亓昌 張錫棟 盈亮 楊姝

（大連理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，大連 116000）

1 前言

汽車輕量化是降低燃油消耗、減少碳排放的有效措施，傳統(tǒng)汽車輕量化材料如鋁合金和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料存在著抗疲勞性能不足和抗沖擊能力差等問題。纖維金屬層板（Fiber Metal Laminates,FMLs）[1]作為一種由金屬薄板和樹脂預(yù)浸料交替鋪層粘接形成的層間混雜復(fù)合材料，克服了單一材料的不足，具有優(yōu)異的抗疲勞性能和損傷容限[2]。FMLs 按照樹脂類型可分為熱固性纖維金屬層板和熱塑性纖維金屬層板，熱塑性纖維金屬層板具有更強(qiáng)的層間韌性，成形工藝簡單，周期短，具有可回收性和再成形能力，適合大批量生產(chǎn)[3]，可以滿足汽車工業(yè)的生產(chǎn)要求。

Carrillo[4]研究了一種自增強(qiáng)聚丙烯（SRPP）熱塑性纖維金屬層板的力學(xué)性能，研究表明其拉伸斷裂強(qiáng)度介于各組分之間，金屬對(duì)于彎曲性能的影響要大于復(fù)合材料層，預(yù)浸料鋪層角度對(duì)拉伸性能有明顯影響。Behrens[5]等人針對(duì)以鋼為面板的FMLs，借助數(shù)值模擬成功開發(fā)了將鋪層、粘接、沖壓成形一體化的成形工藝。Mosse[6-7]等人探究了熱沖壓成形過程中工藝參數(shù)對(duì)成形效果的影響，結(jié)果表明提高沖頭溫度和增加進(jìn)給速率能夠有效提高熱塑性FMLs 的成形能力，降低形狀誤差和分層現(xiàn)象。FMLs 傳統(tǒng)成形方式存在著效率低、成形結(jié)構(gòu)簡單的問題。

熱態(tài)氣脹成形技術(shù)是一種主要針對(duì)金屬的高溫氣壓成形工藝，具有效率高、成本低的特點(diǎn)。劉任忠[8]等人利用熱態(tài)氣脹成形工藝探究了2A12 鋁合金的模具充填變形規(guī)律，分析了溫度和壓力對(duì)成形效果的影響。吳曉煒[9]利用結(jié)合熱沖壓和氣脹成形技術(shù)，成功制備了汽車引擎蓋鋁合金覆蓋件，驗(yàn)證了氣脹成形優(yōu)良的成形性能。

為了提高熱塑性纖維金屬層板的成形效率，適用于汽車制造業(yè)的批量生產(chǎn)，本研究提出了一種采用熱態(tài)氣脹成形直接加熱預(yù)鋪層FMLs 的方法，通過直接加熱模具將預(yù)堆疊FMLs 中預(yù)浸料和金屬軟化，隨著加壓的過程逐漸成形，成形完畢后取出空冷固化，實(shí)現(xiàn)熱塑性FMLs 的成形-固化一體化[10]。針對(duì)玻纖增強(qiáng)PA6 樹脂基纖維金屬層板，探究了不同鋪層角度下的力學(xué)性能，分析了工藝參數(shù)對(duì)其氣脹成形能力的影響，并通過有限元仿真對(duì)成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。

2 氣脹成形試驗(yàn)方法

本研究制備的熱塑性纖維金屬層板是以2024-T3 鋁合金為面板，玻纖增強(qiáng)PA6 樹脂基預(yù)浸料作為芯層，通過膠膜粘接而成。在所采用的熱態(tài)氣脹成形技術(shù)中，試驗(yàn)設(shè)備主要包括溫度單元、氣壓單元和模具單元（圖1）。溫度單元上下模由周圍電阻式加熱器加熱，通過外層石棉進(jìn)行保溫，由控溫箱控制溫度，完成對(duì)預(yù)堆疊層板的加熱軟化；氣壓單元由氣源、控制柜和加壓通道組成，高壓氣體從氣源經(jīng)控制柜控制和加壓通道到模具型腔內(nèi)，對(duì)加熱完畢的預(yù)堆疊纖維金屬層板施加均布?jí)毫?；模具單元主要包括氣液控制系統(tǒng)、上下模及對(duì)應(yīng)的水冷裝置，由壓邊圈施加壓邊力保持型腔的密封性。

圖1 氣脹成形設(shè)備示意

熱態(tài)氣脹成形方法可以在一個(gè)工藝步驟中完成熱塑性纖維金屬層板曲率構(gòu)件的鋪層、成形和固化，通過對(duì)預(yù)堆疊層板的加熱來軟化預(yù)浸料，并同時(shí)提高鋁板成形能力，降低氣脹成形難度，待氣壓成形完畢后空冷固化，提高了FMLs 的成形效率。

氣脹成形過程分為三部分，首先加熱上下模具至預(yù)熱溫度，將堆疊好的層板（140 mm×140 mm）放置在預(yù)熱后的模具中，為保證金屬板受熱均勻和樹脂完全融化，應(yīng)在不低于Kf的預(yù)熱溫度下加熱Hp分鐘；之后上下模合模，進(jìn)入加壓成形階段，以加壓速度Vi向上模具型腔中充入高壓氣體，加壓至預(yù)定壓強(qiáng)后保壓一段時(shí)間以保證脹形完全；最后取出樣件快速空冷固化，完成熱態(tài)氣脹成形-固化過程。圖2 為成形過程中型腔內(nèi)不同階段的溫度和壓力示意，圖3 為纖維金屬層板鋪層示意。

圖2 氣脹成形工藝

圖3 纖維金屬層板鋪層示意

3 材料特性

成形零件采用2/1 鋪層形式，即2 層鋁合金材料中間夾著單向帶預(yù)浸料，鋁合金層采用厚度為0.3 mm 的2024-T3 材料，預(yù)浸料采用厚度為0.25 mm 的玻纖增強(qiáng)PA6 單向帶，2 種材料的力學(xué)性能參數(shù)分別如表1 和表2 所示。

表2 玻纖增強(qiáng)PA6預(yù)浸料性能

表12024 -T3鋁合金材料性能

首先制備正交（0°/90°）和單向（0°/0°）2 種鋪層角度的FMLs，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試。

3.1 拉伸性能測(cè)試

拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參考ASTM D3039，在萬能電子試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載速度為2 mm/min。拉伸試驗(yàn)采用直條型試樣，在樣件兩端粘貼1.5 mm 厚環(huán)氧樹脂加強(qiáng)片，樣件幾何尺寸如圖4 所示。

圖4 拉伸試件示意

圖5、圖6 分別為拉伸斷裂試件和拉伸試驗(yàn)過程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。試樣在拉伸過程可分為3個(gè)階段：第一階段為線彈性階段，此時(shí)各組分結(jié)構(gòu)保持完好，均處于彈性變形；第二階段逐漸發(fā)生鋁合金的屈服、纖維的斷裂、預(yù)浸料的分層和與金屬層的脫粘[11]，層合板剛度有所下降；第三階段表現(xiàn)為層板整體的斷裂，鋁合金面板失效斷裂。

圖5 拉伸斷裂試件

圖6 拉伸試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖7 可以看出單向鋪層相較于正交鋪層具有更高的抗拉強(qiáng)度和楊氏模量，這是由于玻璃纖維的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于鋁合金，而單向鋪層中拉伸方向上的玻纖含量高于正交鋪層，從而導(dǎo)致單向鋪層樣件在拉伸方向上具有更優(yōu)越的性能。

圖7 不同鋪層角度下的拉伸模量和楊氏模量

3.2 彎曲性能測(cè)試

層板的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參考HB 7617,試樣大小為75 mm×10 mm，壓頭半徑為5 mm，為保證試樣發(fā)生穩(wěn)定的三點(diǎn)彎曲破壞，選擇跨厚比為32，并以1 mm/min 的速率在跨距中點(diǎn)進(jìn)行加載。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)示意圖8 所示。

圖8 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)示意

圖9、圖10 分別為三點(diǎn)彎曲試件和試驗(yàn)過程中的載荷撓度曲線。從圖中可以看到，兩者的彎曲模量基本一致，經(jīng)過初始線彈性階段后，層板開始進(jìn)入塑性區(qū)域，發(fā)生延性損傷并導(dǎo)致剛度下降，在到達(dá)最大強(qiáng)度后應(yīng)力不再增加，各層逐漸破壞。0°纖維能夠抵抗更多由于拉應(yīng)力控制的彎曲失效[12]，進(jìn)而單向鋪層樣件具有更高的彎曲強(qiáng)度。

圖9 三點(diǎn)彎曲試件

圖10 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)載荷-位移曲線

4 熱氣脹成形性能研究

通過對(duì)熱塑性纖維金屬層板的成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，可以預(yù)測(cè)制造工藝的可行性，探究褶皺、裂紋、分層和樹脂堆積的發(fā)生，對(duì)試驗(yàn)具有指導(dǎo)作用。

為了正確模擬熱塑性纖維金屬層壓板的成形過程，必須考慮不同材料在成形過程中表現(xiàn)出的差異，鋁板表現(xiàn)出塑性變形，具有較高的延伸率，與鋁相比，面內(nèi)剪切變形是連續(xù)纖維增強(qiáng)芯層的主要變形模式，該模式僅允許纖維方向的較小應(yīng)變。本文采用的有限元軟件基于顯示時(shí)間積分方案，提供了可以用于預(yù)測(cè)熱塑性復(fù)合材料成形行為的模型。

4.1 氣脹成形有限元模型

本文模具為單曲率模具，最大深度20 mm，半徑68 mm，最小圓角半徑10 mm，建立如圖11所示的氣脹成形有限元模型。模型采用殼單元建模，熱塑性纖維金屬層板以0.3 mm 厚2024-T3鋁合金為面板，中間夾有正交鋪層的0.5 mm 厚的單向玻璃纖維增強(qiáng)PA6 預(yù)浸料。預(yù)浸料層采用具有熱塑性粘彈性基體和彈性纖維的140 號(hào)材料模型，Behrens[13]的研究表明，高溫下呈熔融狀態(tài)的單向帶預(yù)浸料沿纖維方向和垂直于纖維方向的剛度分別由纖維和基體主導(dǎo)，定義密度為2.7×10-6kg/mm3，沿纖維方向的拉伸模量為20 GPa，彎曲模量為50 MPa，剪切模量為1 MPa，垂直于纖維方向的拉伸模量為89 MPa，彎曲模量10 MPa。鋁板使用各向同性的彈塑性模型，密度2.7×10-6kg/mm3，彈性模量73 GPa，泊松比為0.33，層與層之間的摩擦力采用基于隨剪切速率和溫度變化的粘度的函數(shù)。

圖11 氣脹成形有限元模型

在熱態(tài)氣脹成形的過程中，溫度和壓強(qiáng)是影響成形效果的重要因素。在不同溫度下，樹脂由于粘度的差異會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)性不同，產(chǎn)生樹脂堆積現(xiàn)象，壓強(qiáng)大小則決定了層合板的模具充填性能?；趩我蛔兞康脑瓌t，在15 MPa 壓強(qiáng)作用下，選取230 ℃、240 ℃、250 ℃3 種溫度進(jìn)行研究，此外選取1 MPa、2 MPa、3 MPa、4 MPa、5 MPa 5 種壓強(qiáng)探究壓強(qiáng)對(duì)模具充填效果的影響。作為失效的指標(biāo)，鋁板的減薄率應(yīng)不超過30%，纖維的應(yīng)變不超過4%，褶皺通過對(duì)成形過后有限元網(wǎng)格的目視檢查來進(jìn)行，忽略壓邊圈區(qū)域材料的失效。

在4 MPa 成形壓強(qiáng)和15 MPa 壓邊圈壓強(qiáng)下，成形結(jié)束后沒有褶皺產(chǎn)生，鋁合金最大厚度減薄率為12.2%，預(yù)浸料層在纖維方向的最大拉伸應(yīng)變?yōu)?.6%，各層均未發(fā)生失效（圖12）。

圖12 鋁板厚度減薄率

以90°鋪放預(yù)浸料層為例，圖13、圖14 展示了預(yù)浸料層沿纖維不同方向的應(yīng)變情況，圖15顯示了其纖維排布情況，應(yīng)變和纖維的分布呈以下特點(diǎn)。

圖13 預(yù)浸料沿纖維方向應(yīng)變

圖14 預(yù)浸料垂直纖維方向應(yīng)變

圖15 預(yù)浸料（90°）纖維排布方向

a.應(yīng)變由中心向兩側(cè)擴(kuò)展且逐漸增加，纖維呈對(duì)稱分布，中心稀疏兩端聚集；

b.在兩側(cè)邊緣位置處產(chǎn)生負(fù)應(yīng)變，分析原因是樹脂的流動(dòng)作用，帶動(dòng)纖維在此處產(chǎn)生了聚集現(xiàn)象，從而產(chǎn)生負(fù)應(yīng)變。

4.2 溫度對(duì)成形性能的影響

圖16 為4 MPa 壓強(qiáng)時(shí)不同溫度下的預(yù)浸料層(90°)厚度的變化情況，在模具的圓角處出現(xiàn)了厚度激增現(xiàn)象。原因主要有兩點(diǎn)，一是在壓邊圈的作用下，樹脂被擠壓至模具內(nèi)側(cè)，導(dǎo)致靠近壓邊圈部分的預(yù)浸料層厚度增加；二是越靠近模具中心的位置，成形深度越大，在上下兩層鋁板的擠壓作用下模具中心位置處的樹脂被向外擠壓，在兩者的作用下導(dǎo)致中間位置處產(chǎn)生明顯的厚度變化。隨著溫度的變化，樹脂由于粘度不同而導(dǎo)致流動(dòng)性發(fā)生變化，溫度越高，樹脂的流動(dòng)性越強(qiáng)，中心位置處厚度越均勻，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致樹脂在局部位置的堆積越嚴(yán)重。

圖16 不同溫度下的預(yù)浸料層厚度

圖17 為不同溫度下的成形件及截面圖，從截面圖可以看出在局部位置處發(fā)生了樹脂堆積現(xiàn)象，這與仿真中的出現(xiàn)的厚度變化情況一致，圖18 為不同節(jié)點(diǎn)位置處4 個(gè)方向的平均厚度變化情況，從圖18 可以看出溫度越高最大厚度越大，樹脂堆積現(xiàn)象越嚴(yán)重，在240 ℃時(shí)厚度的變化情況最均勻。

圖17 不同溫度下成形件及截面

圖18 不同節(jié)點(diǎn)位置處的厚度

4.3 壓強(qiáng)對(duì)成形性能的影響

圖19 為240 ℃時(shí)不同壓強(qiáng)下預(yù)浸料層的厚度變化情況，其中在1 MPa 和2 MPa 壓強(qiáng)下FMLs 未完全貼膜，3 MPa、4 MPa 和5 MPa 壓強(qiáng)下均完全成形。當(dāng)壓強(qiáng)較小時(shí)，成形能力差，在圓角處易產(chǎn)生無序的厚度變化，在FMLs完全成形貼膜后，隨著成形壓力的增大促進(jìn)樹脂的流動(dòng)，增加了局部位置處厚度變化，但同時(shí)壓強(qiáng)的增大也會(huì)使在完全貼膜后中心位置處的樹脂在壓力的作用下分布更加均勻。

圖19 不同壓強(qiáng)下的預(yù)浸料層厚度

圖20 為不同壓強(qiáng)下的成形件，在壓強(qiáng)為1 MPa、2 MPa 時(shí)試件未完全成形，成形深度分別為10 mm、17 mm，在3 MPa、4 MPa 和5 MPa 的壓力下均完全成形，成形件表面質(zhì)量良好，未見褶皺和破裂現(xiàn)象。

圖20 不同壓強(qiáng)下成形件背面圖

圖21 為不同成形壓強(qiáng)下的背面輪廓線試驗(yàn)與仿真對(duì)比結(jié)果，從圖21 可以看出試驗(yàn)與仿真結(jié)果一致，成形所需的最低壓強(qiáng)為3 MPa，4 MPa、5 MPa時(shí)試件貼膜結(jié)果與3 MPa 時(shí)相同并未列出。

圖21 不同壓強(qiáng)下試驗(yàn)與仿真成形輪廓比較

綜上所述，溫度和壓強(qiáng)是決定熱塑性FMLs 成形質(zhì)量的關(guān)鍵因素，在樹脂的固化溫度窗口范圍內(nèi)，過高的溫度和壓強(qiáng)都會(huì)加重樹脂的堆積現(xiàn)象，而溫度和壓強(qiáng)過低則會(huì)難以成形，只有綜合考慮各種因素的影響，選擇合適的工藝參數(shù)，才能成形質(zhì)量良好的試件。

5 結(jié)論

a.提出了一種利用模具加熱方式直接加熱預(yù)堆疊層板，通過氣壓脹形成形纖維金屬層板的方法，具有成形難度低，效率高，成形件表面質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足汽車行業(yè)大批量制造的要求，為纖維金屬層板的廣闊應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

b.力學(xué)性能試驗(yàn)過程中纖維最先發(fā)生破壞，決定了FMLs 的損傷容限，2/1 鋪層結(jié)構(gòu)的FMLs 中預(yù)浸料鋪層方向?qū)αW(xué)性能有著重要影響，拉伸試驗(yàn)中單向鋪層和正交鋪層失效應(yīng)變分別為3.7%和3.3%，單向鋪層的拉伸模量較正交鋪層提高55%，三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中失效載荷單向鋪層比正交鋪層提高24%。

c.溫度和壓強(qiáng)是決定熱塑性FMLs 成形質(zhì)量的關(guān)鍵因素，在該模具中成形單曲率樣件所需的最低壓強(qiáng)是3 MPa，溫度應(yīng)在230～250 ℃范圍內(nèi)，成形溫度越高樹脂的堆積現(xiàn)象越嚴(yán)重。仿真結(jié)果表明熱塑性粘彈性基體和彈性纖維材料模型能夠?qū)Τ尚芜^程中的預(yù)浸料層厚度變化趨勢(shì)進(jìn)行模擬，同時(shí)還能對(duì)成形深度進(jìn)行預(yù)測(cè)，成形深度最大誤差為9%，在允許范圍內(nèi)。