自動(dòng)纖維鋪放技術(shù)是飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件自動(dòng)化成型的關(guān)鍵制造技術(shù)之一，其又可細(xì)分為自動(dòng)纖維絲鋪放技術(shù)和自動(dòng)纖維帶鋪放技術(shù)。前者適用于平面型或低曲率的曲面型，或者說準(zhǔn)平面型復(fù)合材料構(gòu)件的鋪層制造；后者綜合了自動(dòng)纖維纏繞與自動(dòng)纖維帶鋪放兩者的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面型復(fù)合材料構(gòu)件的鋪層制造。

       自動(dòng)纖維鋪放技術(shù)加工原料通常為碳纖維單向增強(qiáng)樹脂基預(yù)浸絲或預(yù)浸帶。用于預(yù)浸絲或預(yù)浸帶的樹脂根據(jù)其熱行為不同，又分為熱固性樹脂和熱塑性樹脂。在自動(dòng)纖維鋪放過程中，以碳纖維增強(qiáng)熱固性樹脂基預(yù)浸絲或預(yù)浸帶為加工對象，結(jié)合“熱壓罐”技術(shù)來生產(chǎn)飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件以廣泛應(yīng)用于飛機(jī)制造領(lǐng)域。而以碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基預(yù)浸絲或預(yù)浸帶為加工對象，結(jié)合“原位固化”技術(shù)來生產(chǎn)飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件是飛機(jī)制造業(yè)一個(gè)新的發(fā)展趨勢，據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，已應(yīng)用到空客A380和A350中[2]。除了熱塑性樹脂具有良好的焊接性、抗沖擊韌性、可循環(huán)性、抗化學(xué)腐蝕性以及近乎無限的保質(zhì)期等優(yōu)點(diǎn)外，“原位固化”技術(shù)與“熱壓罐”技術(shù)相比，還具有不受加工場地、零件大小和形狀的限制等優(yōu)點(diǎn)。

但目前據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，“原位固化”成型技術(shù)加工的鋪層層間強(qiáng)度為高壓固化成型加工的鋪層強(qiáng)度的89%~97%[3]。如何消除近10% 的差距，將是熱塑性復(fù)合材料纖維鋪放技術(shù)成功應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中的最大障礙。因此，有必要對熱塑性復(fù)合材料纖維鋪放技術(shù)中涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究。

加熱工藝研究

在自動(dòng)纖維鋪放過程中，為提高鋪放效率，通常設(shè)置預(yù)加熱及主加熱2個(gè)加熱環(huán)節(jié)。在這2個(gè)環(huán)節(jié)中，都會(huì)涉及到選擇熱源、建立加熱模型及確定加熱溫度三方面的問題。圖1所示為纖維鋪放工藝簡圖。

       目前，應(yīng)用在自動(dòng)纖維鋪放中的熱源主要有激光熱源、紅外線熱源和高溫氣體熱源3種。選擇熱源時(shí)，針對不同的加工原料及結(jié)合具體的應(yīng)用場合，需對所選熱源的加熱溫度（或加熱功率），可連續(xù)加熱時(shí)間，加熱溫度是否可控及熱源自身的價(jià)格、質(zhì)量、體積、熱利用率等方面進(jìn)行綜合考慮。首先，設(shè)置預(yù)加熱區(qū)，可顯著縮短主加熱所需時(shí)間，提高纖維鋪放速率，同時(shí)，可避免鋪層嚙合點(diǎn)處溫度梯度變化過大而引起過多的殘余應(yīng)力。預(yù)加熱時(shí)，為保持基體材料原有的物理化學(xué)性質(zhì)及最大限度提高鋪放速率，預(yù)加熱溫度通常應(yīng)略低于基體材料玻璃轉(zhuǎn)化溫度，因此，預(yù)加熱熱源的加熱溫度選擇應(yīng)略高于基體材料玻璃轉(zhuǎn)化溫度[4-5]。在主加熱區(qū)，基體材料的安全加熱溫度通常應(yīng)低于基體材料的退化溫度，為使基體材料充分熔融，主加熱區(qū)的溫度又應(yīng)高于基體材料的玻璃轉(zhuǎn)化溫度，同時(shí)，考慮鋪放效率，選擇主加熱區(qū)熱源的加熱溫度略高于基體材料退化溫度是較為合理的。其次，熱源使用場所空間的大小及安裝的難易程度，在熱源選擇過程中也需要充分的考慮。

目前，無論是工業(yè)上使用的預(yù)浸絲或預(yù)浸帶，其厚度都小于長度或?qū)挾鹊?/10，因此，國外研究人員在進(jìn)行纖維鋪放加熱模型建立時(shí)，通常根據(jù)熱力學(xué)第一定律，考慮熱量傳遞方向，建立一維或二維的熱傳遞模型[6-11]。同時(shí)，根據(jù)熱源的不同，鋪放設(shè)備及周圍的實(shí)際環(huán)境，確定相應(yīng)的熱傳遞方式，建立熱傳遞模型的邊界條件。鑒于熱傳遞模型及其邊界條件的復(fù)雜性，多數(shù)情況采用有限元的方式對模型進(jìn)行數(shù)值求解，來研究不同時(shí)刻、溫度在纖維束中不同位置的分布情況以及時(shí)間、溫度、位置三者之間的關(guān)系，然后與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析所建模型的合理性，同時(shí)對所建模型進(jìn)行合理修正。

自動(dòng)纖維鋪放過程中，在加熱溫度、加熱熱源、加熱模型三者確立之后，可以通過計(jì)算加熱時(shí)間確定的鋪放速率理論值范圍，指導(dǎo)實(shí)際鋪放過程鋪放參數(shù)的設(shè)定。

冷卻工藝研究

       用于自動(dòng)纖維鋪放的碳纖維單向增強(qiáng)樹脂基預(yù)浸絲或預(yù)浸帶，其基體材料通常為半結(jié)晶聚合物。在這類聚合物兼有無定形聚合物和結(jié)晶聚合物的優(yōu)點(diǎn)，其使用溫度、抗蠕變性、硬度和強(qiáng)度主要受結(jié)晶度的影響，隨結(jié)晶度的增大而增大，但結(jié)晶度過高，又會(huì)使聚合物變脆[12-13]。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需嚴(yán)格控制半結(jié)晶聚合物成品的結(jié)晶度來保證產(chǎn)品質(zhì)量。在纖維鋪放過程，通常會(huì)設(shè)置特定的冷卻區(qū)對熔合后的鋪層進(jìn)行冷卻以完成其最終的結(jié)晶固化，而不是讓其在室溫條件下自然冷卻。

對于半結(jié)晶聚合物，結(jié)晶速率是材料結(jié)晶程度和結(jié)晶狀態(tài)的顯著影響因素，而冷卻速率及冷卻時(shí)間決定了結(jié)晶速率。因此，在纖維鋪放過程中，只要嚴(yán)格控制這個(gè)參數(shù)，就可保證最終的產(chǎn)品品質(zhì)。而合理的冷卻速率主要是通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的。首先，基體材料性能最優(yōu)時(shí)所對應(yīng)的結(jié)晶度值的范圍可從材料制造廠商處得到；其次，設(shè)定具體的冷卻條件（等溫冷卻或以一定的冷卻速率冷卻），通過試驗(yàn)確定在此條件下的基體材料的結(jié)晶速率，結(jié)晶速率的測定方法通常有膨脹計(jì)法、光學(xué)解偏振法、DSC 法、熱臺(tái)偏光顯微鏡法、小角激光光散射法等[14] ；最后，通過仿真軟件，可計(jì)算出在此冷卻速率下達(dá)到要求結(jié)晶度所需的時(shí)間，即在纖維鋪放過程中，鋪層需在特殊冷卻區(qū)所停留的時(shí)間。

建立基體材料冷卻模型涉及傳熱學(xué)與結(jié)晶動(dòng)力學(xué)2 個(gè)學(xué)科的知識(shí)。冷卻模型的建立是將結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模型與能量模型相耦合，通過設(shè)定溫度、材料的密度、黏度、熱傳導(dǎo)率、熱熔等物理參數(shù)，同時(shí)設(shè)定符合實(shí)際情況的邊界條件，利用現(xiàn)有的多物理場仿真軟件（如COMSOL）得到達(dá)到某一結(jié)晶度的條件下冷卻速率與冷卻時(shí)間之間的關(guān)系。冷卻模型建立的關(guān)鍵是結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模型的選擇，國外學(xué)者已經(jīng)對基于Avrami 方程的模型，基于Tobin 方程的模型及Ozawa模型進(jìn)行了較為深入的研究[15-16]。

 在計(jì)算得到冷卻時(shí)間后，可以確定在這一區(qū)域合理鋪放速率理論值的范圍，但纖維鋪放過程中，鋪放速率只能是一個(gè)值，當(dāng)由加熱時(shí)間所計(jì)算的鋪放速率與由冷卻時(shí)間所計(jì)算的鋪放速率不能協(xié)調(diào)一致時(shí)，可以通過調(diào)整加熱區(qū)間的長度或特定冷卻區(qū)間的長度來達(dá)到二者速率的一致。

纖鋪層間強(qiáng)度研究

利用自動(dòng)纖維鋪放技術(shù)加工的復(fù)合材料構(gòu)件，其基體材料的性能指標(biāo)由加熱工藝參數(shù)和冷卻工藝參數(shù)共同決定；其整體性能指標(biāo)還與鋪層間強(qiáng)度有關(guān)，即與任意相鄰兩鋪層熔合后所能達(dá)到的鋪層間強(qiáng)度有關(guān)。鋪層間強(qiáng)度受到兩鋪層間緊密接觸程度、兩鋪層熔合時(shí)分子滲透距離及纖維鋪放壓力三方面因素的共同影響。

鋪層間緊密接觸度被定義為：在任意給定時(shí)間，兩鋪層接觸面積占鋪層面積總面積的百分比，與溫度、壓力、接觸時(shí)間有關(guān)[17]。由于表面粗糙度的原因，預(yù)浸絲或預(yù)浸帶表面與鋪層表面（或芯模表面）的微觀幾何形貌為不規(guī)則體，在未加熱和未施加壓力的條件下，預(yù)浸絲或預(yù)浸帶表面與鋪層表面（或芯模表面）不可能完全接觸。為理論計(jì)算方便，國外研究人員首先將不規(guī)則的微觀幾何體簡化成大小不同的矩形（指截面），然后再將上述矩形簡化成大小相同的矩形[18-20]。纖維鋪放過程中，在加熱到一定溫度時(shí)，當(dāng)壓輥對預(yù)浸絲或預(yù)浸帶施加一定的鋪放壓力后，預(yù)浸絲或預(yù)浸帶與鋪層表面（或芯模表面）的突起的矩形將發(fā)生變形，矩形高度將減小，寬度將增大，然后根據(jù)這一模型，建立計(jì)算鋪放壓力與鋪層間緊密接觸度之間的函數(shù)關(guān)系。將現(xiàn)行的粗糙度評價(jià)指標(biāo)融入上述計(jì)算模型中，可顯著提高實(shí)際應(yīng)用的方便程度。圖2為鋪層表面微觀幾何形貌及簡化模型示意圖。