基于激光加热的CF/PEEK复合材料层合板铺放工艺研究

doi:10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.007

复合材料科学与工程 ›› 2024, Vol. 0 ›› Issue (4): 49-55.DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.007

基于激光加热的CF/PEEK复合材料层合板铺放工艺研究

刘冠三, 孙士勇^*, 马鑫, 韩晓缠

大连理工大学机械工程学院,大连 116024

收稿日期:2023-03-08 出版日期:2024-04-28 发布日期:2024-04-28
通讯作者: 孙士勇(1981—),男,博士,副教授,主要从事先进复合材料结构建模与成型工艺方面的研究,sunshy@dlut.edu.cn。
作者简介:刘冠三(1996—),男,硕士,主要从事热塑性复合材料自动铺放方面的研究。
基金资助:
国家自然科学基金项目(51790172);中央高校基本科研业务费(DUT21GF405)

Study on the placement process of CF/PEEK composite laminates based on laser heating

LIU Guansan, SUN Shiyong^*, MA Xin, HAN Xiaochan

School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China

Received:2023-03-08 Online:2024-04-28 Published:2024-04-28

摘要/Abstract

摘要： 面向热塑性复合材料的高质量成型需求,设计搭建了基于光纤激光加热的CF/PEEK铺放平台,制备了复合材料层合板构件。基于铺放平台的设备参数(激光功率、铺放速度、铺放压力),通过单因素参数分析和多因素正交试验参数分析,结合层间剪切强度测量以及微观形貌显微观测,探究了层合板成型过程中温度、压力两个工艺参数对CF/PEEK层合板力学性能的影响规律。试验结果表明:在试验范围内,层间剪切强度随着铺放温度与压力的增大,呈现出先增大后减小的现象。成型过程中,铺放温度与铺放压力两个工艺参数对层合板层间剪切强度影响程度并不相同,铺放温度的影响更大。试验中制备CF/PEEK层合板的最优工艺参数组合如下:铺放压力为0.2 MPa,铺放温度为402.6 ℃。

关键词: 热塑性复合材料, 激光加热, 工艺参数, 铺放成型

Abstract: For high quality manufacturing of thermoplastic composites, the CF/PEEK placement platform based on fiber laser heating was designed and built. And the composite laminates were prepared. Then based on the equipment parameters of the placement platform (laser power, placement speed, placement pressure), the experimental analysis of univariate parameters and multivariate orthogonal parameters were performed. Meanwhile, the interlaminar shear strength (ILSS) was measured and the micromorphology was observed. The influence of process parameters of temperature and pressure on the mechanical properties of CF/PEEK laminate was investigated. The experimental results show that ILSS first increases and then decreases with increasing temperature and pressure within the experimental range. The influences of two process parameters(temperature and pressure) on the ILSS of laminates are different and the effect of the placement temperature is greater than the placement pressure during the manufacturing process. The optimal process parameters for preparation of CF/PEEK laminatesin the experiment are placement pressure of 0.2 MPa, placement temperature of 402.6 ℃.

Key words: thermoplastic composites, laser heating, process parameters, placement manufacturing

中图分类号:

TB332

刘冠三, 孙士勇, 马鑫, 韩晓缠. 基于激光加热的CF/PEEK复合材料层合板铺放工艺研究[J]. 复合材料科学与工程, 2024, 0(4): 49-55.

LIU Guansan, SUN Shiyong, MA Xin, HAN Xiaochan. Study on the placement process of CF/PEEK composite laminates based on laser heating[J]. COMPOSITES SCIENCE AND ENGINEERING, 2024, 0(4): 49-55.

参考文献

[1] MILLS A. Automation of carbon fibre preform manufacture for affordable aerospace applications[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2001, 32(7):955-962.
[2] 曹维宇, 杨学萍, 张藕生. 我国高性能高分子复合材料发展现状与展望[J]. 中国工程科学, 2020, 22(5): 112-120.
[3] LUKASZEWICZ D H J, WARD C, POTTER K D. The engineering aspects of automated prepreg layup: History, present and future[J]. Composites Part B: Engineering, 2012, 43(3): 997-1009.
[4] 李金儒, 周鑫月, 张欢, 等. 复合材料在飞机结构中的应用[J]. 纤维复合材料, 2018, 35(1): 3-5.
[5] OROMIEHIE E, PRUSTY B G, COMPSTON P, et al. Automated fibre placement based composite structures: Review on the defects, impacts and inspections techniques[J]. Composite Structures, 2019, 224: 110987.
[6] HIRONORI N, VALTER C, TORU F, et al. Thermoplastic vs. thermoset epoxy carbon textile composites[J]. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2018, 406(1): 12043.
[7] BANDARU A K, CLANCY G, PEETERS D, et al. Properties of a thermoplastic composite skin-stiffener interface in a stiffened structure manufactured by laser-assisted tape placement with in situ consolidation[J]. Composite Structures, 2019, 214: 123-31.
[8] 陈吉平, 李岩, 刘卫平, 等. 连续纤维增强热塑性树脂基复合材料自动铺放原位成型技术的航空发展现状[J]. 复合材料学报, 2019, 36(4): 784-794.
[9] 徐志明. 复合材料自动铺放技术的研究进展及其工艺特点分析[J]. 电气自动化, 2018, 40(1): 88-91.
[10] 文立伟, 肖军, 王显峰, 等. 中国复合材料自动铺放技术研究进展[J]. 南京航空航天大学学报, 2015, 47(5): 637-649.
[11] KHALED Y, MEHDI H. Processing of thermoplastic matrix composites through automated fiber placement and tape laying methods: A review[J]. Journal of Thermoplastic Composite Materials, 2018, 31(12): 1676-725.
[12] MIAO Q Y, DAI Z H, MA G Y,et al. Effect of consolidation force on interlaminar shear strength of CF/PEEK laminates manufactured by laser-assisted forming[J]. Composite Structures, 2021, 266: 113779.
[13] 宋清华, 刘卫平, 肖军, 等. 热塑性复合材料自动铺放过程中红外加热技术研究[J]. 材料工程, 2019, 47(1): 77-83.
[14] 梁宜楠, 杨睿, 王俊龙, 等. 热塑性复合材料点阵铺放工艺对层间剪切强度的影响研究[J]. 复合材料科学与工程, 2021(10): 61-66.
[15] 张建宝, 文立伟, 肖军, 等. 自动铺带成型压力控制技术[J]. 航空学报, 2009, 30(10): 1973-1977.
[16] 宋清华, 刘卫平, 肖军, 等. 热塑性复合材料自动铺放工艺参数分析与优化[J]. 复合材料学报, 2018, 35(5): 1149-1157.
[17] 段玉岗, 刘芬芬, 陈耀, 等. 纤维铺放压紧力及预浸带加热温度对复合材料力学性能的影响[J]. 复合材料学报, 2012, 29(4): 148-156.
[18] 张一鸣. GF/HDPE金字塔点阵结构铺放成型工艺研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2020: 51-55.
[19] 刘振学, 王力. 实验设计与数据处理[M]. 北京: 化学工业出版社, 2015: 66.

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Study on the placement process of CF/PEEK composite laminates based on laser heating

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[1]	王维泽, 刘榕, 于航. 热处理对CF/PEEK热塑性复合材料变形的影响[J]. 复合材料科学与工程, 2023, 0(9): 80-84.
[2]	马心旗, 宗文波, 张竹青, 蒋林, 桑琳, 吴海宏. 超薄热塑性复合材料人形杆制备及其性能研究[J]. 复合材料科学与工程, 2023, 0(7): 65-71.
[3]	张学文, 王继辉, 陈宏达, 倪爱清. 单向增强热塑性复合材料热冲压成型仿真与优化[J]. 复合材料科学与工程, 2023, 0(6): 104-114.
[4]	郭伟健, 陶友瑞, 董丽君, 吴安如. 平纹玻纤/MC尼龙复合材料熔融黏合深度与搭接方式对力学性能的影响[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(3): 110-114.
[5]	罗峰, 陈秀华, 张磊, 周银华. 碳纤维/聚醚醚酮单搭接焊接结构的破坏试验及强度预测[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(10): 99-106.
[6]	常舰, 肖海刚, 谢钟清, 毕华阳, 郑金华, 朱姝, 侯进森. 不同工艺参数和界面改性对碳纤维增强聚苯硫醚复合材料Ⅰ型层间断裂韧性的影响[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(1): 22-28.
[7]	孙士勇, 董晨华, 刘冠三, 杨睿. 基于热气加热的热塑性复合材料原位成型过程中温度场分析[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(9): 12-17.
[8]	缑建杰, 杨扬, 陈代鑫, 邓晓春, 张鹏. 多因素作用下自动铺丝预浸料黏性变化规律[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(9): 38-45.
[9]	张凤, 焦梦晓, 李博澜, 张骁骅. 碳纤维/聚醚酮酮界面强度影响因素的研究进展[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(8): 112-119.
[10]	谢钟清, 沈辉, 李朋欣, 张志斌, 钱志英, 郝旭峰. 复合材料卫星反射器机器人喷涂过程分析及工艺参数研究[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(6): 82-87.
[11]	杨成, 朱立平, 刘延友, 程海霞, 郭居上. 针刺工艺对CFRP面内刚度的影响[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(6): 106-112.
[12]	李佳乐, 李楠, 胡方圆, 蹇锡高, 刘程, 王锦艳. 乳化剂对耐高温热塑性水分散乳液上浆剂性能的影响[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(4): 61-65.
[13]	李林秀, 岳广全, 杨洋, 李哲夫, 潘利剑, 刘卫平, 刘富. 连续碳纤维增强聚苯硫醚预浸料层间滑移行为研究[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(2): 24-31.
[14]	梁宜楠, 杨睿, 王俊龙, 张博. 热塑性复合材料点阵铺放工艺对层间剪切强度的影响研究[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(10): 61-66.
[15]	王子健, 周晓东. 连续纤维增强热塑性复合材料成型工艺研究进展[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(10): 120-128.