留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

红外辅助自动纤维铺放工艺对连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料结构与性能影响

蒋威 周悦 杨飞 黄志高 陈诚 周华民

蒋威, 周悦, 杨飞, 等. 红外辅助自动纤维铺放工艺对连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料结构与性能影响[J]. 复合材料学报, 2022, 40(0): 1-12
引用本文: 蒋威, 周悦, 杨飞, 等. 红外辅助自动纤维铺放工艺对连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料结构与性能影响[J]. 复合材料学报, 2022, 40(0): 1-12
Wei JIANG, Yue ZHOU, Fei YANG, Zhigao HUANG, Cheng CHEN, Huamin ZHOU. Infrared-assisted automated fiber placement process on the structure and properties of continuous glass fiber reinforced polypropylene composites[J]. Acta Materiae Compositae Sinica.
Citation: Wei JIANG, Yue ZHOU, Fei YANG, Zhigao HUANG, Cheng CHEN, Huamin ZHOU. Infrared-assisted automated fiber placement process on the structure and properties of continuous glass fiber reinforced polypropylene composites[J]. Acta Materiae Compositae Sinica.

红外辅助自动纤维铺放工艺对连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料结构与性能影响

基金项目: 国家自然科学基金面上项目 (52175318);
详细信息
    通讯作者:

    黄志高,博士学历,副教授,硕士生/博士生导师,研究方向为热塑性复合材料成形工艺  E-mail: huangzhigao@hust.edu.cn

  • 中图分类号: TB332

Infrared-assisted automated fiber placement process on the structure and properties of continuous glass fiber reinforced polypropylene composites

Funds: National Natural Science Foundation of China (52175318);
  • 摘要: 与激光、热风加热相比,红外加热具有低成本、低污染等突出优势,是低熔点热塑性复合材料自动纤维铺放(Automated Fiber Placement, AFP)成形的理想热源。但是,红外辅助AFP工艺参数耦合性强,对成形精度、缺陷形成与宏观性能的影响尚不清晰,缺乏相关工艺的数据积累。本文针对红外辅助AFP原位成形工艺,通过调控铺放压力和速度制备了连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料单向层合板,研究了铺放温度与压力对减薄效应、翘曲变形、结晶度和孔隙率的影响,进一步探究了结构和缺陷对弯曲强度、层间剪切强度等宏观力学性能的影响规律。研究结果表明:温度过高会导致严重的减薄效应,过低则会导致高孔隙率;成形压力过高会造成严重的翘曲和纤维变形,降低层间剪切强度。通过对温度和压力的合理控制,可使孔隙率降至1%,满足民机复合材料构件2%阈值的要求;试样弯曲强度高达466 MPa,与热压成形相比仅降低6%。

     

  • 图  1  连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料(GF/PP)热性能曲线:(a)DSC测熔融温度; (b)TGA测分解温度

    Figure  1.  Thermal performance curve of continuous glass fiber reinforced polypropylene (GF/PP): (a) melting temperature by DSC; (b) decomposition temperature by TGA

    图  2  红外辅助机器人自动铺放成形GF/PP复合材料:(a)AFP机器人系统;(b)红外辅助原位固化;(c)红外辅助AFP样品

    Figure  2.  The infrared assisted AFP prepare GF/PP composites:(a) AFP-robot system; (b) infrared assisted in situ curing; (c) infrared assisted AFP samples

    图  3  自动铺放GF/PP工艺参数对啮合点峰值温度影响: (a)热电偶在铺放路径前、中、后三个预埋位置与测量曲线;(b)不同工艺条件下啮合点峰值温度

    Figure  3.  Influence of automated placement GF/PP process parameters on peak temperature of the nip points: (a) thermocouple in the front, middle and back of the laying path with measurement curves; (b) peak temperature of the nip points under different process conditions

    图  4  阿基米德水置换法测密度

    Figure  4.  Density measured by Archimedes Water Replacement method

    图  5  不同工艺对铺放成形GF/PP试样外形精度的影响规律: (a)样品厚度;(b)样品宽度

    Figure  5.  Influence of different AFP processes on the shape accuracy of the GF/PP specimens: (a) sample thickness; (b) sample width

    图  6  不同铺放工艺成形GF/PP试样层间厚度

    Figure  6.  The interlayer thickness of the GF/PP samples formed by different AFP processes

    图  7  不同工艺对GF/PP试样翘曲影响规律:(a)铺放速度为5 mm/s,不同铺放压力下试样翘曲程度扫描图像;(b)不同工艺下的翘曲平均值

    Figure  7.  Effect of different process parameters on buckling of the GF/PP specimens: (a) Scanning image of AFP velocity of 5 mm/s under different forming pressure; (b)average buckling value under different parameters.

    图  8  铺放和热压工艺对GF/PP试样结晶性能的影响: (a)升温过程焓变曲线;(b)不同工艺样品的平均结晶度

    Figure  8.  Influence of the AFP and Hot-Pressing process parameters on the crystallization properties of the GF/PP specimens: (a) enthalpy change curve of the warming process; (b) average crystallinity of different process samples

    图  9  铺放工艺对GF/PP试样孔隙率影响规律

    Figure  9.  Influence of AFP process parameters on porosity of the GF/PP specimens.

    图  10  (a)铺放与热压工艺参数对GF/PP试样拉伸强度影响规律;(b)铺放与热压工艺