復(fù)合材料作為高性能結(jié)構(gòu)材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可以用于集成和制造大規(guī)模的整體組件。隨著制造和加工技術(shù)的發(fā)展，該類材料的應(yīng)用逐漸由航空航天領(lǐng)域擴(kuò)展到其他行業(yè)，如汽車、公共交通、生物醫(yī)學(xué)、海洋、電子和民用基礎(chǔ)設(shè)施等。
傳統(tǒng)上，復(fù)合材料的成型工藝包括手糊成型、模壓成型、纏繞成型、拉擠成型、熱壓罐成型、樹脂傳遞模塑等。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件一直存在的問題是生產(chǎn)效率較低，限制了產(chǎn)量。其原因是成型過程中的手工鋪層過程是勞動(dòng)密集型工作，需要耗費(fèi)大量時(shí)間和人力成本。另外，通常針對(duì)普通熱固性復(fù)合材料的熱壓罐工藝需要較長(zhǎng)固化和后處理時(shí)間 。
在此背景下，研究者們將目光轉(zhuǎn)向了自動(dòng)化技術(shù)，例如自動(dòng)鋪帶（Automated tape laying, ATL）技術(shù)和 自動(dòng)鋪絲（Automated fifiber placement, AFP）技術(shù)。
自動(dòng)鋪放技術(shù)是實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料原位固結(jié)成型的最具前途工藝之一，如今已應(yīng)用于單向預(yù)浸絲束或預(yù)浸帶的生產(chǎn)。ATL 通常使用最大304.8mm 的寬預(yù)浸帶，而 AFP 使用通常在 6.35~25.4mm 之間的窄預(yù)浸帶。從這個(gè)意義上講，ATL 在提高材料沉積速率方面更有優(yōu)勢(shì)。然而，AFP 機(jī)器通常與可同時(shí)處理多束（8~32束）預(yù)浸絲束的機(jī)頭結(jié)合使用，這有效提高了其鋪放效率 。AFP機(jī)器能夠根據(jù)模具表面的形狀，實(shí)現(xiàn)預(yù)浸料連續(xù)可變角度的放置。此外，還能對(duì)絲束進(jìn)行切割，以適應(yīng)制造邊界的變化，能夠保證復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工要求 。由此 AFP 機(jī)器可生產(chǎn)不同形狀的復(fù)合材料制件，例如簡(jiǎn)單的平面層壓板，彎曲度較小的面板和三維表面，實(shí)際示例包括飛機(jī)機(jī)翼蒙皮、框架、縱梁和機(jī)翼盒，機(jī)身結(jié)構(gòu)和深潛水器等。
典型的 AFP 工藝過程如圖 1 所示 。將單向預(yù)浸帶向下輸送到先前放置的鋪層（基材）的上表面。然后當(dāng)預(yù)浸帶和基材的表面接近咬合點(diǎn)（進(jìn)入的預(yù)浸帶與基材接觸的位置）時(shí)，使用熱源對(duì)其進(jìn)行加熱，通過壓緊裝置（通常為壓輥）將熔化的表面相互壓緊，實(shí)現(xiàn)粘結(jié) 。盡管自動(dòng)鋪放技術(shù)是一種很有前途的技術(shù)，但在將其完全商業(yè)化之前，仍有許多挑戰(zhàn)需要克服。除了需要實(shí)現(xiàn)工業(yè)要求的沉積速率與熱壓罐工藝相當(dāng)?shù)臋C(jī)械性能外，使用半結(jié)晶熱塑性塑料時(shí)，該工藝還必須達(dá)到所需的結(jié)晶度，消除或減少可能導(dǎo)致分層的殘余應(yīng)力，并解決孔隙度高于 1% 閾值的問題。
圖 1 AFP 工藝過程
對(duì)于連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料，其增強(qiáng)體通常為碳纖維（CF），碳纖維的質(zhì)量對(duì)連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料的性能有著重要影響。
碳纖維是指含碳量大于 90% 的纖維材料，其中石墨纖維含碳量高達(dá) 99% 以上。碳纖維的分子結(jié)構(gòu)屬于亂層石墨結(jié)構(gòu)。碳纖維具有強(qiáng)度高、重量輕、剛度好、導(dǎo)電性好、熱膨脹小、導(dǎo)熱系數(shù)高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，是先進(jìn)復(fù)合材料中增強(qiáng)材料的首選。按照前驅(qū)體的不同，可將其分為聚丙烯腈（PAN）基、瀝青基和粘膠基碳纖維。其中 PAN 基碳纖維在目前的生產(chǎn)和應(yīng)用中占據(jù)主要地位。日本東麗公司生產(chǎn)的 PAN 基碳纖維產(chǎn)量和質(zhì)量處于世界領(lǐng)先水平，其典型產(chǎn)品如 700 級(jí)的 T700SC 碳纖維，拉伸強(qiáng)度為 4900MPa，拉伸彈性模量為 230GPa；800 級(jí)的 T800H 碳纖維拉伸強(qiáng)度為 5490MPa，拉伸彈性模量為 294GPa。國(guó)產(chǎn)碳纖維方面，2015 年前后國(guó)內(nèi)已有多家碳纖維企業(yè)的 T800H 級(jí)碳纖維的力學(xué)性能達(dá)到了東麗 T800H 碳纖維的水平。
為滿足航空航天、軍工產(chǎn)業(yè)對(duì)先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料日益增長(zhǎng)的需要，連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料得到了研究者和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。其優(yōu)勢(shì)包括：
（1）剛而韌的線性高分子鏈賦予其優(yōu)異的抗沖擊性能和抗損傷性能。
（2）使用溫度區(qū)間從 -40℃到熔點(diǎn)以下 50℃左右。
（3）復(fù)合材料制備過程僅發(fā)生物理反應(yīng)，成型周期短。
（4）可以二次加工，多次成型精確控制尺寸及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
與傳統(tǒng)的熱固性樹脂基復(fù)合材料的區(qū)別在于，熱塑性樹脂基復(fù)合材料的基體為熱塑性樹脂。高性能熱塑性樹脂的特點(diǎn)是其高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg），這賦予了它們?cè)谳^高溫度下仍然具有良好機(jī)械性能的特點(diǎn)。聚醚醚酮（Polyether-ether-ketone, PEEK）是一類常用的高性能熱塑性樹脂 ，具有許多優(yōu)點(diǎn)，如非常高的韌性和耐損傷性、優(yōu)異的耐環(huán)境性、良好的抗蠕變和抗疲勞性，以及非常好的耐磨性。因此，碳纖維和聚醚醚酮基體的組合——碳纖維 / 聚醚醚酮復(fù)合材料，被廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)的高溫應(yīng)用。如芳香族聚合物復(fù)合材料（APC–2）是 Cytec 公司常用的碳纖維 / 聚醚醚酮預(yù)浸帶的商品名 。AS4/APC–2被 廣泛使用，而其他APC–2 版本的研究較少，如 IM6/APC–2和 IM7/APC–2，這些帶 /絲束的寬度較窄，為 6.35mm。此外，由TenCate公司制備的 AS4/PEEK 帶也得到了應(yīng)用。目前，有關(guān)自動(dòng)鋪放的大量工作涉及碳纖維 / 聚醚醚酮預(yù)浸帶。
對(duì)于連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料，通常在加工過程中需要高溫條件使樹脂熔融，這涉及到熱和應(yīng)力在界面上的作用。這類材料具有在不需要熱壓罐中固化的情況下就地快速處理的潛力。將連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料的熔融加工與自動(dòng)鋪放工藝相結(jié)合，使得復(fù)合材料部件具有在現(xiàn)場(chǎng)粘合成型的可能性。然而，與熱固性樹脂不同的是，熱塑性樹脂在自動(dòng)鋪放過程中需要進(jìn)行原位固結(jié)。由于以 PEEK為代表的熱塑性樹脂在熔融狀態(tài)下具有高黏度，在制造過程中要求高的加工壓力和溫度，使得它們的制造非常昂貴，這是該類材料一個(gè)主要的缺點(diǎn)。此外，由于加熱和冷卻速度非?？?，壓力施加的時(shí)間較之熱壓罐成型非常短，獲得具備與熱壓罐工藝同一水平機(jī)械性能的材料是具有挑戰(zhàn)性的。
自動(dòng)鋪放技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究和應(yīng)用現(xiàn)狀
關(guān)于自動(dòng)鋪放技術(shù)的科學(xué)研究方面，對(duì) 2017—2021 年國(guó)內(nèi)外連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料自動(dòng)鋪放技術(shù)相關(guān)研究進(jìn)行了分類總結(jié)，如表 1 所示。
表 1 近年來連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料自動(dòng)鋪放技術(shù)相關(guān)研究總結(jié)
國(guó)外方面，相關(guān)研究主要集中于德國(guó)、英國(guó)等，自動(dòng)鋪放材料體系包括碳纖維 / 尼龍 6、碳纖維 / 聚醚醚酮等，研究重點(diǎn)不僅包括工藝優(yōu)化，還包括對(duì)溫度場(chǎng)等關(guān)鍵工藝參數(shù)的模擬計(jì)算。
國(guó)內(nèi)方面，自動(dòng)鋪放材料體系包括玻璃纖維 / 聚丙烯、碳纖維 / 聚苯硫醚、碳纖維 / 聚醚醚酮等，研究重點(diǎn)主要為工藝優(yōu)化和材料體系的研究，模擬計(jì)算的相關(guān)研究也在近年來不斷出現(xiàn)。
目前國(guó)內(nèi)外高度重視自動(dòng)鋪放技術(shù)的研究工作，從該領(lǐng)域的研究論文上看，國(guó)內(nèi)外形成了各具特色的研究方向。各國(guó)研究者都在不斷加大自動(dòng)鋪放技術(shù)的研究力度，力圖提升相應(yīng)技術(shù)水平，保持技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，這也帶動(dòng)了與該領(lǐng)域有關(guān)的材料、設(shè)備等方面研究的發(fā)展。
自動(dòng)鋪放技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域方面，國(guó)外在熱固性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放技術(shù)方面的研究已趨成熟，目前正致力于研究熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放技術(shù)。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）30 年前在先進(jìn)潛水艇復(fù)合材料成型方面率先應(yīng)用熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放技術(shù)，并提出該項(xiàng)技術(shù)將面臨鋪放成型所需的高質(zhì)量、低成本預(yù)浸料、加工效率及成型構(gòu)件性能等多方面挑戰(zhàn)。美國(guó) ADC公司、航空主結(jié)構(gòu)熱塑性材料組織（TAPAS）、歐盟“Clean Sky”項(xiàng)目等均開展了針對(duì)熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放技術(shù)在航空領(lǐng)域應(yīng)用的相關(guān)研究。在 2017 年巴黎航展上，法國(guó)“熱塑性弓形盒”項(xiàng)目展出了一個(gè)全尺寸熱塑性機(jī)身驗(yàn)證件（圖 2），并針對(duì)下一代單通道飛機(jī)使用高性能熱塑性復(fù)合材料進(jìn)行內(nèi)部評(píng)估。驗(yàn)證件具備主要機(jī)身結(jié)構(gòu)的所有典型特性，如薄蒙皮、閃電防護(hù)、桁條和框結(jié)構(gòu)，因而能夠在真實(shí)工業(yè)環(huán)境下對(duì)復(fù)合材料制造技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估。其中，機(jī)身驗(yàn)證件蒙皮通過自動(dòng)鋪放技術(shù)制造 。
圖 2 全尺寸熱塑性復(fù)合材料機(jī)身驗(yàn)證件
國(guó)內(nèi)在相關(guān)制造技術(shù)及體系的積累建立方面，與國(guó)外存在一定差距。目前國(guó)內(nèi)在制造工藝方面，上海飛機(jī)制造有限公司選取機(jī)翼典型前緣蒙皮結(jié)構(gòu)，完成了類似金字塔式的工藝關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。主要研究?jī)?nèi)容包括大厚度平板試驗(yàn)件鋪放、前緣蒙皮典型結(jié)構(gòu)鋪放、缺陷可檢性研究（圖 3）。
圖 3 連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放工藝
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在制造裝備方面，南京航空航天大學(xué)在國(guó)內(nèi)率先開展了連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料熱氣加熱自動(dòng)鋪放技術(shù)及裝備的研究（圖 4（a）），但因該設(shè)備熱氣加熱溫度低，只能用于成型中低性能熱塑性復(fù)合材料；中國(guó)科學(xué)院海西研究院在國(guó)內(nèi)率先完成單絲窄帶激光加熱自動(dòng)鋪放平臺(tái)的搭建與調(diào)試（圖 4（b）），可開展系列單元技術(shù)的模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證，可進(jìn)行板材和小曲面樣品的激光加熱自動(dòng)鋪放成型。
圖 4 熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放裝備
航空工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心最新引進(jìn)的法國(guó) Coriolis 公司機(jī)器人AFP 設(shè)備配有先進(jìn)的激光加熱系統(tǒng)，最高加熱功率可達(dá) 6kW，采用熱成像攝像機(jī)溫度檢測(cè)儀對(duì)加熱溫度的測(cè)量范圍為 0~700℃，溫度測(cè)量精度可達(dá) 0.1℃，可應(yīng)用于熱塑性復(fù)合材料 AFP 工藝研究、熱塑性預(yù)浸帶AFP 工藝適應(yīng)性驗(yàn)證和熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放成型。
基于連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料的自動(dòng)鋪放后處理技術(shù)
為提高 AFP 加工的 CF/PEEK 復(fù)合材料表面質(zhì)量，Shadmehri 等采用了一種基于 AFP 機(jī)器的復(fù)合材料表面后處理（Repass）方法，研究了后處理次數(shù)對(duì)材料表面光潔度的影響，并與熱壓罐成型的復(fù)合材料表面情況進(jìn)行對(duì)比。這種后處理指的是在不添加新材料的情況下，通過 AFP 機(jī)器頭向?qū)雍习迨┘訜崃亢蛪毫?。使用表面粗糙度測(cè)試儀測(cè)量了不同次數(shù)后處理和熱壓罐處理的樣品最上層的表面粗糙度。研究結(jié)果表明，采用后處理可顯著提高 CF/PEEK 復(fù)合材料的表面光潔度。然而，從圖 5（a）中可以看出，與熱壓罐處理的樣品相比，即使經(jīng)過兩次后處理的樣品也有一個(gè)更粗糙的表面。此外，從金相照片（圖 5（b））可以明顯地看出，后處理有效地改變了纖維的分布，使相鄰層的分離線更加清晰可見，更容易區(qū)分。
圖 5 使用 AFP 機(jī)器后處理前后樣品的表面粗糙度
Chanteli 等研究了激光后處理對(duì) CF/PEEK 復(fù)合材料表面質(zhì)量和力學(xué)性能的影響。對(duì)于使用自動(dòng)鋪放技術(shù)進(jìn)行單向鋪層的 CF/PEEK復(fù)合材料，在鋪層完成后，使用激光（500W）對(duì)復(fù)合材料表面進(jìn)行后處理，同時(shí)對(duì)比了采用熱壓罐工藝制備的復(fù)合材料的對(duì)應(yīng)性能。從表面粗糙度來看，如圖 6 所示，激光后處理降低了 CF/PEEK 復(fù)合材料的表面粗糙度，對(duì)其在表面光潔度有一定要求的相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用起到了積極作用。對(duì)于不同的后處理次數(shù)，一次激光后處理明顯改善了表面質(zhì)量，兩次處理略微改善了表面質(zhì)量。另一方面，對(duì)不同處理的 CF/PEEK 復(fù)合材料層合板的層間剪切強(qiáng)度（ILSS）進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示，后處理對(duì) ILSS 值的影響不顯著。圖 6 顯示了自動(dòng)鋪放制造的層合板的失效模式。具體來說，無后處理樣品顯示出分層，以及纖維破壞和變形，相比之下，所有激光后處理過的試樣均表現(xiàn)出有微小裂紋和小的分層失效。此外，上述試樣的分層破壞主要發(fā)生在底層，邊緣出現(xiàn)小裂紋?？梢?，相對(duì)于無后處理層板，后處理使層板脆化。無后處理層板在破壞前表現(xiàn)出明顯的塑性變形，而在后處理試樣中則未出現(xiàn)此類現(xiàn)象。
圖 6 激光后處理前后樣品的表面粗糙度
連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料自誕生之初就引起了航空工業(yè)的重視，該類材料優(yōu)異的綜合性能是其隨后數(shù)十年不斷發(fā)展和應(yīng)用的巨大動(dòng)力。復(fù)合材料自動(dòng)鋪放技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)身、機(jī)翼等大型結(jié)構(gòu)件的自動(dòng)鋪疊成型，對(duì)于制造效率、精度及穩(wěn)定性的提升起到積極作用。而當(dāng)連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料與自動(dòng)鋪放技術(shù)相結(jié)合時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件在加工過程中的原位成型，不需要再使用熱壓罐，因此縮短了構(gòu)件的成型周期，提高了生產(chǎn)效率，達(dá)到了降本增效的目的。
目前國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的起步較晚，與國(guó)外存在一定的技術(shù)差距。從未來的發(fā)展趨勢(shì)來看，以自動(dòng)鋪放設(shè)備一體化技術(shù)和連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料自動(dòng)鋪放后處理技術(shù)為代表的相關(guān)研究前沿?zé)狳c(diǎn)是下一步研究的重要方向。
具體來看，在設(shè)備方面，當(dāng)前需要提升設(shè)備的可靠性和一體化程度，未來應(yīng)加強(qiáng)自動(dòng)鋪放設(shè)備的模塊化設(shè)計(jì)，提高其對(duì)不同種類熱塑性樹脂基復(fù)合材料的適應(yīng)能力。
在材料方面，當(dāng)前存在的主要問題之一是自動(dòng)鋪放成型的復(fù)合材料表面粗糙起伏、質(zhì)量不穩(wěn)定，未來該問題的解決方案，一是提高預(yù)浸料樹脂分布及浸漬程度的均勻性，二是開展自動(dòng)鋪放后處理技術(shù)增加材料表面的光潔度。在國(guó)內(nèi)科研團(tuán)隊(duì)的不斷努力下，相信在不遠(yuǎn)的將來可以一定程度彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域與國(guó)外的差距，滿足科研院所及下游企業(yè)的需求。
來源：王凱 , 劉寒松 , 肇研 . 連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料自動(dòng)鋪放技術(shù)研究進(jìn)展 [J]. 航空制造技術(shù) , 2021, 64(11):41–49
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦復(fù)合材料網(wǎng)）：連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料自動(dòng)鋪放技術(shù)研究進(jìn)展
