第３１卷 第２１期２００９年１１月武 汉 理 工 大 学 学 报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＷＵＨＡＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．３１ Ｎｏ．２１ Ｎｏｖ．２００９ＤＯＩ：１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－４４３１．２００９．２１．０１２复合材料预浸料自动铺带成型适宜性研究蒋诗才，邢丽英，陈祥宝（北京航空材料研究院，北京１０００９５）摘 要： 为考察不同耐温等级复合材料预浸料自动铺带工艺适宜性，研究了不同环氧及双马树脂体系预浸料的室温粘性，并给出预浸料分级的评分方法。
结果表明：低温环氧ＬＴ０３Ａ／Ｔ７００、中温环氧３２３４／Ｔ７００、高温环氧５２２８Ａ／Ｔ７００为１级，适合室温自动铺带成型工艺；低温环氧ＬＴ０３／Ｔ７００、高温环氧５２２８／Ｔ７００、双马５４２９／Ｔ７００为２级不适合室温自动铺带成型工艺。
对确定的预浸料体系自动铺带工艺适宜性方法进行了自动铺放工艺验证，证明预浸料体系自动铺带工艺适宜性的判定方法是有效的。
关键词： 预浸料； 粘性； 自动铺带； 成型适应性中图分类号： Ｖ２５４．１１文献标识码： Ａ文章编号：１６７１－４４３１（２００９）２１－００４４－０４ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＭｏｌｄｉｎｇＳｕｉｔａｂｉｌｉｔｙｏｆＰｒｅｐｒｅｇＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓｆｏｒＡｕｔｏｍａｔｅｄＴａｐｅＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＪＩＡＮＧＳｈｉ－ｃａｉ，ＸＩＮＧＬｉ－ｙｉｎｇ，ＣＨＥＮＸｉａｎｇ－ｂａｏ（ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｆｏｒｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｎｇｔｈｅｍｏｌｄｉｎｇｓｕｉｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｌｅｖｅｌｓｐｒｅｐｒｅｇｃｏｍｐｏｓｉｔｅｗｉｔｈａｕｔｏｍａｔｅｄｔａｐｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｔｈｅｐｒｅｐｒｅｇｖｉｓｃｏｓｉｔｉｅｓａｔｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｐｏｘｙａｎｄｂｉｓｍａｌｅｉｍｉｄｅ（ＢＭＩ）ｒｅｓｉｎｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄａｓｃｏｒｅｆｏｒｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｐｒｅｐｒｅｇｍｅｔｈｏｄｗａｓａｐｐｒｏｖｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔ，ＬＴ０３Ａ／Ｔ７００ｗｉｔｈｌｏｗ－ｔｅｍｐｅｒａ－ｔｕｒｅ，３２３４／Ｔ７００ｗｉｔｈｍｉｄｄｌｅ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｅｐｏｘｙ，５２２８Ａ／Ｔ７００ｗｉｔｈｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｅｐｏｘｙｉｓｃｌａｓｓｉｆｉｅｄａｓ１－ｌｅｖｅｌａｎｄｉｓｓｕｉｔ－ａｂｌｅｔｏａｕｔｏｍａｔｅｄｔａｐｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｔｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｗｈｉｌｅＬＴ０３／Ｔ７００ｗｉｔｈｌｏｗ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｅｐｏｘｙ，５２２８／Ｔ７００ｗｉｔｈｈｉｇｈ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｅｐｏｘｙ，ＢＭＩ５４２９／Ｔ７００ａｒｅｃｌａｓｓｉｆｉｅｄａｓ２－ｌｅｖｅｌａｎｄｉｓｕｎｓｕｉｔａｂｌｅｔｏａｕｔｏｍａｔｅｄｔａｐｅｐｒｏｃｅｓｓａｔｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａ－ｔｕｒｅ．Ｔｈｅｐｒｅｐｒｅｇｍｏｌｄｉｎｇｓｕｉｔａｂｉｌｉｔｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆａｕｔｏｍａｔｅｄｔａｐｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｎｆｉｒｍｓｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｔｈｅｓｃｏｒｅｆｏｒｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ｐｒｅｐｒｅｇ； ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ； ａｕｔｏｍａｔｅｄｔａｐｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ； ｍｏｌｄｉｎｇｓｕｉｔａｂｉｌｉｔｙ收稿日期：２００９－０６－１５．作者简介：蒋诗才（１９７３－），男，工程师．Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉ０３２４＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ自动铺带（ＡｕｔｏｍａｔｅｄＴａｐｅ）成型以有隔离背衬纸的单向预浸带为原料，在铺带头中完成预定边界形状切割，然后在压辊作用下按设计轨迹直接铺叠到模具表面。
有研究表明［１］，手工铺叠复合材料效率为３磅／ｈ，而自动铺带技术能达到１５～３０磅／ｈ；手工铺叠复合材料废料量为１５％～２０％，而自动铺带技术只有５％左右。
还有研究表明，利用自动铺带技术制备的复材料构件具有尺寸精度较高，内应力低等特点，是提高复合材料性能的一个重要途径。
从上世纪８０年代起，已应用自动铺带机生产了军机如Ｂ１和Ｂ２轰炸机的机翼蒙皮；近年来用于ＮａｖｙＡ６轰炸机机翼、Ｆ２２战斗机机翼和波音７７７飞机机翼、水平和垂直安定面蒙皮。
Ｖｏｕｇｈｔ飞机公司应用自动铺带机生产包括军用Ｃ－１７运输机的水平安定面蒙皮、全球鹰ＰＱ－４Ｂ大展弦比机翼，以及波音公司应用自动铺带技术生产了如７７７水平安定面蒙皮等。
９０年代后，西欧开始研制生产自动铺带机，如西班牙的１１轴铺带机和法国的双向铺带头技术。
ＥＡＤＳ－ＣＡＳＡ在欧洲最早使用自动铺带技术生产复合材料结构，生产了如Ａ３３０和Ａ３４０水平安定面蒙皮、Ａ３４０－６００尾翼蒙皮、Ｄｏｒｎｉｅｒ７２８喷气飞机的水平面和垂直安定面蒙皮以及翼梁，以及Ａ３８０的安定面蒙皮［２－４］。
国内现有的先进树脂基复合材料制造技术以手工铺叠为主，其不足是生产效率低、原料浪费严重、批次稳定性较差，且一些大的具有一定曲面复合材料构件难于制造。
国内复合材料自动铺带成型技术的研究刚刚起步。
文章通过建立不同耐温等级预浸料粘性评分标准对不同预浸料的粘性打分，再根据分数评价不同树脂基预浸料的自动铺带适宜性，为进一步开展树脂基复合材料自动铺带成型技术奠定了一定的基础。
１ 实 验 预浸料是自动铺放／热压成型复合材料的中间材料。
预浸料粘性的好坏直接决定了预浸料的可铺覆性，进而影响纤维在复合材料中的排列位置，对复杂形状，可能铺叠不实而引起纤维架桥，从而影响成型的工艺性和材料的力学性能，因此预浸料粘性可作为评价树脂基复合材料自动铺带工艺适宜性的一个关键指标。
预浸料的粘性目前没有定量的表征方法，该文通过粘贴在钢板上的２片预浸料叠层彼此剥离的难易程度来评定预浸料的粘性。
首先通过尝试法确定１种适宜于自动铺带样机铺叠的树脂体系预浸料，测试其粘贴在钢板上的２片预浸料叠层彼此开裂或脱落或叠层与钢板开裂或脱落所经历的时间，确定其预浸料粘性得分，得分标准如表１所示。
再测量其它树脂体系粘贴在钢板上的２片预浸料叠层彼此开裂或脱落或叠层与钢板开裂或脱落所经历的时间，最后得出不同树脂体系粘性得分，来判定不同树脂基复合材料自动铺带成型工艺适宜性。
表１ 预浸料粘性等级评分标准评判标准分值可自身粘接２不可自身粘接０可无损剥离２不可无损剥离０与垂直金属板粘接时间＞１ｈ３与垂直金属板粘接时间＜１ｈ１不可与垂直金属板粘接０ 粘性等级：１级：６～７分；２级：４～５分；３级：３分；４级：２分以下。
其中１级为室温可铺，２、３级为室温不可铺，采取一定措施后可铺，４级为不适宜自动铺放。
１）预浸料自身粘性试验取２个１００ｍｍ×１００ｍｍ的预浸料试样，分别揭掉每个试样上的隔离层；把第１个试样放置在水平工作台上（其有隔离层的一面接触工作平台）；将第２个试样的隔离层面朝上，并与第１个试样呈９０°交叉铺贴，用刮板赶出气泡；观察并记录２个试样是否相互粘结；当试图将２个试样彼此分离时，观察并记录试样间是否为无损分离。
表２ 室温自动铺带成型工艺适宜性试验结果不同树脂体系预浸料评判情况粘性评分等级自动铺带成型工艺适宜性低温环氧／碳纤维（ＬＴ０３／Ｔ７００）自身相互粘接２不能无损剥离０与垂直金属板粘接ｔ≥８ｈ３２室温不可铺中温环氧／碳纤维（３２３４／Ｔ７００）自身相互粘接２可无损剥离２与垂直金属板粘接１ｈ≤ｔ≤５ｈ３１室温可铺高温环氧／碳纤维（５２２８／Ｔ７００）自身相互粘接２可无损剥离２与垂直金属板粘接ｔ≤１ｈ１２室温不可铺双马／碳纤维（５４２９／Ｔ７００）自身相互粘接２可无损剥离２不能与垂直金属板粘接０２室温不可铺 ２）预浸料在垂直金属板上的粘性试验 取３个１００ｍｍ×１００ｍｍ的预浸料试样；在垂直金属板上铺放３层预浸料（每层预浸料纤维与垂直板底边平行），然后用刮板压紧；观察并记录预浸料叠层彼此开裂或脱落或叠层与钢板开裂或脱落所经历的时间。
作者根据预浸料自身粘接、剥离能力及与垂直金属板粘接时间的不同制定了１个预浸料粘性等级评分标准。
５４第３１卷 第２１期 蒋诗才，邢丽英，陈祥宝：复合材料预浸料自动铺带成型适宜性研究 ２ 结果与讨论２．１ 树脂基复合材料自动铺带工艺适宜性的判定研究了室温下不同预浸料的粘性及其自动铺带工艺适宜性，结果见表２。
研究了表２中不同树脂体系粘温特性，其粘度－温度曲线如图１所示。
从图１可以看出，ＬＴ－０３树脂体系粘度偏低，５２２８及５４２９树脂体系自身粘度偏高。
其中５４２９树脂体系粘度明显高于其它树脂体系。
针对不同树脂体系的粘度特性，对ＬＴ－０３及５２２８树脂体系进行了改性，改善了其树脂体系粘度，结果见图２。
５４２９树脂体系如果从结构上改善粘度，将带来韧性性能的下降，因此采取了提高自动铺带成型模具温度的方法来调整粘度。
改进后不同预浸料粘性的分级及自动铺带成型适宜性结果见表３。
６４ 武 汉 理 工 大 学 学 报 ２００９年１１月２．２ 树脂基复合材料自动铺带成型工艺性的验证 上述研究结果在哈尔滨飞机公司引进的自动铺带机得到验证。
采用宽度为１５０ｍｍ的５２２８Ａ／Ｔ７００、５４２９／Ｔ７００预浸料在哈飞公司引进的大型自动铺带机上进行了铺放试验，验证自动铺带成型用预浸料见表３ 改进后自动铺带成型工艺适宜性结果原材料体系改进后材料体系改进措施改进后材料体系评分／等级自动铺带成型工艺适宜性５２２８／Ｔ７００５２２８Ａ／Ｔ７００树脂体系改进７／１室温可铺５４２９／Ｔ７００５４２９／Ｔ７００提高模具温度７／１３０℃可铺图３。
常温时５２２８Ａ／Ｔ７００预浸料能够连续铺放，满足技术要求，结果见图４；５４２９／Ｔ７００预浸料在室温铺放时出现预浸料不能有效地和金属模具贴合，因此不能连续铺放，当模具温度升高到３０℃时，５４２９／Ｔ７００预浸料能有效地和金属模具贴合，可以连续铺放，满足技术要求，结果见图５。
验证结果表明：该研究确定的自动铺带预浸料粘性分级方法与实际铺放情况是对应的，对复合材料自动铺带成型技术的进一步深入开展具有实用意义。
３ 结 论ａ．对不同耐温等级树脂体系进行分级，其中中温环氧３２３４／Ｔ７００，适合自动铺带室温成型工艺；低温环氧ＬＴ０３／Ｔ７００、高温环氧５２２８／Ｔ７００、双马５４２９／Ｔ７００为２级不适合室温自动铺带成型工艺；ｂ．经树脂体系改性后，低温环氧ＬＴ０３Ａ／Ｔ７００、高温环氧５２２８Ａ／Ｔ７００适宜于室温自动铺带成型、通过提高模具温度到３０℃，实现了双马５４２９／Ｔ７００自动铺带成型；ｃ．对确定的预浸料体系自动铺带工艺适宜性方法进行了自动铺带工艺验证，结果表明预浸料体系自动铺带工艺适宜性的判定方法是有效的。