBUS公司、ECF公司等在飞机复合材料的构件制造技术中都已广泛采用了自动铺带技术，采用该技术制造出的复合材料的零部件也都已经大量安装在了生产的许多飞机上。高效率、高质量和低成本是自动铺带技术的最突出的特点。自动铺带技术是一种结合温度控制和质量检测功能，集成了预浸料剪裁、定位、铺叠等多种工序于一体的数控加工技术。该技术的核心功能是通过铺带头的规律运动实现预浸带的传送、切割、加热、辊压等学一系列操作，达到复合材料自动铺叠的目的。由于具备高效率、低成本等优势，目前自动铺带技术在国内外航空航天复合材料结构的加工制造领域已取得了成功的应用。与此同时，对自动铺带技术工艺参数的研究也成为当前复合材料设计制造领域关注的热点。
本文结合实验研究探讨了自动铺带技术中铺设压力和加热温度两种工艺参数对复合材料性能的影响，旨在从工艺方法上为自动铺带技术在复合材料结构件加工制造提供参考与指导。实验结果表明，不同铺设压力和加热温度对复合材料产生显著的影响。
2 实验部分
2.1 实验设备与材料
组成自动铺带机的主要系统部件包括台架系统、铺带头以及独立工作单元。其中铺带头是自动铺带机的核心部件，用于实现铺层过程复材带料传送、切割与铺放控制。图1显示了自动铺带机的大致工作流程。首先，复合材料预浸带被安放于铺带头中，并通过一组滚轮导出；然后，经过加热后的预浸带在压辊的作用下被铺叠到工装或上一层已铺好的材料上；最后，为保证铺放的材料与工装外形保持一致，将预浸带按照预先设定好的方向通过切割刀切断。上述整个过程都由计算机自动控制，铺放预浸带的同时，背衬材料通过回料滚轮进行回收。本文针对铺设压力和加热温度两种工艺参数，通过对固化成型后的复合材料标准试样进行拉伸试验、压缩试验、层间剪切试验及面孔隙率测试，考察不同压力和温度工艺参数对复合材料力学性能的影响。本研究中的复合材料采用由CYTCE公司提供的CYCOM X850-35-12KIM+-190-ATL环氧预浸料（宽150mm）。本次实验中，所使用的自动铺带机的型号为TORRESLAYUP，生产厂家为M.Torres，该设备主要用于铺贴复合材料。另外，该试验中用到的电子拉力试验机的型号分别为CMT5105和CMT7204，生产厂家为深圳新三思计量技术有限公司，其中CMT5105电子拉力试验机用于拉伸试验、压缩试验；CMT7204电子拉力试验机用于层间剪切试验；该实验中所使用的显微镜型号为DMM-300C，由上海蔡康光学仪器有限公司生产，显微镜用于面孔隙率测试。
2.2 实验方法与步骤
本实验所涉及的自动铺带工艺参数为铺带温度与压力。实验采用固定其中一种参数，通过改变另一种参数，考察其对制备的复合材料性能的影响，并分别进行讨论。当加热温度一定时，实验选取四种不同的铺设压力（100%满压、80%满压、50%满压、30%满压，以下简写为100%、80%、50%、30%）进行铺贴，当铺设压力一定时，实验选取五种不同的加热温度（0℃、35℃、45℃、60℃、80℃）进行铺贴。固化成型后加工成标准试样分别进行拉伸、短梁剪切、面孔隙率、压缩试验。每个试验重复5次，记录结果并计算其平均值。
3 实验结果与讨论
3.1 铺设压力的影响
3.1.1 铺设压力对拉伸性能的影响。图1是拉伸强度随铺设压力的变化曲线（图中三角代表每组5个试验的单个值，方块代表这5个值的平均值），从图1上可以看出拉伸强度的变化没有明显规律。图2是拉伸模量随铺设压力的变化曲线，从图2中可以看出，随着铺设压力的增大，复合材料的模量逐渐减小。这可能是因为随着铺设压力的增大，局部变形过于剧烈而出现皱褶，皱褶对强度的影响不是很明显，但会显著降低复合材料的拉伸
模量。
图1 拉伸强度随铺设压力的变化图
图2 拉伸模量随铺设压力的变化图
3.1.2 铺设压力对短梁剪切强度的影响。根据该实验过程中短梁剪切强度随铺设压力变化的曲线可以表明：随着铺设压力的增大，短梁剪切强度明显增加。随着铺设压力的增大，可使得当前铺层与上一铺层间的预浸带更加紧密地结合，从而有效地减少了层间空隙。此外，挤压预浸带也有利于树脂流动，提高层间粘合度，进一步降低层间空隙，从而增加层合板的有效承载面积，提高层间剪切强度。
3.1.3 铺设压力对面孔隙率的影响。根据该实验过程中面孔隙率含量随铺设压力变化的曲线图表明：随着铺设压力的减小，面孔隙率含量呈增大的趋势。这是由于在铺带过程中空气会被卷入铺层间，当铺设压力较低时，由于树脂的压力不足，导致裹入的空气压力大于树脂的压力，从而形成层间空隙。反之，当铺设压力较高时，由于可以提供较大的压实压力，故而能够有效抑制孔隙长大，甚至可以使复合材料内的空气溶解在环氧树脂内。 3.1.4 铺设压力对压缩性能的影响。根据本次试验的压缩强度和压缩模量随铺设压力变化的曲线表明：在30%～80%的压力范围内压缩强度和模量均随着铺设压力的增大而增大，而在100%的压力处略有下降。这可能是因为，在一定的压力范围内，随着铺设压力的增大，铺层与铺层之间的空隙越来越小，结合更加紧密，从而增强了材料的压缩性能。但当压力过大时，可能会由于局部变形过于剧烈而产生褶皱或其他缺陷，从而降低压缩性能。
3.2 加热温度的影响
3.2.1 加热温度对拉伸性能的影响。根据实验数据，在该实验过程中拉伸强度的平均值最大为855.25MPa，最小为798.72MPa，拉伸模量的平均值最大为61.55GPa，最小为57.75GPa，可见不同加热温度下的拉伸性能差异不大。所以，不同的加热温度对复合材料的拉伸性能影响不大。
3.2.2 加热温度对短梁剪切强度的影响。根据实验过程中短梁剪切强度随加热温度变化的曲线图，当加热温度从0℃增加到80℃时短梁剪切强度变化很小。可以表明：不同加热温度下的短梁剪切强度的变化不大。所以，由此推断不同的加热温度对材料的短梁剪切性能影响不大。
3.2.3 加热温度对面孔隙率的影响。根据实验中面孔隙率含量随温度变化的曲线，可以表明：随着加热温度的增加，面孔隙率含量呈增大的趋势。这可能是因为，随着加热温度的升高，基体中的小分子挥发或是周围空气水分蒸发进入基体形成孔隙。从实验数据也可以看出，虽然呈增大趋势，但增大的幅度不大。
3.2.4 加热温度对压缩性能的影响。根据实验过程中的压缩强度和压缩模量随加热温度变化的曲线表明：加热温度对压缩性能的影响及变化规律不明显。
4 结语
根据本次实验的数据和结果可以得出以下结论：（1）铺设压力对复合材料的各项性能均有一定的影响，随着铺设压力的增大，拉伸性能降低，短梁剪切强度增大，面孔隙率含量减小，压缩性能先增大后减小；（2）加热温度对面孔隙率含量有一定的影响，面孔隙率含量随着加热温度的升高而增大，加热温度对复合材料其他性能的影响不大。
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作者简介：徐小伟（1982-），男，陕西泾阳人，中航飞机西安飞机分公司复合材料厂工程师，研究方向：复合材料制造工艺。
（责任编辑：陈 洁）
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