自动铺丝用预浸丝束搭接工艺控制技术研究

张洋，姚锋，郑广强，崔郁，包建文



自动铺丝用预浸丝束搭接工艺控制技术研究

张洋，姚锋，郑广强，崔郁，包建文

（中航复合材料有限责任公司，北京 101300；中航工业复合材料技术中心，北京 101300）

为了研究自动铺丝用预浸丝束接头搭接工艺对拉脱力的影响，通过测试搭接长度、贴合温度及压力等搭接工艺条件下拉脱力的大小，得到满足自动铺丝工艺要求的丝束搭接优化参数，避免自动丝束铺放过程中丝束断开，实现稳定铺放。试验结果表明，在搭接压力为0.3～0.4 MPa，温度为30～60 ℃的条件下，设定预浸丝束搭接长度在30～90 mm变化时，瞬时拉脱力数值先增加后减小，其中搭接长度在80～85 mm时达到最大值；在搭接长度80 mm，搭接压力0.3 MPa的条件下，设定贴合温度为40 ℃时瞬时拉脱力数值达到最大；预浸丝束接头搭接瞬时拉脱力大小及丝束断裂形式与测试速度有关，设定测试速度在5～50 mm/min变化时，瞬时拉脱力数值逐渐增大，但是测试速度在15～20 mm/min时丝束开裂形状规则。

自动铺丝；预浸丝束；接头工艺；拉脱力

1 技术背景介绍

高性能复合材料以其独特优异的性能在军用、民用领域得到快速应用和发展，复合材料的用量已经成为飞机先进性的重要指标，例如第四代机中的F-22复合材料占结构重量的24%，法国Rafale占40%，瑞典JAS39占30%，欧洲EF2000则大于40%，F35接近50%[1].随着先进复合材料在主承力及复杂外形结构制件的广泛应用，对复合材料自动化成型技术提出了迫切需求。

自动铺丝成型技术由于对制件的适应性大大增强，铺放自由度更大，特别适合复杂结构制件的成型制造[2]，得到了广泛应用。国外复合材料自动铺丝技术已经成熟[3-4]，在航空典型结构件的应用包括V-22飞机的后机身、F22及F35战斗机的复合材料S形进气道、波音787机身段、A380后机身（如图1所示）等部件。因此，该技术成为开展复合材料自动化成型制造的必然选择。

图1 A380后机身段自动铺丝成型

自动铺丝成型技术与手工铺放最大的不同点是使用特定规格宽度的窄带丝束进行自动化铺叠[5]，为了保证制件连续成型的需要，丝束的长度必须满足制件尺寸的需要，为了保证窄带丝束的长度满足要求，通常采用丝束续接的方式制备。为了保证丝束在铺放过程中不会断开，需要针对接头搭接工艺开展研究，优化丝束接头制备工艺参数，保证丝束质量满足铺放工艺要求，实现铺放工艺过程的自动化。

2 实验材料及方法

2.1 测试材料制备

预浸丝束名称：国产T800碳纤维增强环氧树脂基预浸料；牌号：AC531/CCF800-133-35%；单层厚度为0.125 mm；宽度为6.35±0.125 mm；制造厂家为中航复合材料有限责任公司。

制备预浸丝束搭接试样时，两侧丝束长度为100 mm，两段丝束的搭接距离为，分别设定不同的数值.

接头搭接示意如图2所示，完成不同工艺条件下的丝束搭接试样制备。按照不同工艺条件制备的待测丝束如图3所示，待测单根丝束搭接如图4所示。

图2 接头搭接示意注意单位空

2.2 试验设备及过程

拉脱力测试设备为微机控制电子万能试验机；型号为CMT6104；最大测力为10 kN。

使用拉脱力测试设备，将按照不同工艺制备的丝束进行拉脱力测试，将测试得到了拉脱力数值进行记录，研究不同工艺条件对丝束接头拉脱力的影响。

图3 待测丝束搭接拉脱试样

图4 待测单根丝束搭接示意

3 试验结果分析

3.1 搭接长度对丝束拉脱力的影响

在预浸丝束接头压力分别为0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa的情况下，测试搭接长度与拉脱力之间的关系。

3.1.1 搭接压力为0.3 MPa

设定预浸丝束接头搭接压力为0.3 MPa、贴合温度为30～40 ℃的条件下，分别制备搭接长度为30～90 mm的待测预浸丝束搭接试样，利用电子万能试验机进行拉脱力测试。试验结果表明，随着丝束搭接长度的增加，拉脱力先增加后减小，其中搭接长度为80 mm时达到最大，贴合温度为30 ℃时拉脱力为283.9 N，贴合温度为40 ℃时拉脱力为311.7 N，但是在搭接长度为75 mm时丝束拉脱力出现下降；搭接长度大于80 mm后，拉脱力减小，说明在此过程中搭接长度对拉脱力的大小的影响减弱。

保持预浸丝束接头搭接压力为0.3 MPa不变，在贴合温度为50～60 ℃的条件下，制备搭接长度为30～90 mm的待测预浸丝束搭接试样。试验结果表明，随着丝束搭接长度的增加，拉脱力开始增加，但是在搭接长度为60 mm时拉脱力开始减小，说明在这种情况下贴合温度的升高减弱了搭接长度对拉脱力的影响；在搭接长度大于60 mm的情况下，拉脱力随着搭接长度的增加而继续增大。

3.1.2 搭接压力为0.4 MPa

提高预浸丝束接头搭接压力至0.4 MPa、贴合温度为30～40 ℃条件下，分别制备搭接长度为30～90 mm的待测预浸丝束搭接试样，利用电子万能试验机进行拉脱力测试。试验结果表明，随着丝束搭接长度的增加，拉脱力大小线性增加，其中贴合温度为40 ℃、搭接长度为90 mm时达到最大343 N；而贴合温度为30 ℃、搭接长度为85 mm达到最大341 N，两者几乎一致；说明预浸丝束搭接压力在0.4 MPa的情况下，丝束拉脱力大小对贴合温度不敏感；在此过程中搭接长度对拉脱力的大小起主要影响作用。同理，贴合温度为50～60 ℃条件下，随着丝束搭接长度的增加，拉脱力基本线性增加；其中贴合温度为50 ℃、搭接长度为85 mm的情况下拉脱力达到最大值390.3 N；贴合温度为60 ℃、搭接长度为80 mm的情况下拉脱力达到最大值418.1 N。

3.1.3 搭接压力0.5 MPa

提高预浸丝束接头搭接压力至0.5 MPa、贴合温度为30～40 ℃条件下，制备搭接长度为30～90 mm的待测预浸丝束搭接试样，利用电子万能试验机进行拉脱力测试。试验结果表明，随着丝束搭接长度的增加，拉脱力开始线性增加，当搭接长度大于60 mm时拉脱力出现较大波动，其中贴合温度为30 ℃、搭接长度为85 mm时达到最大值341 N；而贴合温度为40 ℃、搭接长度为90 mm时达到最大值350 N。

当贴合温度为50 ℃时，随着丝束搭接长度的增加，拉脱力线性增加（搭接长度小于70 mm），搭接长度大于70 mm时，拉脱力大小变化剧烈，并在搭接长度为90 mm时拉脱力达到最大值393.6 N；贴合温度为60 ℃、搭接长度为80 mm的情况下拉脱力达到最大值366.2 N。

3.1.4 小结

搭接压力在0.3～0.5 MPa变化时，丝束拉脱力大小总体随着搭接长度的增加而增大；当贴合温度较低时（30～40 ℃），在0.4 MP压力条件下，丝束拉脱力随着搭接长度的增加线性增加；在0.3 MPa、0.5 MPa贴合压力条件下，随着丝束压力搭接长度增大，拉脱力大小波动剧烈，说明较高或较低的贴合压力影响了搭接长度对拉脱力的影响。

搭接压力在0.3～0.5 MPa变化时，当贴合温度较高时（50～60 ℃），随着丝束搭接长度增加，拉脱力大小波动剧烈，受到搭接压力和贴合温度的双重影响，丝束搭接长度的增加对拉脱力的大小影响减弱。

搭接压力在0.3～0.5 MPa变化时，最大拉脱力平均值逐渐增大并趋于平稳，具体结果如表1所示。

3.2 贴合温度对丝束拉脱力的影响

前述通过测试，设定贴合压力为0.3～0.5 MPa，贴合温度在30～60 ℃区间变化时，最大拉脱力及相应搭接长度如表1所示。

通过分析表1可知，搭接长度在80～90 mm区间范围内时，丝束搭接拉脱力最大，因此，下面重点研究搭接长度在80 mm范围内，贴合温度与拉脱力大小之间的关系。测试结果表明，当贴合压力为0.3 MPa时，随着贴合温度的升高，拉脱力大小出现先增加后减小，最后又增加的趋势，拉脱力大小波动变化明显；当贴合压力为0.4 MPa时，随着贴合温度的升高，拉脱力先减小，随后线性增加；当贴合压力为0.5 MPa时，贴合温度升高时，拉脱力先减小，随后增加，但是此时由于贴合压力与温度的共同作用下，拉脱力增加幅度变小；贴合温度在30～50 ℃范围变化时，拉脱力在贴合压力0.4 MPa下最大；例如贴合温度为40 ℃、贴合压力为0.4 MPa时，拉脱力最大值为309.7 N。因此，预浸丝束拉脱力的大小与贴合温度的关系会受到贴合压力大小的影响。

表1 贴合压力、温度对最大拉脱力的影响

贴合压力/MPa贴合温度/℃最大拉脱力/N平均值/N搭接长度/mm 0.330283.9282.780 40311.780 50217.185 60318.190 0.430341373.185 4034390 50390.385 60418.180 0.530341362.785 4035090 50393.690 60366.280

3.3 贴合压力对丝束拉脱力的影响

设定丝束搭接温度为30～50 ℃，搭接长度为80 mm，丝束贴合压力在0.1～0.5 MPa变化时，测试丝束拉脱力的大小。测试结果表明，当贴合温度为30 ℃时，随着贴合压力的增加，拉脱力先减小后增大，说明在贴合压力较小时（0.1～0.3 MPa），贴合压力的增大不能保证层间有效贴合，引起拉脱力下降；贴合压力大于0.3 MPa时，贴合压力的增加引起拉脱力增加，但是过大的压力反而引起拉脱力下降；提高贴合温度为40 ℃时，随着贴合压力的增加，拉脱力减小的幅度变小，说明在此贴合温度范围内，贴合压力的变化会引起拉脱力太大变化；进一步提高贴合温度至50 ℃，贴合压力在0.1～0.3 MPa之间变化时，拉脱力急剧降低，但是贴合压力在0.3～0.5 MPa时，拉脱力又急剧增加，说明此时拉脱力受到贴合温度、贴合压力的双重作用，拉脱力大小变化剧烈，状态很不稳定。

3.4 测试速度对丝束拉脱力的影响

在丝束拉脱力测试过程中，发现测试时的运动速度会对拉脱力的大小产生影响，因此，下面设定贴合压力为0.3 MPa，丝束搭接温度为40 ℃，在丝束搭接长度为70 mm、75 mm、80 mm，测试速度在5～50 mm/min区间变化时，完成丝束拉脱力大小数值的记录，测试结果表明，随着测试速度的增加，拉脱力逐渐增大；在测试速度较低时（5～15 mm/min），拉脱力与测试速度表现出线性关系，测试速度越大拉脱力越大；测试速度为15～20 mm/min时，拉脱力变化幅度稳定；测试速度＞20 mm/min，拉脱力继续增大，并逐渐趋于稳定，但是，测试速度过快时，会造成纤维撕裂、错位等，因此测试速度一般选择5～15 mm/min较为理想。

4 结论

得出的结论如下：①搭接压力为0.3～0.5 MPa时，丝束拉脱力大小总体随着搭接长度的增加而增大；当贴合温度较低时（30～40 ℃），在0.4 MP压力条件下，丝束拉脱力随着搭接长度的增加线性增加；在0.3 MPa、0.5 MPa贴合压力条件下，随着丝束压力搭接长度增大，拉脱力大小波动剧烈，说明较高或较低的贴合压力对拉脱力产生了影响；②当贴合温度较高时（50～60 ℃），随着丝束搭接长度增加，受到搭接压力和贴合温度的双重影响，拉脱力大小波动剧烈，丝束搭接长度的增加对拉脱力的大小影响减弱；③搭接压力在0.3～0.5 MPa变化时，最大拉脱力平均值逐渐增大并趋于平稳；④搭接压力在0.3～0.5 MPa，贴合温度在30～50 ℃范围变化时，拉脱力先减小后增加，最后趋于平稳；⑤丝束拉脱力大小受到测试速度的影响，拉脱力与测试速度基本呈线性关系，测试速度为15～20 mm/min，拉脱力测试结果稳定。

［1］李建龙.大飞机复合材料结构制造技术［C］//中国科学技术协会、河南省人民政府.第十届中国科协年会论文集（三），2008.

［2］张洋，钟翔屿，包建文.先进树脂基复合材料自动丝束铺放技术研究现状及发展方向［J］.航空制造技术，2013（suppl 2）：131-136，140.

［3］邢丽英，包建文，礼嵩明，等.先进树脂基复合材料发展现状和面临的挑战［J］.复合材料学报，2016（7）：1327-1338.

［4］肖军，李勇，文立伟，等.树脂基复合材料自动铺放技术进展［J］.中国材料进展，2009（6）：28-32.

［5］赵聪，陆楠楠，闫西涛，等.自动铺丝用预浸丝制备工艺研究［J］.固体火箭技术，2014（5）：718-723.

2095－6835（2018）24－0022－03

V261.97

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.24.022

张洋，工学硕士，主要从事先进树脂基复合材料自动丝束铺放技术研究工作。

〔编辑：严丽琴〕