国产T800级碳纤维/双马来酰亚胺复合材料自动铺丝工艺适应性技术研究

张洋，姚锋，郑广强，郑晓然，黄威



国产T800级碳纤维/双马来酰亚胺复合材料自动铺丝工艺适应性技术研究

张洋，姚锋，郑广强，郑晓然，黄威

（中航复合材料有限责任公司，中航工业复合材料技术中心，北京 101300）

针对国产T800级碳纤维双马来酰亚胺复合材料开展自动铺丝工艺适应性试验研究，利用国内首台大型高架桥式自动铺丝设备作为试验平台，通过优化铺放速度、加热功率、铺放压力等工艺参数，实现国产材料的稳定性自动铺放。试验结果表明，首层铺放时，选择铺放压力500 N，铺放速度10%（1.2 m/min），加热功率40%（600 W）；第二层及后续铺层铺放时，选择铺放速度70%（8.4 m/min），加热功率10%（150 W），通过多批次铺放试验测试，铺放效果良好，满足复合材料自动铺丝工艺成型要求，为后续试验件的铺放奠定基础。

复合材料；自动铺丝；铺放速度；加热功率

1 研究背景

目前，国外军用及民用航空飞行器主承力结构已经成熟应用高模中强碳纤维（T800）增强的复合材料[1]，大量应用T800级碳纤维复合材料可以有效实现航空飞行器的结构轻质、耐腐蚀、长航时等关键技术指标，取得了良好的减重收益。例如，美国波音公司的大型商用客机B787大量应用T800级碳纤维复合材料[2]，燃油效率提高15%，取得了可观的经济效益。现阶段航空器复合材料主承力结构制造主要采用自动化工艺成型，特别是复杂结构适宜采用自动铺丝工艺成型[3-6]。因此，为了推动国产T800级碳纤维增强双马来酰亚胺复合材料在主承力部件的应用，实现复杂结构部件的自动化铺丝工艺成型，有必要在前期开展国产材料的铺放适应性研究，优化国产材料自动化铺放工艺参数，为后续稳定铺放及参数优化实现技术积累。

本文选择中航复合材料有限责任公司开发的国产T800级碳纤维双马来酰亚胺复合材料为铺放实验材料，通过优化铺放速度、铺放功率、铺放压力等基本自动化铺放工艺参数，分析不同工艺参数对铺放效果及质量的影响，得到基于国产材料满足铺放工艺要求的工艺参数，为后续开展典型结构的铺放创造条件。

2 实验材料及方法

2.1 测试材料牌号及规格

材料名称：国产T800级碳纤维双马来酰亚胺复合材料。

牌号：AC631/CCF800。

生产厂家：中航复合材料有限责任公司。

规格：6.35 mm×200 m。

数量：32卷。

2.2 铺放设备介绍

选择国内首台高架桥式铺丝机为测试平台，设备型号为ATLAS FP，最大调用丝束32束（单束宽6.35 mm）。

2.3 试验过程

针对铺放材料AC631/CCF800开展自动铺丝工艺适应性研究，通过调整铺放工艺参数，得到稳定铺放的最优铺放速度、加热功率、铺放压力等主要参数，利用专用铺放设备进行材料的现场铺放试验，根据铺放效果及状态判断评价材料是否满足后续自动化铺放工艺要求。

3 试验结果分析

3.1 首层铺放工艺参数优化

3.1.1 铺放速度对铺放效果的影响

通过设定铺放压力500 N，加热功率50%（750 W），铺放速度30%（60 mm/s）～50%（100 mm/s），采用8丝束国产T800级碳纤维双马来酰亚胺预浸丝束开展铺放试验，研究不同的铺放速度条件下的铺放效果。试验结果表明，首层丝束与模具的贴敷性较差，低速可以实现丝束与模具表面的有效贴合；如果铺放速度过快时，会出现丝束与模具分离，严重情况下同时会受到压辊的碾压作用，造成丝束偏移预定铺放区域，导致铺叠过程失败。通过比较，初步选定60 mm/s为铺放速度。

保持铺放压力不变，调节加热功率为60%（900 W），研究铺放速度为10%（20 mm/s）～40%（80 mm/s）时，进行铺放试验，试验结果表明，铺放速度在10%（20 mm/s）～30%（60 mm/s）时，丝束与模具表面贴敷效果良好。

3.1.2 加热功率对铺放效果的影响

设定铺放速度为30%（60 mm/s），加热功率50%（750 W）～80%（1 200 W），开展铺放工艺试验，试验结果表明，加热功率过大时，丝束出现扭曲变形，偏离正常铺放轨迹；加热功率过小时，出现无法平整贴敷模具的情况。因此，加热功率初步设定为60%（900 W），铺放丝束平整，可以满足铺放工艺要求。

3.1.3 铺放压力对铺放效果的影响

设定铺放速度30%（60 mm/s），加热功率60%（900 W）的情况下，通过比较铺放压力500 N和800 N情况下的铺放效果，观察铺放压力对铺放的影响。试验结果表明，铺放压力800 N时，丝束由于受到碾压力过大，贴敷效果不好；铺放压力500 N，丝束与模具贴敷效果良好。

3.1.4 小结

通过上述分析，在首层铺放工艺过程中，完成铺放速度、加热功率、铺放压力等工艺参数铺放测试，得到最优铺放参数如表1所示。在确定首层铺放参数的情况下，通过连续铺放测试，验证铺放丝束平整，铺放效果如图1所示。

试验结果表明，首层铺放工艺过程中，保持较低速度（10%），铺放功率在0%～40%的调节过程中，丝束均可以与模具表面贴合，其中铺放功率在40%时铺放效果最好，丝束铺放平整；后续采用铺放功率40%，铺放速度10%的条件下进一步通过连续铺放试验验证，铺放效果良好。

表1 AC631/CCF800首层铺放工艺参数

序号工艺参数结果备注 01铺放速度20～60 mm/s满足首层铺放工艺要求 02加热功率60%（900 W） 03铺放压力500 N

图1 首层连续铺放测试

3.2 层间及后续铺放参数优化

在进行第二层铺放工艺过程中，可以通过丝束自身的粘性实现彼此的粘接，因此，可以降低铺放功率，以下开展铺放效果测试。

3.2.1 无加热铺放试验

设定铺放压力500 N，铺放速度40%～60%（80～120 mm/s）时，开展铺放试验。试验结果表明，在不加热的情况下，低速铺放时材料可以实现良好贴敷；但是在高速铺放时，铺贴效果下降。为了提高铺放效率，可以通过小幅度提高加热功率来改善铺放效果。

3.2.2 小幅提高加热功率对铺放效果的影响

设定铺放压力500 N，加热功率10%（150 W），测试铺放速度60%～100%（120～200 mm/s）时，开展铺放测试。试验结果表明，在加热功率10%的情况下，最大铺放速度70%（140 mm/s）时可以实现良好贴敷；但是如果铺放速度太快，丝束会在冲击力的作用下发生翘曲而变形。

同时，设定较低的加热功率可以减缓铺丝头内部温度上升的速度，降低铺放故障发生的概率。

3.3 连续铺放试验

通过上述测试，针对国产T800级碳纤维双马来酰亚胺复合材料优化的铺放工艺参数结果如下：①首层铺放工艺参数。铺放速度10%（20 mm/s），加热功率40%（600 W），铺放压力500 N；②层间铺放工艺参数。铺放速度70%（140 m/s），加热功率10%（150 W），铺放压力500 N。

后续通过开展含插层平板连续铺放测试验证（900 mm×900 mm），连续铺贴1 h，试验结果表明，铺放工艺参数优化后铺放效果良好。

4 结论

对国产T800级碳纤维双马来酰亚胺复合材料进行自动铺丝工艺适应性研究，优化后的工艺参数为：①首层铺放工艺参数。铺放速度10%（20 mm/s），加热功率40%（600 W），铺放压力500 N。②层间铺放工艺参数。铺放速度70%（140 m/s），加热功率10%（150 W），铺放压力500 N。

［1］李奇辉，刘向阳，房晓斌.碳纤维复合材料的应用现状及我国碳纤维工业的发展方向［J］.价值工程，2016（17）：113-115.

［2］马立敏，张嘉振，岳广全，等.复合材料在新一代大型民用飞机中的应用［J］.复合材料学报，2015（02）：317-322.

［3］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（06）：28-32.

［4］林胜.自动铺带机/铺丝机（ATL/AFP）——现代大型飞机制造的关键设备（上）［J］.世界制造技术与装备市场，2009（04）：84-89.

［5］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（07）：1327-1338.

［6］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）.

2095－6835（2019）01－0052－02

TB33

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.01.052

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：张思楠〕