嚴(yán) 飆，文立偉

（1南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京210016；2南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京210016）

先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天器的大量應(yīng)用直接推動(dòng)了復(fù)合材料自動(dòng)成型技術(shù)的進(jìn)步，并且朝著成型裝備專(zhuān)門(mén)化、材料體系多樣化、設(shè)計(jì)分析制造集成化以及高效率和高可靠性成型方向發(fā)展［1－3］，各類(lèi)用于復(fù)合材料成型的“增材制造”的機(jī)床——鋪放／纏繞裝備層出不窮。為進(jìn)一步提高鋪放及纏繞成型效率、降低構(gòu)件制造成本，研究者提出多種解決方案［4，5］：①提高機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸的速度；②提高設(shè)備在相同速率下的出料量；③減少設(shè)備額外的操作時(shí)間；④完善CAD／CAM軟件軌跡規(guī)劃方法、優(yōu)化制造等。

數(shù)控機(jī)床的發(fā)展已相當(dāng)成熟，各軸的速度已接近工藝允許的速度極限，采取多頭鋪放機(jī)、單頭多帶鋪放機(jī)和更大質(zhì)量纖維束等方法，提高相同速率下的出料量是高效成型的主要方向。同時(shí)，復(fù)合材料成型所用預(yù)浸料卷長(zhǎng)度有限（少于5000m），對(duì)于大型復(fù)雜構(gòu)件的鋪纏成型，在運(yùn)行中必然存在換料和續(xù)接等額外操作；對(duì)于最多可達(dá)32條預(yù)浸紗的自動(dòng)鋪絲而言，累計(jì)占用時(shí)間更多。利用預(yù)浸料自身具有的黏度，采用快速熱壓接續(xù)接預(yù)浸料、減少額外操作時(shí)間是提高成型效率和改善制件性能的重要途徑。目前，國(guó)內(nèi)研究者［6－8］已從預(yù)浸料黏性及鋪放工藝參數(shù)等方面展開(kāi)鋪層貼合的因素分析，但對(duì)預(yù)浸料快速熱壓接形成機(jī)理的研究還較薄弱；國(guó)外 Warek［9］在復(fù)合材料成型裝置及方法中設(shè)計(jì)了續(xù)接機(jī)理框圖，實(shí)現(xiàn)預(yù)浸帶的快速連續(xù)進(jìn)給；Cairns［10］設(shè)計(jì)可旋轉(zhuǎn)平臺(tái)裝置，實(shí)現(xiàn)預(yù)浸帶的自動(dòng)續(xù)接；Tingley［11］，Oldani［12］，Hoffmann［13］針對(duì)自動(dòng)輔絲設(shè)計(jì)快速更換紗箱裝置，實(shí)現(xiàn)快速續(xù)接與連續(xù)鋪絲；M－Torres自動(dòng)鋪絲機(jī)只需暫停2s便可完成預(yù)浸帶的快速續(xù)接，達(dá)到應(yīng)用水平［14］，但關(guān)于壓接機(jī)理方面的研究鮮有報(bào)道，因此，本工作通過(guò)對(duì)預(yù)浸帶壓接過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，從理論上分析壓接工藝參數(shù)對(duì)續(xù)接能力的影響，為研制更合理的壓接工藝參數(shù)提供一定的指導(dǎo)。

1 熱壓接工藝

鋪纏成型時(shí)，預(yù)浸帶在放卷結(jié)束后更換新帶料盤(pán)，在一定的壓力溫度環(huán)境下將新預(yù)浸帶首部與原預(yù)浸帶的尾部熱壓。一方面，表面粗糙不平的預(yù)浸帶在壓力的作用下易發(fā)生機(jī)械互鎖；另一方面，預(yù)浸帶受熱黏流、樹(shù)脂擴(kuò)散流動(dòng)可使兩層預(yù)浸帶間形成一個(gè)結(jié)合界面，從而產(chǎn)生續(xù)接強(qiáng)度。

傳統(tǒng)的續(xù)接方法采用手指擠壓或手工縫合的方式對(duì)新舊預(yù)浸帶的首尾兩端續(xù)接，很大程度上取決于操作者的熟練程度和樹(shù)脂本身特性，給續(xù)接過(guò)程帶來(lái)明顯的不穩(wěn)定性，花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，降低了復(fù)合材料自動(dòng)成型效率?？焖贌釅航蛹夹g(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：①不改變復(fù)合材料結(jié)構(gòu)；②減小應(yīng)力集中和縮短接頭長(zhǎng)度；③減少加工工序、節(jié)省了時(shí)間，從而提高了效率；④提高制品的質(zhì)量與強(qiáng)度。

為保證制品質(zhì)量不受續(xù)接過(guò)程影響，需在續(xù)接前保持原預(yù)浸帶的張力，且續(xù)接后的預(yù)浸帶在其熱壓接處必須滿(mǎn)足繼續(xù)加工的張力要求。

2 熱壓接模型分析

預(yù)浸料是在嚴(yán)格控制工藝的條件下使用樹(shù)脂基體浸漬連續(xù)纖維或織物制成的復(fù)合材料中間材料，未固化的樹(shù)脂在常溫下為固態(tài)／假固態(tài)，而加熱后熔融黏流。圖1所示為采用熱熔法制備的預(yù)浸料表面，可見(jiàn)其表面分布有不均勻的“島”狀樹(shù)脂。

圖1 預(yù)浸帶表面樹(shù)脂分布Fig.1 Distribution of resin on prepreg surface

預(yù)浸帶制作工藝過(guò)程使得它不可避免地存在微氣孔和纖維未完全浸潤(rùn)樹(shù)脂等問(wèn)題，通過(guò)一定的溫度和壓力作用，樹(shù)脂黏度降低，改善潤(rùn)濕并且通過(guò)滲流等降低微氣孔。為保證續(xù)接后的預(yù)浸帶能繼續(xù)加熱鋪覆至模具表面或上一鋪層，預(yù)浸帶搭接處須在適當(dāng)?shù)臏囟葔毫Ψ秶鷥?nèi)形成穩(wěn)定相容的界面層以傳遞鋪纏過(guò)程中預(yù)浸帶所承受的拉伸載荷，忽略樹(shù)脂在預(yù)浸帶纖維間的運(yùn)動(dòng)，該界面層可認(rèn)為是預(yù)浸帶表面樹(shù)脂“島”在預(yù)浸帶間浸潤(rùn)生長(zhǎng)形成。

Gutowski等［15］對(duì)鋪放過(guò)程的研究表明，正是這些樹(shù)脂“島”在預(yù)浸帶與基板之間浸潤(rùn)生長(zhǎng)（雖然接觸面積只有大約5%～25%）保證了預(yù)浸帶與基板的可靠黏結(jié)。將這一原理拓展到熱壓接，在忽略樹(shù)脂在纖維間滲透的前提下，壓接力F作用于壓接區(qū)域樹(shù)脂“島”，樹(shù)脂在預(yù)浸帶間的浸潤(rùn)生長(zhǎng)形成結(jié)合。為研究方便，可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為圓柱狀樹(shù)脂流體在平行板之間的擠壓流動(dòng)，如圖2所示。

圖2 樹(shù)脂流體在平行板間的擠壓流動(dòng)［16］Fig.2 Squeezing flow of resin patch under parallel plates［16］

熱壓接工藝采用電熱板將電能轉(zhuǎn)換成熱能，在外部壓力作用下利用熱傳導(dǎo)的傳熱方式將熱能傳遞給續(xù)接處的預(yù)浸帶使其升溫，平行板的板長(zhǎng)為新舊預(yù)浸帶的續(xù)接長(zhǎng)度。

Tadmor和Gogos［16］提出了冪律模型流體在平行板間的擠壓流動(dòng)模型，得出Scott方程：

根據(jù)流體體積不可壓原理V為常數(shù)，對(duì)式（4）兩邊積分得到：

式中：H（0）表示初始時(shí)刻柱體高度；H（t）表示任意時(shí)刻柱體高度，可得

再一次應(yīng)用流體體積不可壓原理，即V＝A（0）H（0）＝A（t）H（t），其中A（0）表示初始時(shí)刻柱體潤(rùn)濕底面積，A（t）表示任意時(shí)刻柱體潤(rùn)濕底面積，可得

續(xù)接性能由潤(rùn)濕部分的樹(shù)脂內(nèi)聚力決定，正比于潤(rùn)濕面積。根據(jù)式（7），續(xù)接性能與壓力F、熱壓接時(shí)間t、樹(shù)脂黏度μ及樹(shù)脂“島”的初始面積A（0）有關(guān)，并符合下述規(guī)律：續(xù)接性能隨壓接壓力F和壓接時(shí)間t的增加而提高。

由于樹(shù)脂黏度μ依賴(lài)樹(shù)脂溫度T并遵循Arrhenius方程［17］：

式中：E為活化能；A和R為常數(shù)，因此續(xù)接性能隨壓接溫度的上升而提高。

增加續(xù)接長(zhǎng)度L，A（0）也增加，續(xù)接性能隨之提高。

3 續(xù)接實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證續(xù)接性能與以上參數(shù)理論分析結(jié)果，實(shí)驗(yàn)采用酚醛樹(shù)脂含膠量為38%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的玻璃纖維織物／酚醛樹(shù)脂預(yù)浸帶（664／B30），在室溫23℃，相對(duì)濕度50%環(huán)境下，進(jìn)行不同壓力、溫度、時(shí)間和續(xù)接長(zhǎng)度下的預(yù)浸帶熱壓接實(shí)驗(yàn)。

由于成型張力是指預(yù)浸帶從開(kāi)卷到芯模上的整個(gè)成型過(guò)程中受到的拉力，一方面，它可以使預(yù)浸帶拉直、均勻地承受載荷；另一方面，還可使纏繞制品上預(yù)浸帶層間加壓粘接、驅(qū)除氣泡并使制品更加致密，同時(shí)也有利于樹(shù)脂滲透；因此，在平行于續(xù)接界面層軸向的拉伸載荷作用下，采用拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)得的破壞載荷表征預(yù)浸帶的續(xù)接性能。

試件的結(jié)構(gòu)如圖3所示，試件為單搭接接頭，寬度為40mm，單邊長(zhǎng)度為150mm，單邊厚度為0.35mm。在實(shí)驗(yàn)室CMT5105型電子萬(wàn)能拉伸機(jī)上以2mm／min的移動(dòng)速率，室溫23℃環(huán)境下施加載荷，為使施加的拉伸載荷成功地引入試件和防止試件由于明顯的不連續(xù)而引起提前破壞，在試件的兩端各加一組加強(qiáng)片。

圖3 熱壓接試件結(jié)構(gòu)Fig.3 Configuration of the specimen by hot－press

3.1 續(xù)接壓力對(duì)續(xù)接性能的影響

續(xù)接壓力的施加采用氣缸直接加壓方式，以更好地模擬真實(shí)熱壓接（該方式具有體積小、成本低、驅(qū)動(dòng)及響應(yīng)速度較快的特點(diǎn)，且容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制），通過(guò)調(diào)節(jié)氣缸壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)不同續(xù)接壓力的控制。在續(xù)接溫度34℃、續(xù)接時(shí)間5s、續(xù)接長(zhǎng)度70mm條件下，調(diào)節(jié)續(xù)接壓力為0.2，0.3，0.4，0.5，0.6MPa，續(xù)接后的預(yù)浸帶拉伸破壞載荷如圖4所示。

圖4 續(xù)接壓力對(duì)拉伸破壞載荷的影響Fig.4 Effect of lap pressure on tensile failure load

由圖4可看出，續(xù)接預(yù)浸帶的拉伸破壞載荷隨續(xù)接壓力的增加而增大，即樹(shù)脂在預(yù)浸帶平行板之間的浸潤(rùn)面積增加，續(xù)接性能得到提升，這一結(jié)果與理論分析相一致。

3.2 續(xù)接溫度對(duì)續(xù)接性能的影響

熱壓接采用熱傳導(dǎo)方式加熱預(yù)浸帶，續(xù)接溫度增加，樹(shù)脂黏度降低。為防止加熱引起預(yù)浸帶交聯(lián)，一般對(duì)預(yù)浸帶加熱溫度控制在26～43℃范圍內(nèi)，取續(xù)接壓力0.5MPa、續(xù)接時(shí)間5s、續(xù)接長(zhǎng)度70mm條件下，調(diào)節(jié)續(xù)接溫度為30，32，34，36，38℃，續(xù)接后的預(yù)浸帶拉伸破壞載荷如圖5所示。

圖5 續(xù)接溫度對(duì)拉伸破壞載荷的影響Fig.5 Effect of lap temperature on tensile failure load

由圖5可見(jiàn)，續(xù)接預(yù)浸帶的拉伸破壞載荷隨續(xù)接溫度的升高呈顯著遞增趨勢(shì)，這是因?yàn)闃?shù)脂黏度隨溫度升高而降低，樹(shù)脂流動(dòng)性加強(qiáng)，從而樹(shù)脂在預(yù)浸帶平行板之間的浸潤(rùn)面積增加，續(xù)接預(yù)浸帶間的黏結(jié)程度也逐漸增強(qiáng)，續(xù)接性能得到提升。

3.3 續(xù)接時(shí)間對(duì)續(xù)接性能的影響

實(shí)驗(yàn)選擇在續(xù)接氣缸壓力0.5MPa、續(xù)接溫度34℃、續(xù)接長(zhǎng)度70mm條件下，調(diào)節(jié)續(xù)接時(shí)間為5，10，15，20，25s，續(xù)接后預(yù)浸帶拉伸破壞載荷如圖6所示。

圖6 續(xù)接時(shí)間對(duì)拉伸破壞載荷的影響Fig.6 Effect of lap time on tensile failure load

由圖6可看出，續(xù)接預(yù)浸帶的拉伸破壞載荷隨續(xù)接時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，樹(shù)脂在溫度壓力作用下逐漸浸潤(rùn)生長(zhǎng)，在預(yù)浸帶平行板之間的浸潤(rùn)面積越大，預(yù)浸帶間的黏結(jié)程度越高，續(xù)接性能隨之提高。

3.4 續(xù)接長(zhǎng)度對(duì)續(xù)接性能的影響

選取續(xù)接壓力0.5MPa、續(xù)接溫度34℃、續(xù)接時(shí)間5s進(jìn)行預(yù)浸帶熱壓接實(shí)驗(yàn)，考慮不同續(xù)接長(zhǎng)度對(duì)續(xù)接預(yù)浸帶拉伸破壞載荷的影響，分別調(diào)節(jié)續(xù)接長(zhǎng)度為50，60，70，80，90mm，續(xù)接后預(yù)浸帶拉伸破壞載荷如圖7所示。

圖7 續(xù)接長(zhǎng)度對(duì)拉伸破壞載荷的影響Fig.7 Effect of lap length on tensile failure load

由圖7可看出，續(xù)接預(yù)浸帶的拉伸破壞載荷隨續(xù)接長(zhǎng)度的增加而增大。當(dāng)續(xù)接長(zhǎng)度增加時(shí)，續(xù)接處的樹(shù)脂分布相應(yīng)增多，在溫度及壓力作用下，樹(shù)脂流動(dòng)擴(kuò)散，在預(yù)浸帶平行板之間的浸潤(rùn)總面積隨之增長(zhǎng)，續(xù)接預(yù)浸帶性能得到提高。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)預(yù)浸帶快速熱壓接分析，提出續(xù)接預(yù)浸帶間的貼合可視為樹(shù)脂“島”在平板預(yù)浸帶間受擠壓流動(dòng)從而形成界面層的過(guò)程，將鋪放黏合模型應(yīng)用于熱壓接分析。

（2）應(yīng)用冪律模型獲得流體在平板擠壓下的流體力學(xué)方程，并得出樹(shù)脂浸潤(rùn)面積受續(xù)接壓力、樹(shù)脂黏度、續(xù)接溫度、續(xù)接時(shí)間和續(xù)接長(zhǎng)度的影響關(guān)系。

（3）熱壓接后的預(yù)浸帶性能隨續(xù)接壓力的增大（0.2～0.6MPa）、續(xù)接溫度的升高（30～38℃）、續(xù)接時(shí)間（5～25s）和續(xù)接長(zhǎng)度（50～90mm）的增加而提高，符合冪律模型分析結(jié)果。

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