热塑性复合材料纤维铺放技术研究进展

       目前，应用在自动纤维铺放中的热源主要有激光热源、红外线热源和高温气体热源3种。选择热源时，针对不同的加工原料及结合具体的应用场合，需对所选热源的加热温度（或加热功率），可连续加热时间，加热温度是否可控及热源自身的价格、质量、体积、热利用率等方面进行综合考虑。首先，设置预加热区，可显著缩短主加热所需时间，提高纤维铺放速率，同时，可避免铺层啮合点处温度梯度变化过大而引起过多的残余应力。预加热时，为保持基体材料原有的物理化学性质及最大限度提高铺放速率，预加热温度通常应略低于基体材料玻璃转化温度，因此，预加热热源的加热温度选择应略高于基体材料玻璃转化温度。

在主加热区，基体材料的安全加热温度通常应低于基体材料的退化温度，为使基体材料充分熔融，主加热区的温度又应高于基体材料的玻璃转化温度，同时，考虑铺放效率，选择主加热区热源的加热温度略高于基体材料退化温度是较为合理的。其次，热源使用场所空间的大小及安装的难易程度，在热源选择过程中也需要充分的考虑。

目前，无论是工业上使用的预浸丝或预浸带，其厚度都小于长度或宽度的1/10，因此，国外研究人员在进行纤维铺放加热模型建立时，通常根据热力学第一定律，考虑热量传递方向，建立一维或二维的热传递模型。同时，根据热源的不同，铺放设备及周围的实际环境，确定相应的热传递方式，建立热传递模型的边界条件。鉴于热传递模型及其边界条件的复杂性，多数情况采用有限元的方式对模型进行数值求解，来研究不同时刻、温度在纤维束中不同位置的分布情况以及时间、温度、位置三者之间的关系，然后与试验数据进行对比，分析所建模型的合理性，同时对所建模型进行合理修正。

自动纤维铺放过程中，在加热温度、加热热源、加热模型三者确立之后，可以通过计算加热时间确定的铺放速率理论值范围，指导实际铺放过程铺放参数的设定。

冷却工艺研究
       用于自动纤维铺放的碳纤维单向增强树脂基预浸丝或预浸带，其基体材料通常为半结晶聚合物。在这类聚合物兼有无定形聚合物和结晶聚合物的优点，其使用温度、抗蠕变性、硬度和强度主要受结晶度的影响，随结晶度的增大而增大，但结晶度过高，又会使聚合物变脆。因此，在实际应用中，需严格控制半结晶聚合物成品的结晶度来保证产品质量。在纤维铺放过程，通常会设置特定的冷却区对熔合后的铺层进行冷却以完成其最终的结晶固化，而不是让其在室温条件下自然冷却。
       对于半结晶聚合物，结晶速率是材料结晶程度和结晶状态的显著影响因素，而冷却速率及冷却时间决定了结晶速率。因此，在纤维铺放过程中，只要严格控制这个参数，就可保证最终的产品品质。而合理的冷却速率主要是通过大量试验数据得到的。首先，基体材料性能最优时所对应的结晶度值的范围可从材料制造厂商处得到；其次，设定具体的冷却条件（等温冷却或以一定的冷却速率冷却），通过试验确定在此条件下的基体材料的结晶速率，结晶速率的测定方法通常有膨胀计法、光学解偏振法、DSC 法、热台偏光显微镜法、小角激光光散射法等 ；最后，通过仿真软件，可计算出在此冷却速率下达到要求结晶度所需的时间，即在纤维铺放过程中，铺层需在特殊冷却区所停留的时间。

建立基体材料冷却模型涉及传热学与结晶动力学2 个学科的知识。冷却模型的建立是将结晶动力学模型与能量模型相耦合，通过设定温度、材料的密度、黏度、热传导率、热熔等物理参数，同时设定符合实际情况的边界条件，利用现有的多物理场仿真软件（如COMSOL）得到达到某一结晶度的条件下冷却速率与冷却时间之间的关系。冷却模型建立的关键是结晶动力学模型的选择，国外学者已经对基于Avrami 方程的模型，基于Tobin 方程的模型及Ozawa模型进行了较为深入的研究。

在计算得到冷却时间后，可以确定在这一区域合理铺放速率理论值的范围，但纤维铺放过程中，铺放速率只能是一个值，当由加热时间所计算的铺放速率与由冷却时间所计算的铺放速率不能协调一致时，可以通过调整加热区间的长度或特定冷却区间的长度来达到二者速率的一致。