先进复合材料自动铺丝设备研究现状与发展趋势

先进的复合材料由于其高比强度、比模量、大幅减重和良好的耐腐蚀性,已被广泛用于航空航天工业及其他领域。自动铺丝机是实现自动铺丝的必要设备,是影响铺放质量和生产效率的重要环节。因此,研发和改进自动铺丝机,成为制造复合材料复杂构件的最关键的课题之一。本文针对近年来国内外的自动铺丝设备,重点围绕铺丝机机床主体结构、纱架形式、铺丝头压力系统、加热系统与张力系统等方面,对当前自动铺丝机的研究与应用现状进行论述与分析,总结了国内外自动铺丝设备的研究成果,分析了国内外铺丝设备的优势与不足,最后探讨并总结了自动铺丝设备未来的发展趋势,为铺丝机的设计与优化提供了一个参考方向。

复合材料机器人纤维铺放工艺参数优化

相较于复合材料结构件传统加工方法的劳动密集型和耗时性,机器人纤维铺放技术大大的提高了复合材料成型过程的灵活性,允许制造更为复杂的结构。基于热塑性复合材料机器人纤维铺放成型工艺过程研究,分别对成型过程中紧密接触过程与融合过程进行理论分析,提出影响铺放制品质量的关键工艺参数:热气炬温度、铺放压力和铺放速度;针对圆柱形零件轴向0°铺放成型过程,以层间粘结强度为优化目标,根据响应面法设计实验,建立工艺参数耦合对层间粘结强度影响模型,通过方差分析验证了模型可靠性及有效性,进而获得纤维铺放成型最优工艺参数;实验研究表明,在最优工艺参数作用下,层间剥离力最高为24.1 N,铺放制品粘结强度最高。

热熔法制备大丝束炭纤维预浸料工艺研究

简要介绍了热熔法制备大丝束炭纤维(60K)预浸料的工艺过程,并着重对影响预浸料质量的几个主要因素进 行了讨论,结果表明,严格控制预浸温度、纤维张力、预浸压力和运行速度等因素是保证大丝束炭纤维充分展开和浸 润的技术关键。

预浸料技术的新进展

本文根据复合材料低成本制造技术,介绍了预浸料技术的新进展,包括可常温储存的预浸料;低温固化高温使用的预浸料;大丝束碳纤维预浸料和快速固化预浸料。

基于多丝束预浸铺放机构的恒张力控制技术研究

针对铺放过程的恒张力控制问题,介绍了一种多丝束预浸铺放设备的结构、组成及实现方法;选用宽度为3.2 mm的数根碳纤维丝束为原料,丝束带浸渍树脂胶液后在铺放头和芯模的协调下,从芯模的一端铺放到芯模的另一端;将模糊自整定PID控制技术应用到系统中,提出了双闭环控制方法;采用PLC、旋转编码器、张力传感器、FR93等组成的控制系统,实现了纤维丝束的全自动恒张力铺放。研究结果表明,该方法不仅能达到速度和张力的工艺要求,而且解决了系统受大惯性和干扰的影响,即保持模糊控制的灵活性,又具有PID控制的特点,铺放过程平稳、无离缝、工作可靠、故障率低。

钓鱼竿用大丝束碳纤维预浸料的研制

本文简要介绍了钓鱼竿用大丝束（60K）碳纤维预浸料熔胶膜法浸渍工艺，并着重就影响预浸料质量的几个主要因素进行了讨论。

基于热熔法的铺丝用预浸纱含胶量控制

针对轨道飞行器用高模量碳纤维复合材料品种多、批量小、质量要求高的特点,研究自动铺丝用预浸纱制备的质量控制方法。研究了直接热熔法中不同工艺参数对预浸纱含胶量的影响规律,运用正交试验定量分析了诸因素的影响程度,研究结果表明:限位辊与擦胶辊间隙对含胶量的影响最大,其次分别为收卷速率、树脂温度、差速比、放纱张力;制备HS40/CY-10W高模量碳纤维/氰酸酯预浸纱的最优工艺参数为:两辊间隙0.15mm、收卷速率12.56m/min、树脂温度100℃、差速比60%、放纱张力13N。制备的预浸纱宽度稳定、含胶量为34.0±1.0%、离散系数≤0.79%,满足铺丝用精密预浸纱要求。

干法缠绕用碳纤维增强环氧树脂预浸纱线的设计及其性能研究

干法缠绕能有效提高复合材料制品的质量稳定性,是目前复合材料制备的研究重点之一。本文开发了一种适用于干法缠绕的环氧树脂体系,并采用热熔法制备出可室温储存的预浸纱线。通过对环氧树脂工艺性能、力学性能、玻璃化转变温度和非等温流变曲线的研究,确定了树脂体系的组分配方。与此同时,系统地研究了预浸纱线的室温储存性能。研究结果表明,所开发的最优环氧树脂体系在满足干法缠绕工艺性能的同时具有优异的力学性能,拉伸强度为69 MPa,弯曲强度为109 MPa,断裂韧性与冲击强度分别为1.36 MPa·m^(1/2)和42.8 kJ/m^(2)。由该环氧树脂体系制备的预浸纱线的储存稳定性良好。在室温储存60 d后,预浸纱线的工艺性能及环氧树脂的力学性能没有发生明显变化。

网格铺丝用预浸丝分切性能研究

针对网格铺丝用预浸丝特点,采用国产T800/603B热熔预浸料,根据网格尺寸分切出适合网格铺丝用宽度的预浸丝,以分切5mm和10mm预浸丝为例,开展网格铺丝用预浸丝制备工艺研究,并探究分析分切宽度精度、搭接接头强度及分切预浸丝边缘损伤情况对网格铺丝用预浸丝质量的影响。结果表明:分切出的不同宽度的预浸丝能够满足网格铺丝用预浸丝使用要求。

多丝束碳纤维湿法缠绕系统研究

研究了多丝束碳纤维湿法缠绕机工艺,对影响张力的摩擦张力调节环节、碳纤维放卷辊及缠绕辊环节、同步运动环节分别进行了分析。在此基础上,研究了系统控制策略、设计PID张力控制系统和目标跟随式的同步运动控制系统,保证了缠绕的高质量。对碳纤维预浸缠绕机的控制系统软硬件进行设计和实现。结果表明:采用以上算法后,碳纤维张力达到±1N;缠绕精度达到±0.1mm。研究了触摸屏与远端监控相结合的双上位控制结构,设计了触摸屏本地人-机接口,利用RS-485总线传输,实现了碳纤维湿法缠绕机远端监控。

薄铺层层合复合材料研究进展

简要介绍了碳纤维薄层预浸料及其制备的层合复合材料,主要阐述碳纤维薄层预浸料的制备方法和薄铺层复合材料的力学性能特点。对国内外关于薄铺层复合材料与常规铺层复合材料的静态、韧性和疲劳等力学性能的研究进展进行了分析和总结,归纳了铺层厚度的减薄对层合复合材料力学性能的影响规律。最后对薄铺层复合材料的研究趋势和应用前景进行了展望。

自动铺放过程中预浸丝束宽度变化研究

碳纤维增强树脂基复合材料因其优异性能,在航空航天等领域得到广泛应用,其使用率已经成为装备先进性的重要指标。复合材料用量的大幅提升离不开自动铺丝技术的强力支撑。国内自动铺丝所采用的预浸丝束宽度尺寸有3.18mm、6.35mm和12.7mm三种规格,宽度和精度是预浸丝束重要的性能指标,它紧密影响预浸丝束的铺放效果,进而影响最终复合材料构件的性能。然而在实际铺放过程中,由于铺放工艺参数的不同,预浸丝束受到的应力亦不同,这样会导致丝束产生不同程度的横向变形。本文通过改变铺放过程中的工艺参数,探究不同铺放压力和铺放温度对预浸丝束宽度的影响,进而分析预浸丝束在铺放过程中宽度变化形成机理,研究对优化铺放工艺、提高构件质量具有指导意义。

国产聚丙烯腈基碳纤维发展现状与建议

聚丙烯腈基碳纤维及其复合材料是航空应用选材的理想材料,用量和应用部位是衡量飞机结构先进性的重要标志之一。综述了国产聚丙烯腈基碳纤维发展现状,指出了国产聚丙烯腈基碳纤维在产业布局、质量稳定性、配套装备、产业链等8个方面存在的主要问题;然后,分析与探讨了航空评价与应用的3个关键问题;最后给出了国产聚丙烯腈基碳纤维的发展建议,以期牵引和推动国产聚丙烯腈基碳纤维的健康可持续发展。

高强高模超薄单向预浸料与低克重平纹织物的制备工艺及性能研究

通过"超声波法"将T700、T800和M40碳纤维分别展宽,采用后浸渍法中的胶膜法制备高性能超薄单向预浸料。预浸料的单位面积纤维质量为(30±2)g/m^(2),单层厚度为(0.030±0.010)mm。通过模压工艺制备层合板进行力学性能测试,结果表明纤维强度和模量的提高对于层合板强度和模量的提高有重大影响。同时将T700、T800的单根丝束展宽,制备80 g/m^(2)低克重展宽丝束平纹织物,通过拉伸断裂强力对比结果表明,展宽丝束平纹织物的拉伸断裂强力与纤维抗拉强度成正比。

机械辊子上纤维束展宽模型的建立

制备预浸带需要将纤维束铺展变宽以便于树脂浸润,而牵引张力是纤维束展宽的动力来源,当前纤维束的展宽模型少有涉及牵引张力的影响效果。针对纤维束在机械棍子上的牵引展宽过程,结合受力分析得出纤维束运动系统的输入功及沿轴向、横向上的摩擦消耗功,依据能量守恒原理建立纤维束展宽模型。利用实验室自行搭建的机械棍子预分散装置,对展宽模型进行对比验证与分析。结果表明:牵引张力是纤维束展宽的重要原因,机械辊子个数、半径、光滑程度及纤维束与辊子间的包角都会影响纤维束的展宽,相较于Wilson展宽模型,能量平衡展宽模型能够更好地预测纤维的展开宽度,可用于指导纤维束的预分散过程。

自动铺丝用预浸窄带的质量分析及其影响因素

近年来随着自动铺丝技术的快速发展和应用,对预浸窄带的需求量增加,但国内研究人员对有关预浸窄带质量的评价体系和分析方法尚未形成统一共识。本文采用多种方法对预浸窄带的质量进行了全面分析。通过图像法及称重法分析发现,国产窄带的宽度均匀性、接头处纤维平齐度、边缘断丝情况等分切质量均控制较好。研究了间歇式热压工艺和连续式辊压工艺对窄带接头质量的影响,通过拉剪强度和剥离强度分析发现,压接工艺温度和时间是影响其力学的关键因素,对比而言辊压工艺制得的接头性能较热压工艺具有更好的稳定性。同时,接头性能也受测试环境影响,其中环境湿度的作用大于温度。随着室温储存时间延长,窄带接头的力学性能先上升后下降,通过差热分析和红外光谱分析发现,这与界面处树脂的化学反应和固化程度增长密切相关。最后,对接头反复过辊后的疲劳损伤分析表明,接头处的拉剪强度随过辊温度、张力及圈数增加而下降.

面向复杂回转体的T700级碳纤维/双马树脂材料铺放适应性

为了研究面向复杂回转体的T700级碳纤维/双马树脂材料的铺放适应性,测试了3种T700级碳纤维/双马树脂材料的T型剥离强度及悬垂性,进行了曲率铺放性能对比研究,确定了最佳的T700级碳纤维/双马树脂材料。针对该材料,研究了不同工艺参数(铺放温度、铺放压力、铺放速度)在不同转向半径下对铺放质量的影响,并提出一种新的铺放质量评定方法。材料对比实验结果表明,在一定范围内,适当提高材料的刚性和层间黏结力对材料的铺放性能有明显改善,其中提高层间黏结力效果更加显著,并最终选用T700级碳纤维/双马树脂材料3作为复杂回转体的铺放材料。工艺优化实验发现,当铺放速度小于32mm/s时,极限转向半径降低至1 000mm。结合铺放效率,获得复杂回转体的最佳铺放工艺参数为F=800N、T=40℃、v=32mm/s,且在2h内进行下层铺放,从而提高铺放质量及铺放效率,解决工程化应用问题。