王雪明 劉秀 崔郁 紀(jì)福征

摘 要 自動鋪放技術(shù)的發(fā)展提高了對預(yù)浸料粘性重要性的認(rèn)識，預(yù)浸料粘性的定量測試表征方法得到了廣泛關(guān)注與研究。本文總結(jié)歸納了預(yù)浸料粘性的本質(zhì)特性--粘彈特性，對比分析了各類預(yù)浸料粘性定量測試方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出采用壓拉法是評價預(yù)浸料粘性水平比較合理的定量測試方法，分析了壓拉法測試預(yù)浸料粘性需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

關(guān)鍵詞 預(yù)浸料；粘性；粘彈性；定量測試

Analysis of Quantitative Testing and Evaluation Technology for High Performance Prepreg tack

WANG Xueming， LIU Xiu， CUI Yu， JI Fuzheng

（Composite Test Technology Center， AVIC Composite Corporation LTD， Beijing 101300）

ABSTRACT The development of automatic placement technology has raised a widespread concern about the importance of prepreg tack， and quantitative testing and characterization methods for prepreg tack have been widely studied. This article summarizes viscoelastic properties which is the intrinsic property of prepreg tack， compares and analyzes the advantages and disadvantages of various quantitative testing methods for prepreg tack， and proposes that the application of a compression-to-tension test method for the prepreg tack is a reasonable quantitative testing method for evaluating the prepreg tack level. Finally， it also analyzes the key technical issues that need to be solved in the compression-to-tension test method for prepreg tack.

KEYWORDS prepreg; tack; viscoelasticity; quantitative test

通訊作者：王雪明，研究員。研究方向?yàn)閺?fù)合材料及其檢測技術(shù)。E-mail：wtj1998@163.com

1 引言

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)輕量化的關(guān)鍵材料，自動鋪帶/鋪絲工藝技術(shù)的廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了大尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制件的高效制造。為了將其保持在所需位置，鋪設(shè)的材料必須提供一定程度的粘性^［1］，通常稱為預(yù)浸料粘性。適宜的預(yù)浸料粘性是預(yù)浸料能夠成功鋪貼于模具表面的重要保證，它對復(fù)合材料宏觀和微觀鋪疊缺陷和固化后的力學(xué)性能均有較大影響，尤其是隨著預(yù)浸料自動鋪放技術(shù)在大型整體化復(fù)合材料制造技術(shù)中的應(yīng)用，為了確保預(yù)浸料的鋪貼工藝性能，波音材料標(biāo)準(zhǔn)甚至不惜降低材料力學(xué)性能^［2］。此外，高性能（強(qiáng)度、韌性、疲勞）預(yù)浸料研制往往需要解決預(yù)浸料工藝性與復(fù)合材料力學(xué)性能的矛盾。因此，預(yù)浸料粘性已成為預(yù)浸料的一項(xiàng)重要工藝質(zhì)量指標(biāo)，了解粘性變化對于預(yù)防缺陷至關(guān)重要。

為了準(zhǔn)確評估預(yù)浸料的粘性特性及其變化規(guī)律，預(yù)浸料粘性的測試表征方法已成為近些年的一個研究熱點(diǎn)，尤其是預(yù)浸料粘性的定量測試表征方法。本文在分析預(yù)浸料粘性本質(zhì)特性的基礎(chǔ)上，綜合對比分析了各類預(yù)浸料粘性定量測試方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了采用壓拉法測試預(yù)浸料粘性并分析了壓拉法測試預(yù)浸料粘性需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

2 預(yù)浸料粘性本質(zhì)特性

預(yù)浸料粘性作為一種材料特性，是指預(yù)浸料在與基材或其他預(yù)浸料接觸時，在施加最小外力的情況下，在最短時間內(nèi)形成粘結(jié)的能力^［3］，類似于壓敏膠的行為，然而，由于增強(qiáng)纖維的存在，預(yù)浸料粘性比壓敏膠粘性更為復(fù)雜。

關(guān)于預(yù)浸料粘性形成機(jī)理，比較典型的是粘聚力平衡機(jī)理（也是基于PSA的粘性機(jī)理），即預(yù)浸料粘性的構(gòu)成受到粘合劑界面粘結(jié)強(qiáng)度和預(yù)浸料樹脂粘結(jié)強(qiáng)度之間的敏感平衡的影響^［4］，包含粘接和脫粘兩個過程，分別代表接觸粘性形成及拉伸粘性失效兩個過程^［5］：（1）接觸階段，在該階段，壓力施加在相互作用的接觸層上；（2）拉伸階段，在拉伸載荷的作用下，預(yù)浸料疊層表面分離。第一階段的模型取決于預(yù)浸料坯的性質(zhì)（即老化、表面粗糙度、粘度）、周圍環(huán)境（即溫度、壓力、水分含量）以及施加壓力的時間。假設(shè)這些輸入?yún)?shù)會產(chǎn)生“緊密接觸程度”，表征界面結(jié)合的質(zhì)量，與環(huán)境溫度和拉伸速率綜合考慮，構(gòu)成描述第二階段預(yù)浸料疊層分離模型的主要輸入?yún)?shù)（以粘性峰值應(yīng)力和粘性分離能為特征）。因此，預(yù)浸料粘性測試方法及其表征量應(yīng)能反映預(yù)浸料粘性形成與粘性失效兩個階段。

多年來，預(yù)浸料粘性定量測試的探針法、剝離法等方法多采用粘性峰值應(yīng)力和粘性分離能作為表征量，這僅僅反映了粘性失效過程，未考慮粘性形成過程對粘性的貢獻(xiàn)。Ahn^［3］等人將預(yù)浸料粘性認(rèn)為是一個整體性質(zhì)，而不是一個表面性質(zhì)，既取決于基體樹脂的粘性，也取決于增強(qiáng)纖維的彈性，通過將粘性描述為預(yù)浸料層壓板堆的整體粘彈性特性，提出了粘彈性模型，將預(yù)浸料粘性與預(yù)浸料應(yīng)變變化聯(lián)系起來，提出了預(yù)浸料粘性與四個參數(shù)密切相關(guān)：未松弛模量、松弛模量、松弛時間和初始空隙率，其中未松弛模量、松弛模量、松弛時間是預(yù)浸料的固有特性，并提出使用壓縮粘性指數(shù)（CTI，剝離時的輸出能量與粘結(jié)過程中的壓縮輸入能量之比）作為預(yù)浸料的粘性指標(biāo)，為預(yù)浸料粘性定量測試提供了理論支持。

3 預(yù)浸料粘性定量測試方法

幾十年來，預(yù)浸料粘性的表征一直是一個活躍的研究領(lǐng)域，對預(yù)浸料粘性的研究主要集中在利用實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行表征。預(yù)浸料由于纖維的存在和本身的粘彈特性等多種因素的影響，需要綜合考慮各種影響因素，并且由于受測試條件和研究目標(biāo)的限制，各種測試方法又有一定的局限性，目前國內(nèi)外尚未形成一種通用的定量測試方法，預(yù)浸料粘性成為復(fù)合材料行業(yè)最未標(biāo)準(zhǔn)化的測試內(nèi)容之一^［1］。預(yù)浸料粘結(jié)的科學(xué)研究可以追溯到20世紀(jì)80年代初^［6］。預(yù)浸料粘性測試方法主要來源于壓敏膠的粘性測試方法，大多數(shù)測試方法都是測試預(yù)浸料和受控表面和/或其本身的粘性。在眾多預(yù)浸料粘性測試方法中可分為定性測試方法和定量測試方法。

3.1 預(yù)浸料粘性定性測試方法

定性測試方法主要有滾球法^［7］、垂直金屬板法^［8］和撕裂法^［9］，現(xiàn)行的航標(biāo)《復(fù)合材料預(yù)浸料物理性能試驗(yàn)方法：第8部分 粘性的測定 HB7736.8-2004》也是基于垂直金屬板法制定的，當(dāng)前在實(shí)際工程應(yīng)用中使用較多的是垂直金屬板法，該方法對預(yù)浸料粘性情況分了五個不同級別，第一級別預(yù)浸料鋪貼工藝性最好，當(dāng)預(yù)浸料黏性處于第四級別狀態(tài)時，預(yù)浸料自身不能相互黏貼，認(rèn)為此時的預(yù)浸料已經(jīng)失去了鋪貼工藝性。該方法為定性測試方法，只能定性評價預(yù)浸料粘結(jié)性能的強(qiáng)弱，并沒有特定物理量來衡量預(yù)浸料粘結(jié)性能值的大小。預(yù)浸料粘性定性測試方法各有所局限性，其方法內(nèi)容、優(yōu)缺點(diǎn)對比匯總?cè)绫?所示。

3.2 預(yù)浸料粘性定量測試方法

針對預(yù)浸料粘性定量測試表征，國外研究相對較多，尤其是近十年來相關(guān)研究報(bào)道較多，主要有壓拉法^［3］、探針法^{［6、10、11］}、剝離法^［12-14］、拉剪法^［15］，其中壓拉法是應(yīng)用較早的方法，當(dāng)前研究較多的是剝離法和探針法。在探針法研究方面，國外主要有法國 Dubois O 團(tuán)隊(duì)，在國內(nèi)主要有浙江大學(xué)徐強(qiáng)團(tuán)隊(duì)。在剝離法方面，國外主要有Crossley等人，研究鋪放工藝參數(shù)對粘性的影響規(guī)律，已形成標(biāo)準(zhǔn)ASTM D8336-21；國內(nèi)有南航肖軍團(tuán)隊(duì)和華中科大孫容磊團(tuán)隊(duì)。根據(jù)研究需要（如手工鋪疊、自動鋪疊），剝離法又分為T型剝離法、楔子剝離法和懸浮壓輥剝離法。T型剝離和楔子剝離適用于兩種柔性材料之間的剝離，其余剝離方式適用于柔性材料和剛性材料之間或者剛性材料之間的剝離。在自動鋪疊工藝中，剝離法根據(jù)鋪疊與剝離（測試）步驟的同步與否又分為了一步剝離法和兩步剝離法；根據(jù)剝離角度的不同，剝離法又分為90°剝離法和180°剝離法。在壓拉法方面，國外主要有美國華盛頓大學(xué)Ahn 等人在1992年基于對預(yù)浸料粘彈性行為的理解發(fā)展，且最能真實(shí)反映預(yù)浸料粘性特性的一種定量測試方法，近幾年，本文作者團(tuán)隊(duì)、德國Budelmann團(tuán)隊(duì)采用壓拉法對預(yù)浸料粘性進(jìn)行了系統(tǒng)表征評價。預(yù)浸料粘性定量測試方法各有所局限性，其方法內(nèi)容和優(yōu)缺點(diǎn)對比匯總?cè)绫?所示。

4 壓拉法測試預(yù)浸料粘性的關(guān)鍵技術(shù)

壓拉法最早是由Ahn等人提出^［3］，并采用CTI（壓縮粘性指數(shù)）作為預(yù)浸料粘性的表征量，可綜合反映預(yù)浸料粘性的形成及失效過程。從表2可知，相比其他方法，壓拉法是評價預(yù)浸料粘性質(zhì)量水平相對比較合理的定量測試方法，且是引用率最高的方法。關(guān)于壓拉法在文獻(xiàn)中僅有簡單介紹，并無詳細(xì)方法可遵循，需重新設(shè)計(jì)和建立。需要解決的關(guān)鍵問題為保證建立測試方法的穩(wěn)定性、可靠性和通用性。夾具設(shè)計(jì)、預(yù)浸料與夾具粘接、控溫裝置是該方法需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。本文作者研究團(tuán)隊(duì)近年來開展了預(yù)浸料粘性定量測試表征評價研究工作，建立了壓拉法預(yù)浸料粘性定量測試方法：（1）完成了夾具設(shè)計(jì)（可保證測試夾具的平整度）；（2）通過比對不同雙面膠對測試結(jié)果重復(fù)性和穩(wěn)定性的影響，優(yōu)選出了適合預(yù)浸料粘性定量測試的雙面膠；（3）設(shè)計(jì)和制造了控溫裝置，已授權(quán)國際發(fā)明專利（ZL 2021 1 1010219.6），該控溫裝置可保證上下夾具面的最大溫差為0.5℃，可準(zhǔn)確評估溫度變化對預(yù)浸料粘性的影響規(guī)律，相比傳統(tǒng)的烘箱控溫方式（開關(guān)門時不易保證烘箱內(nèi)即預(yù)浸料溫度）操作簡便、準(zhǔn)確性高。

5 結(jié)語

（1）由于增強(qiáng)纖維的存在，預(yù)浸料粘性比壓敏膠粘性更為復(fù)雜，預(yù)浸料粘性認(rèn)為是一個整體性質(zhì)，既取決于基體樹脂的粘性，也取決于增強(qiáng)纖維的彈性。

（2）預(yù)浸料粘性測試包含粘接和脫粘兩個過程，測試方法及表征量應(yīng)能夠反映這兩個過程。

（3）壓拉法是評價預(yù)浸料粘性質(zhì)量水平相對比較合理的定量測試方法，需要解決夾具設(shè)計(jì)、預(yù)浸料與夾具粘接、控溫裝置等關(guān)鍵技術(shù)，以確保測試方法的穩(wěn)定性、可靠性和通用性。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］D. Budelmann， C. Schmidt b， D. Meiners. Prepreg tack： A review of mechanisms， measurement， and manufacturing implication［J］. Polymer Composites，，2020，41（9）：3440-3458.

［2］包建文，鐘翔嶼，張代軍，等. 國產(chǎn)高強(qiáng)中模碳纖維及其增強(qiáng)高韌性樹脂基復(fù)合材料研究進(jìn)展［J］. 材料工程，2020，48（8）：33-48.

［3］Ahn K. J.， Seferis J. C.， Pelton T.， Wilhelm M.. Analysis and characterization of prepreg tack ［J］. Polymer Composites， 1992， 13（3）： 197～206.

［4］D. Budelmann， C. Schmidt b， D. Meiners. Adhesion-cohesion balance of prepreg tack in thermoset automated ffber placement. Part 1： Adhesion and surface wetting［J］. Composites Part C，2021（6）：100204-100215.

［5］Forghani A， Hickmott C， Hutten V， et al. Experimental calibration of a numerical model of prepreg tack for predicting AFP process related defects［J］. Int SAMPE Tech Conf 2018;2018-May.

［6］A.M. Gillanders， S. Kerr and T.J. Martin. Determination of prepreg tack［J］. International Journal of Adhesion and Adhesives， 1981：125-134.

［7］宋清華，王躍全，石甲琪，齊俊偉，劉宇婷，汪旺.環(huán)境時效對預(yù)浸料自動鋪放工藝粘性的影響［J］.纖維復(fù)合材料，2021，38（04）：28-32.

［8］蔣詩才，邢麗英，陳祥寶．復(fù)合材料預(yù)浸料自動鋪帶成型適宜性研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（21）：44-47.

［9］張博明，王洋，葉金蕊．自動鋪放工藝的復(fù)合材料預(yù)浸帶的適宜性評價方法［J］. 航空制造技術(shù)，2012，407（11）：78-81.

［10］R.P. Smith， Z. Qureshi， R.J. Scaife， H. M. El-Dessouky. Limitations of processing carbon fibre reinforced plastic/polymer material using automated fibre placement technology［J］. Journal of Reinforced Plastics and Composites. 2016， 35（21）， 1527-1542.

［11］Dubois O.，Le Cam J.-B.，Béakou A.. Experimental analysis of prepreg tack［J］. Experimental Mechanics，2010，50：599-606.

［12］R. Banks， A. P. Mouritz， S. John， F. Coman， R. Paton.Development of a new structural prepreg： characterisation of handling， drape and tack properties［J］. Compos. Struct， 2004， 66（1-4）： 169-174.

［13］R.J. Crossley， P.J. Schubel， N.A. Warrior. The experimental determination of prepreg tack and dynamic stiffness［J］. Composites： Part A ， 2012，43：423-434.

［14］Crossley R.J.，Schubel P.J.，Warrior N.A.．The experimental characterisation of prepreg tack［C］．Edinburgh： IOM Communications Ltd，2009.

［15］王潔宇， 朱 凱， 沈 超. 以拉剪方式定量表征預(yù)浸料黏性的方法研究［J］.高科技纖維與應(yīng)用，2018（1）：38-43.