热塑性复合材料铺放成型工艺及层间性能研究

Fiber reinforced thermoplastic composite has got rapid application in the field of aerospace manufacturing due to the excellent performance. The main line of this project focuses on the heat transfer behavior during the thermoplastic composite fibers placement. Firstly, the mathematical model to reveal the relations among the heating temperature, heating time, heating position and layer temperature field is established based on the theory of heat transfer and thermodynamics. By this model, the influences of pressure roller and mold on temperature field in heat transfer process is studied and analyzed，meanwhile，the basic theories related to this process are further discussed. Secondly, the matching relations between the surface roughness of prepreg and the degree of intimate contact and bonding are investigated to study the influence of the process parameters (laying temperature, laying stress and laying velocity) on the interlaminar properties by establishing the theoretical models of interlaminar properties and mathematical model of pressure. Finally, the placement experiment is carried out to reveal the relationship among multi-process parameters, temperature field and interlaminar properties. The research results will lay a theoretical foundation and experimental basis for the thermoplastic fiber placement process, which is of great significance to promote the application of the automatic placement technology of thermoplastic composites in the aircraft manufacturing industry.

纤维增强热塑性复合材料具有优异性能而得到快速应用，并逐渐进入航空航天制造领域。本项目以热塑性复合材料纤维铺放过程中热传递行为研究主线，首先，基于传热学和热力学理论，建立加热环节的数学模型，揭示加热温度、加热时间及加热位置与铺层温度场之间的变化关系，研究和分析热传递过程中压辊与模具初始温度对铺层温度场的影响规律，深入探讨这一过程中相关的基础理论；其次，建立层间性能指标的理论模型和施压环节的数学模型，揭示预浸丝表面粗糙度与铺层紧密接触程度和熔合强度之间的关系，并探索铺放工艺参数（铺放温度、铺放压力和铺放速度）对铺层间性能的影响规律；最后，通过铺放实验，揭示多工艺参数与温度场、层间性能指标的关系；研究成果将为热塑性纤维铺放工艺奠定理论基础和实验依据，对推进热塑性复合材料自动铺放技术在我国飞机制造业中的应用水平具有重要意义。

纤维增强热塑性复合材料具有成型周期短、生产效率高、抗冲击韧性、抗化学腐蚀性等众多优点，具有广阔的应用前景，并逐渐进入航空航天制造领域。目前针对热塑性复合材料纤维铺放方面的研究也处在相关理论及探索阶段。要实现热塑性复合材料纤维的高效成型，对热塑性复合材料纤维铺放成型研究尚存在诸多问题。本课题以热塑性复合材料纤维铺放过程中热传递行为研究主线，开展相关的基础理论研究，主要工作：1）建立了热塑性复合材料铺放过程瞬态二维热传递模型，获得了铺放过程中各个工艺参数及模具初始温度对铺层基层内温度场的影响及变化规律，针对不同的铺放速度，确定合理的加热温度，为热塑性复合材料铺放加热温度的选择及设置提供依据；2）以铺层间紧密接触度、熔合度、熔合强度为研究对象，建立了层间性能指标的理论模型，研究了铺放工艺参数对层间性能指标的影响规律及相关性；3）搭建了热塑性纤维铺放平台并对铺层间温度场进行了相关检测，同时采用均匀试验法设计并进行了铺放试验，得到了各组试件层间剪切强度和孔隙率的数据，并分析了铺放工艺参数对铺放构件的层间剪切强度和孔隙率的影响规律，优选得到了最佳的铺放工艺参数。研究成果为热塑性纤维铺放工艺奠定了理论基础和实验依据，对推进热塑性复合材料自动铺放技术在我国飞机制造业中的应用水平具有一定意义。. 目前完成了计划研究内容中的全部工作，已发表学术论文8篇，其中SCI论文3篇，国内EI论文4篇，另外还有1篇SCI论文正在审稿中（均为第一标注）。申请发明专利3项，均处在公开审核阶段，培养博士和硕士研究生5人，参加高水平学术会议5次。