國(guó)產(chǎn)T800級(jí)碳纖維/雙馬來(lái)酰亞胺復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲工藝適應(yīng)性技術(shù)研究

張洋，姚鋒，鄭廣強(qiáng)，鄭曉然，黃威

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國(guó)產(chǎn)T800級(jí)碳纖維/雙馬來(lái)酰亞胺復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲工藝適應(yīng)性技術(shù)研究

張洋，姚鋒，鄭廣強(qiáng)，鄭曉然，黃威

（中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，中航工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心，北京 101300）

針對(duì)國(guó)產(chǎn)T800級(jí)碳纖維雙馬來(lái)酰亞胺復(fù)合材料開(kāi)展自動(dòng)鋪絲工藝適應(yīng)性試驗(yàn)研究，利用國(guó)內(nèi)首臺(tái)大型高架橋式自動(dòng)鋪絲設(shè)備作為試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)優(yōu)化鋪放速度、加熱功率、鋪放壓力等工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)材料的穩(wěn)定性自動(dòng)鋪放。試驗(yàn)結(jié)果表明，首層鋪放時(shí)，選擇鋪放壓力500 N，鋪放速度10%（1.2 m/min），加熱功率40%（600 W）；第二層及后續(xù)鋪層鋪放時(shí)，選擇鋪放速度70%（8.4 m/min），加熱功率10%（150 W），通過(guò)多批次鋪放試驗(yàn)測(cè)試，鋪放效果良好，滿足復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲工藝成型要求，為后續(xù)試驗(yàn)件的鋪放奠定基礎(chǔ)。

復(fù)合材料；自動(dòng)鋪絲；鋪放速度；加熱功率

1 研究背景

目前，國(guó)外軍用及民用航空飛行器主承力結(jié)構(gòu)已經(jīng)成熟應(yīng)用高模中強(qiáng)碳纖維（T800）增強(qiáng)的復(fù)合材料[1]，大量應(yīng)用T800級(jí)碳纖維復(fù)合材料可以有效實(shí)現(xiàn)航空飛行器的結(jié)構(gòu)輕質(zhì)、耐腐蝕、長(zhǎng)航時(shí)等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，取得了良好的減重收益。例如，美國(guó)波音公司的大型商用客機(jī)B787大量應(yīng)用T800級(jí)碳纖維復(fù)合材料[2]，燃油效率提高15%，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益?，F(xiàn)階段航空器復(fù)合材料主承力結(jié)構(gòu)制造主要采用自動(dòng)化工藝成型，特別是復(fù)雜結(jié)構(gòu)適宜采用自動(dòng)鋪絲工藝成型[3-6]。因此，為了推動(dòng)國(guó)產(chǎn)T800級(jí)碳纖維增強(qiáng)雙馬來(lái)酰亞胺復(fù)合材料在主承力部件的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的自動(dòng)化鋪絲工藝成型，有必要在前期開(kāi)展國(guó)產(chǎn)材料的鋪放適應(yīng)性研究，優(yōu)化國(guó)產(chǎn)材料自動(dòng)化鋪放工藝參數(shù)，為后續(xù)穩(wěn)定鋪放及參數(shù)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)技術(shù)積累。

本文選擇中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司開(kāi)發(fā)的國(guó)產(chǎn)T800級(jí)碳纖維雙馬來(lái)酰亞胺復(fù)合材料為鋪放實(shí)驗(yàn)材料，通過(guò)優(yōu)化鋪放速度、鋪放功率、鋪放壓力等基本自動(dòng)化鋪放工藝參數(shù)，分析不同工藝參數(shù)對(duì)鋪放效果及質(zhì)量的影響，得到基于國(guó)產(chǎn)材料滿足鋪放工藝要求的工藝參數(shù)，為后續(xù)開(kāi)展典型結(jié)構(gòu)的鋪放創(chuàng)造條件。

2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

2.1 測(cè)試材料牌號(hào)及規(guī)格

材料名稱：國(guó)產(chǎn)T800級(jí)碳纖維雙馬來(lái)酰亞胺復(fù)合材料。

牌號(hào)：AC631/CCF800。

生產(chǎn)廠家：中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司。

規(guī)格：6.35 mm×200 m。

數(shù)量：32卷。

2.2 鋪放設(shè)備介紹

選擇國(guó)內(nèi)首臺(tái)高架橋式鋪絲機(jī)為測(cè)試平臺(tái)，設(shè)備型號(hào)為ATLAS FP，最大調(diào)用絲束32束（單束寬6.35 mm）。

2.3 試驗(yàn)過(guò)程

針對(duì)鋪放材料AC631/CCF800開(kāi)展自動(dòng)鋪絲工藝適應(yīng)性研究，通過(guò)調(diào)整鋪放工藝參數(shù)，得到穩(wěn)定鋪放的最優(yōu)鋪放速度、加熱功率、鋪放壓力等主要參數(shù)，利用專用鋪放設(shè)備進(jìn)行材料的現(xiàn)場(chǎng)鋪放試驗(yàn)，根據(jù)鋪放效果及狀態(tài)判斷評(píng)價(jià)材料是否滿足后續(xù)自動(dòng)化鋪放工藝要求。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 首層鋪放工藝參數(shù)優(yōu)化

3.1.1 鋪放速度對(duì)鋪放效果的影響

通過(guò)設(shè)定鋪放壓力500 N，加熱功率50%（750 W），鋪放速度30%（60 mm/s）～50%（100 mm/s），采用8絲束國(guó)產(chǎn)T800級(jí)碳纖維雙馬來(lái)酰亞胺預(yù)浸絲束開(kāi)展鋪放試驗(yàn)，研究不同的鋪放速度條件下的鋪放效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，首層絲束與模具的貼敷性較差，低速可以實(shí)現(xiàn)絲束與模具表面的有效貼合；如果鋪放速度過(guò)快時(shí)，會(huì)出現(xiàn)絲束與模具分離，嚴(yán)重情況下同時(shí)會(huì)受到壓輥的碾壓作用，造成絲束偏移預(yù)定鋪放區(qū)域，導(dǎo)致鋪疊過(guò)程失敗。通過(guò)比較，初步選定60 mm/s為鋪放速度。

保持鋪放壓力不變，調(diào)節(jié)加熱功率為60%（900 W），研究鋪放速度為10%（20 mm/s）～40%（80 mm/s）時(shí)，進(jìn)行鋪放試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，鋪放速度在10%（20 mm/s）～30%（60 mm/s）時(shí)，絲束與模具表面貼敷效果良好。

3.1.2 加熱功率對(duì)鋪放效果的影響

設(shè)定鋪放速度為30%（60 mm/s），加熱功率50%（750 W）～80%（1 200 W），開(kāi)展鋪放工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，加熱功率過(guò)大時(shí)，絲束出現(xiàn)扭曲變形，偏離正常鋪放軌跡；加熱功率過(guò)小時(shí)，出現(xiàn)無(wú)法平整貼敷模具的情況。因此，加熱功率初步設(shè)定為60%（900 W），鋪放絲束平整，可以滿足鋪放工藝要求。

3.1.3 鋪放壓力對(duì)鋪放效果的影響

設(shè)定鋪放速度30%（60 mm/s），加熱功率60%（900 W）的情況下，通過(guò)比較鋪放壓力500 N和800 N情況下的鋪放效果，觀察鋪放壓力對(duì)鋪放的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，鋪放壓力800 N時(shí)，絲束由于受到碾壓力過(guò)大，貼敷效果不好；鋪放壓力500 N，絲束與模具貼敷效果良好。

3.1.4 小結(jié)

通過(guò)上述分析，在首層鋪放工藝過(guò)程中，完成鋪放速度、加熱功率、鋪放壓力等工藝參數(shù)鋪放測(cè)試，得到最優(yōu)鋪放參數(shù)如表1所示。在確定首層鋪放參數(shù)的情況下，通過(guò)連續(xù)鋪放測(cè)試，驗(yàn)證鋪放絲束平整，鋪放效果如圖1所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，首層鋪放工藝過(guò)程中，保持較低速度（10%），鋪放功率在0%～40%的調(diào)節(jié)過(guò)程中，絲束均可以與模具表面貼合，其中鋪放功率在40%時(shí)鋪放效果最好，絲束鋪放平整；后續(xù)采用鋪放功率40%，鋪放速度10%的條件下進(jìn)一步通過(guò)連續(xù)鋪放試驗(yàn)驗(yàn)證，鋪放效果良好。

表1 AC631/CCF800首層鋪放工藝參數(shù)

序號(hào)工藝參數(shù)結(jié)果備注 01鋪放速度20～60 mm/s滿足首層鋪放工藝要求 02加熱功率60%（900 W） 03鋪放壓力500 N

圖1 首層連續(xù)鋪放測(cè)試

3.2 層間及后續(xù)鋪放參數(shù)優(yōu)化

在進(jìn)行第二層鋪放工藝過(guò)程中，可以通過(guò)絲束自身的粘性實(shí)現(xiàn)彼此的粘接，因此，可以降低鋪放功率，以下開(kāi)展鋪放效果測(cè)試。

3.2.1 無(wú)加熱鋪放試驗(yàn)

設(shè)定鋪放壓力500 N，鋪放速度40%～60%（80～120 mm/s）時(shí)，開(kāi)展鋪放試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在不加熱的情況下，低速鋪放時(shí)材料可以實(shí)現(xiàn)良好貼敷；但是在高速鋪放時(shí)，鋪貼效果下降。為了提高鋪放效率，可以通過(guò)小幅度提高加熱功率來(lái)改善鋪放效果。

3.2.2 小幅提高加熱功率對(duì)鋪放效果的影響

設(shè)定鋪放壓力500 N，加熱功率10%（150 W），測(cè)試鋪放速度60%～100%（120～200 mm/s）時(shí)，開(kāi)展鋪放測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，在加熱功率10%的情況下，最大鋪放速度70%（140 mm/s）時(shí)可以實(shí)現(xiàn)良好貼敷；但是如果鋪放速度太快，絲束會(huì)在沖擊力的作用下發(fā)生翹曲而變形。

同時(shí)，設(shè)定較低的加熱功率可以減緩鋪絲頭內(nèi)部溫度上升的速度，降低鋪放故障發(fā)生的概率。

3.3 連續(xù)鋪放試驗(yàn)

通過(guò)上述測(cè)試，針對(duì)國(guó)產(chǎn)T800級(jí)碳纖維雙馬來(lái)酰亞胺復(fù)合材料優(yōu)化的鋪放工藝參數(shù)結(jié)果如下：①首層鋪放工藝參數(shù)。鋪放速度10%（20 mm/s），加熱功率40%（600 W），鋪放壓力500 N；②層間鋪放工藝參數(shù)。鋪放速度70%（140 m/s），加熱功率10%（150 W），鋪放壓力500 N。

后續(xù)通過(guò)開(kāi)展含插層平板連續(xù)鋪放測(cè)試驗(yàn)證（900 mm×900 mm），連續(xù)鋪貼1 h，試驗(yàn)結(jié)果表明，鋪放工藝參數(shù)優(yōu)化后鋪放效果良好。

4 結(jié)論

對(duì)國(guó)產(chǎn)T800級(jí)碳纖維雙馬來(lái)酰亞胺復(fù)合材料進(jìn)行自動(dòng)鋪絲工藝適應(yīng)性研究，優(yōu)化后的工藝參數(shù)為：①首層鋪放工藝參數(shù)。鋪放速度10%（20 mm/s），加熱功率40%（600 W），鋪放壓力500 N。②層間鋪放工藝參數(shù)。鋪放速度70%（140 m/s），加熱功率10%（150 W），鋪放壓力500 N。

［1］李奇輝，劉向陽(yáng)，房曉斌.碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀及我國(guó)碳纖維工業(yè)的發(fā)展方向［J］.價(jià)值工程，2016（17）：113-115.

［2］馬立敏，張嘉振，岳廣全，等.復(fù)合材料在新一代大型民用飛機(jī)中的應(yīng)用［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2015（02）：317-322.

［3］肖軍，李勇，文立偉，等.樹(shù)脂基復(fù)合材料自動(dòng)鋪放技術(shù)進(jìn)展［J］.中國(guó)材料進(jìn)展，2009（06）：28-32.

［4］林勝.自動(dòng)鋪帶機(jī)/鋪絲機(jī)（ATL/AFP）——現(xiàn)代大型飛機(jī)制造的關(guān)鍵設(shè)備（上）［J］.世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)，2009（04）：84-89.

［5］邢麗英，包建文，禮嵩明，等.先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀和面臨的挑戰(zhàn)［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2016（07）：1327-1338.

［6］張洋，鐘翔嶼，包建文.先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料自動(dòng)絲束鋪放技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］.航空制造技術(shù)，2013（Suppl 2）.

2095－6835（2019）01－0052－02

TB33

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.01.052

張洋，工學(xué)碩士，主要從事先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料自動(dòng)絲束鋪放技術(shù)研究工作。

〔編輯：張思楠〕