第六節　復合材料生產過程中關鍵技術與工藝參數的確定方法及評價

一、關鍵技術與工藝參數的確定

在復合材料產品制造中，生產人員經常依據實驗來選擇工藝參數，即在加工實際產品之前先試加工小的樣件來估計產品的可能加工質量并確定工藝參數。這種以實驗為依據的方法存在有許多難以克服的缺點：首先，為了加工一個特定的產品而需要一整套額外的實驗，但實驗結果并不一定與實際生產情況相符合；其次，對某一種材料通過實驗得到的符合一定要求（體積、壁厚、構型）的加工工藝參數在變化了的條件下往往無法使用；最后，通過實驗得到的加工參數往往并不是最優化的，即不能保證材料在最短的時間達到最佳加工質量。

現在在復合材料生產工藝研究中，著重于發展制造過程的計算機模擬技術和基于專家系統的計算機輔助復合材料成型技術。它們可以有效地克服實驗方法的不足，已成為復合材料設計/制造一體化技術中的關鍵基礎技術。

二、復合材料生產過程的計算機模擬

已提出的關于復合材料成型過程的數學模型，包括了對成型過程多個方面的描述和分析，如成型過程中復合材料內部溫度的空間分布及其隨時間的變化，成型過程中復合材料內部壓力的空間分布和隨時間的變化，樹脂的加工程度值的空間分布和隨時間的變化，樹脂的動力黏度值的空間分布和隨時間的變化，已壓實的材料層數值隨時間的變化，吸收體中的樹脂的含量隨時間的變化，復合材料產品的厚度和重量的值隨時間的變化，空隙的尺寸、內部溫度和壓力的空間分布和隨時間的變化，加工過程完成之后的殘余應力值等。

仿真實驗數據和生產實踐表明，各個理論模型可以在不同程度上與實際情況相符合。在復合材料薄板的加工研究中理論模型與實驗數值具有很好的一致性，因此可以為優化工藝參數、提高生產水平發揮重要的作用。對工藝過程的仿真研究顯示出許多有益的結果。如在傳統的工藝參數下，僅有部分種類的復合材料能被完全固化；在較厚材料的成型中，材料不能被充分壓實，而且材料中心會產生過熱。通過仿真優化的工藝參數還可以大大縮短生產時間從而提高生產效率，即便對很薄的材料的加工也是如此。

在復合材料厚板的成型過程中，復合材料本身固有的難加工特點表現得十分突出。復合材料的低導熱率特性使得復合材料厚板在成型過程中難以在其內部維持一個均勻的溫度場，而其成型工藝規律又很難通過實驗方法得到。通過理論模型仿真和生產與試驗，研究人員對復合材料加工的成型機理和相關性質有了豐富的認識，為不同形狀尺寸的復合材料構件制造提供了重要指導。

三、基于專家系統的計算機輔助復合材料成型

與傳統制造工藝和工藝優化方法相比，基于專家系統的計算機輔助復合材料成型系統具有許多優點，包括對工藝過程的控制不受產品具體形狀影響；不需要關于材料性能的詳細數據；可以適應不同種類材料的加工以及可以對制造過程提供實時控制。

一個典型的專家系統將包括對材料的溫度特性、壓實特性、殘余應力和空隙等方面實時的綜合控制能力，而仿真方法對實際固化成型時的材料性質異常變化和工藝過程異常波動都無能為力。在專家系統中，控制策略和決策規則的選擇和使用對建立一個有效的專家系統很重要。可以采用不同的控制策略來滿足加工過程中的技術要求。現有方法中比較典型的有兩種。一種是McDonnellDouglas公司和一些研究人員使用過的方法——將傳感器輸出的數據與理論分析模型產生的數據相比對混合來產生控制信息。但這一方法需要關于固化成型的模型和材料性質的數據等先行信息。另外一種方法是美國空軍材料試驗室所提出的，即將傳感器輸出的測量值直接與控制規則相結合，不需要關于材料方面的先行信息。所建立的決策規則包括溫度、壓實（壓力與樹脂動力黏度）、空隙、殘余應力和判斷加工結束等各個方面。在實際應用中，各決策規則同時控制加工設備的加熱、冷卻和壓力等各個執行單元；可以通過采用制定優先準則的方法來解決不同控制規則之間的沖突。這種方法的適應性強，得到了廣泛研究。

在生產實踐中，專家系統控制下的成型方法與傳統成型方法相比有明顯的優點：生產時間明顯縮短，生產效益提高，而產品的力學性能指標沒有降低。但專家系統技術一般只適用于制造過程的實時控制，而難以用于對制造過程進行評價。

四、FRTP同種及FRTP與鋁合金異種材料攪拌摩擦焊的評價

對于纖維增強熱塑性復合材料（FRTP）的連接及其與鋁合金的連接，目前常采用的方法有膠接、機械連接和熔融連接，但是各有局限性。筆者所在研究團隊在FRTP同種材料攪拌摩擦焊方面，研究了工藝參數對焊縫成形、微觀形貌及力學性能的影響，并對斷口進行SEM分析；在FRTP與鋁合金異種材料攪拌摩擦焊方面，重點研究了兩種材料相對放置位置、偏移量和下壓量對焊縫成形的影響。主要研究結果如下：

FRTP攪拌摩擦焊試驗表明，當下壓量、旋轉速度和相互匹配時，焊核區的塑性材料才能夠充分塑化并流動，能夠獲得成形良好的焊縫；FRTP接頭拉伸性能結果表明，當下壓量0.15mm、旋轉速度750r/min、焊接速度38mm/min時，接頭的拉伸強度最大，為45.56MPa，是母材強度的44.23%。觀察斷口的橫截面形貌可知，接頭均在前進側熱力影響區與母材區界面上發生斷裂，反映該區域為整個接頭最薄弱部位。SEM電鏡觀察分析可知，母材微觀斷裂機制主要是碳纖維斷裂和纖維-基體界面脫粘，接頭的微觀斷裂機制主要為基體剪切斷裂和纖維-基體界面脫粘。FRTP與鋁合金進行攪拌摩擦焊搭接試驗表明，當鋁合金為下板時，接頭成形較差，未能得到有效連接；當鋁合金為上板時，能夠得到成形美觀，形成有效連接的搭接接頭。當下壓量0.16mm、旋轉轉速750r/min、焊接速度30mm/min時，接頭的拉剪強度最大，為18.65MPa，達到膠接強度的71.46%。搭接接頭的斷口形式主要有沿界面的剪切斷裂和在樹脂基材處的正斷，SEM照片中可以看到在界面處存在微裂紋。FRTP與鋁合金進行攪拌摩擦焊對接試驗表明，未能得到成形良好、實現有效連接的接頭。

五、碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料的研究前沿

碳纖維（CF）增強高性能熱塑性聚合物基復合材料在國際上公認為先進復合材料，是國內外復合材料領域的研究重點和發展方向。

有學者對高性能熱塑性樹脂——雜萘聯苯聚醚酮（PPEK）和雜萘聯苯聚醚砜（PPES）及其復合材料的高低溫力學性能和界面性能進行了研究。

結果表明，在高溫和低溫環境下，PPES和PPEK及其復合材料均具有很好的彎曲性能，且彼此性能差別不明顯，表明其均具有良好的綜合力學性能和耐高低溫環境性能。

有人采用動態力學熱分析（DMA）方法對基體PPES和PPEK及其復合材料CF/PPES和CF/PPEK進行了動態力學研究，得到基體PPEK和PPES和復合材料CF/PPEK和CF/PPES在連續溫度下的彎曲模量和損耗角正切值的曲線。研究結果表明，在玻璃化溫度（263℃）以下材料的黏性非常小，在玻璃化轉變溫度區間內黏性表現得很大，同時PPEK和CF/PPEK具有很高彎曲模量并且具有很好的耐熱性。

有人基于動態力學熱分析（DMA）的研究結果，通過能量方法及Zorowski和Murayama理論，對CF/PPEK的界面剪切強度進行了計算與分析。計算結果表明，DMA的測試結果可以計算-50℃到260℃左右的界面剪切強度，界面的剪切強度隨溫度的升高逐漸下降，到了260℃左右趨于零。計算得到的常溫的界面剪切強度為70MPa，與試驗結果吻合較好，因而對先進復合材料（CF/PPEK）界面性能的預測具有理論意義和較高實用價值。