陶雙全 郝小忠 楊子劍 劉舒霆

南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，南京，210000

0 引言

減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量、提高能源效率，是航空航天、交通運輸、能源等領(lǐng)域高端裝備獲得性能躍升的重要途徑。碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料輕質(zhì)、高強度、可設(shè)計性好，在航空航天器上的應(yīng)用越來越廣泛[1]。按類型的不同，樹脂可分為熱固性樹脂和熱塑性樹脂[2]。目前，熱固性樹脂基復(fù)合材料已得到大量應(yīng)用，如空客350客機所采用材料的53%為復(fù)合材料，其中超90%是熱固性樹脂基復(fù)合材料[3]。而高性能碳纖維增強熱塑性樹脂基復(fù)合材料(以下簡稱“熱塑性復(fù)材”)的比強度高于1100 kN·m/kg，沖擊韌性達(dá)12 J/cm2，是傳統(tǒng)熱固性復(fù)合材料的10倍，且具有可循環(huán)使用等突出優(yōu)點，因此，高性能熱塑性復(fù)材構(gòu)件的高質(zhì)量、低成本制造技術(shù)成為當(dāng)下研究重點。

熱塑性復(fù)材構(gòu)件的制造包括鋪放、固化、加工、裝配等多個步驟，其中固化指賦形后的預(yù)制件在高溫高壓環(huán)境中完成熔融浸潤和冷卻結(jié)晶，形成兼具幾何外形與機械性能的制件的過程。以聚醚醚酮(polyetheretherketon, PEEK)為例，其熔融溫度超過340 ℃，熔融黏度大于1000 Pa·s，熔融-燒蝕工藝溫度窗口小(僅40 ℃左右，即作業(yè)溫度范圍為380～420 ℃)。為保證制件的高質(zhì)量固化，工程上對固化工藝過程中制件的溫度均勻性等有很高的要求。同時，由于其熔融溫度高，故加熱過程能耗極大，不符合可持續(xù)制造的要求。圍繞熱塑性復(fù)材制件高質(zhì)高效固化難題，國內(nèi)外研究者從基礎(chǔ)材料的改性、構(gòu)件固化工藝的優(yōu)化和新型固化方法等多個方面開展了大量研究。本文研究聚焦于熱塑性復(fù)材固化技術(shù)。

熱塑性復(fù)材固化方法按熱源可分為外熱源固化和內(nèi)熱源固化。外熱源固化在目前的固化方法中占主導(dǎo)地位，但其固化過程中制件溫度難以靈敏、準(zhǔn)確地調(diào)控，不易滿足固化工藝的溫度要求，且固化周期長、能耗高[4]。內(nèi)熱源加熱方法[5-6]在提高加熱效率、降低成本上占據(jù)優(yōu)勢，但在制件固化過程中溫度均勻性無法滿足CF/PEEK固化過程中制件溫差小于40 ℃的要求。

自阻電熱(self-resistance electric heating, SRE)方法是內(nèi)熱源固化的一種加熱方法，它以纖維通電產(chǎn)生的焦耳熱作為熱源，從原理而言可對制件整體進行通電加熱[7]，且設(shè)備簡單、加熱能耗低，是實現(xiàn)熱塑性復(fù)合材料高質(zhì)高效、低成本制造的潛在可用方法。NASKAR 等[8]在涂有熱塑性樹脂粉末的纖維束上施加電流來加熱纖維、熔化熱塑性樹脂粉末，形成固化的復(fù)合材料，但該方法無法實現(xiàn)構(gòu)件級的固化。ENOKI等[9]為實現(xiàn)模制熱塑性復(fù)材，采用自阻電熱的方法來加熱材料使得熱塑性樹脂浸漬碳纖維束，但其樹脂固化溫度低(290 ℃)且僅可用于汽車領(lǐng)域。張小輝等[10]研究了碳纖維增強/聚醚醚酮樹脂基復(fù)合材料(carbon fiber reinforced/polyetheretherketone composites, CF/PEEK)的自阻電熱固化工藝，并探究了自阻電熱工藝參數(shù)對復(fù)合材料樣件性能的影響。然而，常溫固態(tài)的PEEK樹脂具有電絕緣作用，現(xiàn)有自阻電熱技術(shù)難以高效地向制件饋入電能。同時，制件周圍環(huán)境(模具、輔助材料、空氣等)尚處于低溫狀態(tài)，由于溫差的存在，制件面內(nèi)和厚向均存在大而不均的熱耗散，即使施加保溫層也難以解決由于環(huán)境和制件熱重分布不匹配導(dǎo)致的制件溫度不均勻問題。

本文通過改進電極布置形式，實現(xiàn)了CF/PEEK的自阻電熱高效饋能加熱，為改善加熱過程中制件溫度場的均勻性，提出一種自阻電熱-原位膜混合加熱(hybrid of self-resistance electric and in-situ membrane heating,I-SRE)方法。

1 自阻電熱-原位膜混合加熱方法

1.1 工藝原理

在CF/PEEK的自阻電熱固化過程中，電流流經(jīng)碳纖維，利用其自身電阻產(chǎn)生焦耳熱，從而將電能轉(zhuǎn)化為熱能。對于本文研究的CF/PEEK，其自阻電熱過程中的溫度T滿足下式[11]：

(1)

式中，Qj為發(fā)熱總量；Qs為散熱總量；m為CF/PEEK的質(zhì)量；c為CF/PEEK的質(zhì)量熱容；η為電加熱效率；P為電功率；t為加熱時間；hc為空氣對流傳熱系數(shù)；Tp為CF/PEEK溫度;Te為環(huán)境溫度；ε為CF/PEEK的比輻射率；Cb為黑體輻射系數(shù)。

為提高CF/PEEK固化過程中的電加熱效率，本研究中將電極垂直于纖維放置，因為纖維方向電導(dǎo)率大，采用此方式電流能有效地饋入材料內(nèi)部，從而產(chǎn)生焦耳熱。此外，電極處的接觸電阻會損耗大量電能，采用CF/PEEK表面拋光處理的方法降低接觸電阻，提高饋能效果。

解決CF/PEEK饋能效率的問題后，材料自阻電熱過程中溫度的主要影響因素就是環(huán)境的傳熱。向材料內(nèi)部輸入電流的過程中，纖維消耗電能產(chǎn)生焦耳熱從而加熱固化樹脂，如圖1所示，周圍的空氣和模具始終處于比較低的溫度，制件-環(huán)境溫差超過200 ℃，溫度梯度大導(dǎo)致大量熱能被用于加熱周圍環(huán)境，也降低了制件邊緣的溫度。

圖1 自阻電熱示意圖

從提升溫度均勻性的角度出發(fā)，本文提出一種利用輔助加熱膜(稱為原位膜)對CF/PEEK自阻電熱固化過程中周圍耗散的熱量進行補償?shù)姆椒▉硖岣咧車h(huán)境的溫度、減小制件-環(huán)境溫差，并補償制件邊緣溫度，提高固化過程中制件的溫度均勻性。其中原位膜采用電阻發(fā)熱的形式，可均勻提供熱量。

1.2 仿真優(yōu)化

筆者通過COMSOL Multiphysics多物理場仿真軟件獲得CF/PEEK自阻電熱固化過程中制件的溫度場分布，并進一步通過仿真來優(yōu)化原位膜的設(shè)計、布置方案。

熱塑性復(fù)材的自阻電熱固化是一個在電流、壓力、加熱時間等多因素作用下發(fā)生的樹脂受熱熔融、分子鏈運動擴散、樹脂冷卻結(jié)晶的復(fù)雜過程。本文主要研究溫度分布，因此對模型進行了簡化，通過添加電流模塊、固體傳熱模塊進行電磁熱的多物理場耦合計算。

CF/PEEK、模具和原位膜的材料屬性主要涉及物理、電學(xué)、熱傳遞參數(shù)。同時，對于各向異性的碳纖維復(fù)合材料，需在長度方向和寬度/厚度方向設(shè)置不同的材料參數(shù)，具體參數(shù)取值見表1。

表1 預(yù)浸料和模具材料參數(shù)

仿真模型中，層合板尺寸(長×寬×厚)為300 mm×300 mm×2 mm，模具尺寸為500 mm×500 mm×5 mm，原位膜尺寸在后續(xù)研究中被逐步優(yōu)化。模型中設(shè)定的工藝曲線為：從室溫(20 ℃)經(jīng)10 ℃/min的升溫速率升至380 ℃，保溫10 min，而后經(jīng)10 ℃/min的降溫速率降至PEEK玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(143℃)以下。

在電流模塊中對纖維方向施加電勢差，電勢差通過簡單的PID控制施加:當(dāng)實時反饋的溫度高于設(shè)定溫度時，電勢為0;反之，電勢為正值。在固體傳熱模塊中選擇模具和層合板作為熱通量模塊接口，熱流密度設(shè)置為5 W/(m2·K),設(shè)置層合板為熱源，發(fā)熱形式為電磁發(fā)熱。

仿真結(jié)果見圖2。對于純自阻電熱固化的過程，在保溫階段制件溫度場分布如圖2a所示，此時溫度場呈現(xiàn)出中間高、邊緣低的分布形態(tài)，原因在于模具的溫度遠(yuǎn)低于層合板中心的溫度，溫差導(dǎo)致邊緣熱量被模具不斷地吸收，制件上最大溫差可達(dá)135 ℃(圖3)。

采用本文提出的自阻電熱-原位膜混合加熱方法，筆者嘗試了不同的原位膜設(shè)計方案，并通過仿真對其進行了優(yōu)化。初步方案為在層合板下表面放置一整塊尺寸大于層合板的方形原位膜，采用和層合板一樣的PID參數(shù)單獨控溫，仿真結(jié)果如圖2b所示， 溫度依然呈環(huán)狀分布，但相比純自阻電熱，溫度均勻性有較大幅度提高，最大溫差縮小至78 ℃(圖3)，該結(jié)果驗證了原位膜輔熱的可行性。原位膜一定程度上的確改善了制件表面溫度分布，但仍未達(dá)到CF/PEEK固化工藝窄溫度窗口的要求，因此需繼續(xù)對原位膜的設(shè)計進行優(yōu)化。

(a)自阻電熱 (b)方形原位膜

圖3 不同方案下的最大溫差

通過分析可知，初期方案未能改善邊緣處的溫度，而制件中心溫度由自阻電熱方法本身即可滿足，因此，需要針對制件邊緣的熱耗散進行針對性補償。筆者將對應(yīng)的原位膜形狀(方形)改為環(huán)形(外圍尺寸為350 mm×350 mm，環(huán)形寬50 mm)，通過仿真計算，得到圖2c所示結(jié)果。此耗散補償方法由于環(huán)形輔熱溫度高，傳熱至制件邊緣，導(dǎo)致制件溫度呈邊緣溫度最高、中心略低一點的分布，面內(nèi)溫差縮小至64 ℃(圖3)。然而，CF/PEEK固化工藝溫度窗口在360～400 ℃，此面內(nèi)溫差還無法滿足工藝要求。

對比上述兩種方案下的溫度場不難發(fā)現(xiàn)：方形原位膜會提高中間溫度，環(huán)形原位膜提高邊緣溫度。因此，將二者結(jié)合，設(shè)計出組合原位膜方案，即在下方放置環(huán)形原位膜，上方放置方形原位膜(尺寸為200 mm×200 mm×2 mm)。經(jīng)仿真計算，此方案最終的制件溫度場分布如圖2d所示，面內(nèi)溫度均勻，溫差在20 ℃以內(nèi)(圖3)。因此，組合原位膜方案的仿真結(jié)果最佳，能顯著改善制件固化過程中的溫度均勻性，滿足CF/PEEK固化工藝溫度窗口的要求。

2 CF/PEEK固化實驗

2.1 實驗材料

本文采用TU200CF/PEEK單向預(yù)浸料進行實驗，其單層厚度為0.1 mm，樹脂含量為34%；采用的模具材料為Q235鋼，尺寸為500 mm×500 mm×10 mm；環(huán)形原位膜采用鎳鉻合金作為發(fā)熱電阻，方形原位膜采用碳纖維編織布制作。真空袋采用聚酰亞胺薄膜，透氣氈采用玻纖透氣氈，其他輔助材料包括Airtech高溫膠帶、高溫脫模布等。

2.2 樣件制作

本次實驗一共三組，分別為自阻電熱(SRE)、自阻電熱-原位膜混合加熱(I-SRE)、原位膜加熱(IH);層合板、原位膜尺寸均與仿真方案一致，其中層合板單向鋪層，SRE和I-SRE的鋪層順序為一層電極一層預(yù)浸料，IH預(yù)浸料直接鋪放(方形膜)，用超聲點焊機焊接固定，一共鋪放20層，厚度約為2 mm。以I-SRE方法為例說明樣件制作過程：用酒精清洗模具，保證表面光滑，然后將鋪放好的層合板按圖4所示放置在模具上;當(dāng)所有輔助材料放置完畢后密封打袋，如圖5所示。溫度數(shù)據(jù)記錄和控制采用K型熱電偶。保持真空壓力在-0.1 MPa后，連接電極準(zhǔn)備通電。

圖4 I-SRE方法材料放置安排

圖5 密封打袋

電源采用實驗室自主設(shè)計的多功能電源，設(shè)有溫控表，可同時對3個電源進行PID控制，最大輸出電壓10 V，最大輸出電流500 A，實驗設(shè)備接線見圖6。3組工藝曲線均為從室溫(20 ℃)經(jīng)10 K/min的升溫速率升至380 ℃，保溫12 min，而后以10 K/min的降溫速率降至280 ℃，保溫15 min以保證PEEK有充分的時間結(jié)晶，最后以10 K/min降溫速率降至PEEK的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(143 ℃)以下。

圖6 I-SRE方法實驗設(shè)備接線

2.3 樣件性能表征

工藝結(jié)束后取出制件，按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)要求[12]裁切制件以進行力學(xué)性能測試和結(jié)晶度測量。每件制件切割3個樣品進行測試，最后的測試結(jié)果取平均值進行比較。

2.3.1力學(xué)性能

制件的宏觀力學(xué)性能需要按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)的測試方法進行表征，本次力學(xué)性能測試包括彎曲性能和層間剪切性能，測試儀器為英斯特朗公司的電子萬能試驗機，型號為5982。

根據(jù)ASTM D 6274 測試標(biāo)準(zhǔn)，利用三點彎曲試驗測試樣件彎曲性能。選擇標(biāo)準(zhǔn)跨厚比為32∶1，由樣件厚度計算得到的跨度為96 mm。材料彎曲強度計算公式[13]為

(2)

式中，σ為彎曲強度，MPa；P為施加的最大載荷，N；L為跨距，mm；b為樣件寬度，mm；h為樣件厚度，mm。

復(fù)合材料的層間剪切強度是指制件在相鄰層之間產(chǎn)生相對位移時，為了抵抗位移在材料內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力大小，即層合板在層間剪切應(yīng)力作用下的極限應(yīng)力。根據(jù)ASTM D 2344 測試標(biāo)準(zhǔn)，利用短梁彎的方法測試樣件層間剪切性能。選擇標(biāo)準(zhǔn)跨厚比為4∶1，由樣件厚度計算得到的跨度為12 mm。其計算公式[13]為

(3)

式中，F(xiàn)為層間剪切強度，MPa。

2.3.2結(jié)晶度

CF/PEEK加熱過程中，樹脂發(fā)生了晶體到非晶體的轉(zhuǎn)變，在熱流曲線上表現(xiàn)為吸熱峰；冷卻過程中，樹脂從非晶態(tài)變成半晶狀態(tài)，表現(xiàn)為放熱峰。通過差示掃描量熱儀(differential scanning calorimetry，DSC)測得樣品晶體的升溫降溫?zé)崃髑€，對熱流的吸熱峰或放熱峰進行積分計算，得到熱焓，由結(jié)晶度計算公式可以計算出樣品的結(jié)晶度[14]

(4)

式中,Xdsc為樣品結(jié)晶度；ΔHm為熔融熱焓，J/g；φ為樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)，本文樣品為34%；ΔH0為基體完全結(jié)晶熔融熱焓，J/g，PEEK完全結(jié)晶熔融的熱焓為130 J/g。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 溫度場分析

為分析固化過程中制件的溫度場分布，共使用3根測溫?zé)犭娕?，從中心向邊緣分布，如圖7所示，數(shù)據(jù)由熱電偶巡檢儀讀出，3種加熱方法的實際溫度曲線見圖8。

圖7 熱電偶位置示意圖

(a)SRE

分析熱電偶數(shù)據(jù)(圖8)可知，在升溫階段，3種方法均表現(xiàn)出不錯的均勻性，但到保溫階段，3種方法之間就出現(xiàn)了差別：SRE方法的溫差最大，最高可達(dá)138 ℃，與仿真結(jié)果較為接近，原因是模具的耗散導(dǎo)致材料邊緣溫度不斷下降，并且SRE方法升降溫不穩(wěn)定，容易發(fā)生超調(diào)(面內(nèi)溫度不均勻，控溫點與中心點不匹配，功率變化劇烈，導(dǎo)致PID跟隨效果差)；IH方法由于是外熱源加熱，材料內(nèi)部本身不加熱，面內(nèi)溫度均勻性最好，只有26 ℃的溫差，但是純原位膜方法需要材料在厚度方向上傳熱，這必然會導(dǎo)致中間層的溫度較低，最終中間層不熔融，產(chǎn)生分層的固化缺陷； I-SRE方法溫差在33 ℃左右，沒有達(dá)到仿真的效果，這可能是因為仿真中原位膜的控溫采用的是面內(nèi)最大值，而實際實驗中只能采用熱電偶的方式控溫，控溫點的選擇還有待改進，但溫差相較于SRE方法下降了75%，與IH方法的均勻性相差不大，升降溫穩(wěn)定性也明顯優(yōu)于SRE方法，這也驗證了I-SRE方法在改善溫度均勻性方面是有效的。

3.2 力學(xué)性能對比

每組取3個樣件進行測試，測試數(shù)據(jù)見圖9。

(a)彎曲強度

表2所示為樣件力學(xué)性能平均值。對比表2中彎曲強度結(jié)果可知，I-SRE方法的強度最高，均值為1273 MPa，較SRE方法提高7.5%，因為均勻的溫度帶來均勻的熔融，更利于樹脂與纖維的結(jié)合；而IH方法的彎曲強度最低。

表2 力學(xué)性能平均值計算

圖10所示為光學(xué)顯微鏡下I-SRE與IH樣品彎曲測試后的截面形貌，I-SRE的失效形式是斷口，而IH出現(xiàn)明顯的分層，原因是采用外熱源方法時熱量從材料外部向內(nèi)傳導(dǎo)，在厚度方向上產(chǎn)生溫差，中間部分熔融效果差，容易出現(xiàn)分層的固化缺陷，對應(yīng)的彎曲強度亦下降。

(a)I-SRE (b)IH

表2中層間剪切強度有相同的趨勢，I-SRE的層間剪切強度要高于其他兩種方法的層間剪切強度，均值為92 MPa，IH的層間剪切強度最低，增強材料和基體材料界面的結(jié)合強度不高，證明均勻的內(nèi)熱源加熱方式確實提高了CF/PEEK的固化質(zhì)量。

3.3 結(jié)晶度對比

每個制件取3個樣件，樣件質(zhì)量在10 mg左右，測試結(jié)果見圖11。表3所示為各樣件熱焓和結(jié)晶度均值。由圖11、表2測試結(jié)果來看,SRE方法結(jié)晶度差異性較大，2號樣件的結(jié)晶度低于30%；而I-SRE方法整體結(jié)晶度較高，3個樣件的結(jié)晶度均在33%以上，較SRE方法提高了16.2%，溫度均勻性好帶來升降溫速率的穩(wěn)定，從而保證了PEEK的充分結(jié)晶；IH方法整體結(jié)晶度偏低，均值只有25.5%，從外向內(nèi)的傳熱形式導(dǎo)致厚度方向溫度不均勻，中間位置樹脂沒有熔融再結(jié)晶。

圖11 結(jié)晶度測試結(jié)果

表3 各樣件熱焓和結(jié)晶度均值

4 結(jié)論

(1)I-SRE方法可補償純自阻電熱方法不可避免的耗散問題，可大幅提高制件溫度均勻性，且由仿真優(yōu)化得到的環(huán)形加方形的組合形式是原位膜設(shè)計優(yōu)化的最優(yōu)解，能將制件溫差縮小至CF/PEEK固化工藝溫度窗口內(nèi)。

(2)通過一系列的對比實驗發(fā)現(xiàn)，I-SRE方法均勻的溫度場能夠提高制件最終的固化質(zhì)量，與SRE方法相比，I-SRE方法的彎曲強度提高7.5%，層間剪切強度提高了8.2%，結(jié)晶度提高了16.2%。同時，固化質(zhì)量要高于純原位膜外熱源傳導(dǎo)加熱方法，原因歸結(jié)于從外向內(nèi)的傳熱形式導(dǎo)致材料厚度方向產(chǎn)生溫差，出現(xiàn)分層等固化缺陷，嚴(yán)重影響了制件最終性能。