李東陽，宋麗蕓，杜娟，李云杰，劉國豪，潘騰，穆承廣

（1.國家管網(wǎng)集團北方管道有限責(zé)任公司管道科技研究中心；2.廊坊市科發(fā)管道技術(shù)服務(wù)有限公司，河北 廊坊 065000）

熱纏繞技術(shù)是制備高性能復(fù)合材料的重要成型工藝，尤其在耐腐蝕容器、耐腐蝕管道成型方面具有無可替代的優(yōu)勢。熱塑性預(yù)浸帶一般為纖維增強樹脂基復(fù)合材料，由于其具有極好的抗沖擊性、比強度，極長的貯存期以及低吸濕性，在熱纏繞成型技術(shù)中應(yīng)用越來越廣泛。常用的熱塑性預(yù)浸帶成型溫度在350℃以上，遠遠高于熱固性材料。熱塑性預(yù)浸料纏繞過程中關(guān)鍵要實現(xiàn)預(yù)浸料的定型加熱，加熱歷程將顯著影響層間黏結(jié)性能，加熱熱源已成為纏繞成型過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。因此，對熱塑性預(yù)浸帶成型時的加熱熱源進行研究具有重要意義。目前，在熱源方面，國內(nèi)外較先進的主要有熱輻射、LED、熱沖擊、激光、紅外等幾種方式。

1 熱輻射熱源

熱輻射是一種清潔、靈活、高效的手段，可提供能量實現(xiàn)復(fù)合材料的固化。熱輻射涉及的以下方面均影響固化效果：表面或體積輻射熱通量；輻射源發(fā)射功率水平和效率；復(fù)合材料的輻射發(fā)射；放熱的化學(xué)能釋放；輻射的入射角；以及復(fù)合材料內(nèi)部的獨立散射和相關(guān)散射。Chern通過表面或體積輻射加熱在線處理單向纖維復(fù)合材料的詳細(xì)熱模型，給出了對應(yīng)于單向的繞圈圓柱體物理幾何形狀以及施加的熱和輻射邊界條件，得出了石墨/環(huán)氧樹脂和玻璃/環(huán)氧樹脂圓柱體的溫度和固化程度的數(shù)值結(jié)果。

2 LED熱源

LED熱源具有節(jié)能、環(huán)保兩大優(yōu)勢，作為新一代綠色熱源正逐步取代傳統(tǒng)熱源。Orth T開發(fā)并分析了一種新的基于LED的加熱單元，分析了LED的輻射能量輸出。通過調(diào)整加熱單元上多個LED陣列的電輸入、輻照度，可以控制基材表面的分布從而調(diào)整表面溫度分布，并開發(fā)了二維和三維的熱模型。LED熱源示意圖見圖1。

圖1 LED熱源示意圖

3 熱沖擊熱源

熱沖擊熱源通過遵循第一原理，對于法向和斜向碰撞的實驗可用對流傳熱相關(guān)性來研究，并能夠適應(yīng)該過程所特有的幾何形狀。影響復(fù)合材料固化的參數(shù)包括割炬入射角、割炬出口直徑、割炬到目標(biāo)的距離、熱氣體溫度、氣體速度、線速度和絲束基材中的層數(shù)。Guan X等人提出了一種沖擊傳熱分析，用于熱塑性基質(zhì)復(fù)合材料絲束放置過程中熱氣炬的加熱，其研究表明，根據(jù)最佳結(jié)晶度水平，可確定各種氣體溫度和線速度加工窗口。熱沖擊熱源示意圖見圖2。

圖2 熱沖擊熱源示意圖

4 激光熱源

激光加熱具有能量密度高、溫度控制精準(zhǔn)、響應(yīng)速度快、加工速度快等優(yōu)點，但是，其設(shè)備昂貴，使用成本高昂。零件的質(zhì)量取決于加工過程中的溫度分布以及層壓板的熱歷史，激光功率和放置速度是最大的影響參數(shù)，可以顯著改善復(fù)雜形狀零件的制造質(zhì)量。Grouve W研究了熱塑性復(fù)合材料的激光輔助自動膠帶貼合（LATP）原位固結(jié)，具有比常規(guī)加工方法更高效，更精確的特點。在激光主要對準(zhǔn)膠帶的情況下，在高速和低輸入功率下可以獲得出色的黏合質(zhì)量。新的工業(yè)化生產(chǎn)需要基于模型的全局控制方法，虛擬流程模型有助于快速適應(yīng)各種產(chǎn)品要求，減少生產(chǎn)的浪費，提高系統(tǒng)的產(chǎn)量和產(chǎn)品的可靠性。所有這些目標(biāo)都需要一個高效的熱模型，可捕獲產(chǎn)品范圍內(nèi)的溫度分布。Kollmannsberger A開發(fā)并驗證了激光輔助的自動熱塑性纖維放置過程的熱力學(xué)模型。激光束的照射和反射直接影響固結(jié)過程中的熱通量和溫度分布，因此，對激光光學(xué)器件進行描述和理解，可以提高黏結(jié)質(zhì)量。激光加熱示意圖見圖3。

圖3 激光熱源示意圖

另外，激光輔助的膠帶纏繞工藝可以為自動化生產(chǎn)提供一種有效的自動化解決方案，尤其在石油和天然氣行業(yè)的管道制造行業(yè)。但是，為了保證可靠和高質(zhì)量的過程結(jié)果，必須理解并考慮層壓板內(nèi)連續(xù)纏繞層之間固結(jié)溫度的分布，并將其考慮到流程設(shè)計中。激光輔助的膠帶纏繞工藝示意圖見圖4。

圖4 激光輔助的膠帶纏繞工藝示意圖

5 紅外熱源

紅外加熱是一種低成本、有效的加熱方式，適用于連續(xù)碳纖維增強耐高溫?zé)崴苄詮?fù)合材料的纏繞成型。對于碳基復(fù)合材料而言，紅外線能量幾乎能被完全吸收。單毫等用使用自主設(shè)計的熱塑性復(fù)合材料紅外加熱纏繞成型機制備出了層間剪切性能良好的纏繞制品，研究發(fā)現(xiàn)，影響紅外加熱纏繞效果的工藝參數(shù)主要有成型溫度、預(yù)熱時間、送料張力、芯模轉(zhuǎn)速等，這可為今后紅外熱源的研究和應(yīng)用提供參考（圖5）。

圖5 紅外熱源示意圖

6 結(jié)語

綜上所述，加熱熱源作為影響熱塑性預(yù)浸帶纏繞成型質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，已引起學(xué)者越來越多的關(guān)注。通過對不同加熱熱源特點及影響參數(shù)進行對比分析，可發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外常用的幾種熱源各有優(yōu)勢：熱輻射熱源清潔、靈活、高效；LED熱源節(jié)能、環(huán)保；激光加熱能量密度高、溫度控制精準(zhǔn)、加工速度快；紅外加熱成本低、高效。相信隨著對熱塑性預(yù)浸帶加熱熱源研究的持續(xù)開展，熱纏繞成型工藝將得到進一步的發(fā)展和提升。