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摘要：经济的发展推动了社会的进步，也带动了工业行业的发展，近年来，连续纤维增强热塑性复合材料因其力学性能优良、韧性好、疲劳强度高、冲击损伤容限高、可循环加工等特点被广泛应用于航空领域。热变形成型是根据金属材料的塑性成型而开发出的专门用于热塑性复合材料零件的一种成型方式，这种成型方式时间短、操作简单，为降低复合材料的加工成本提供了可能，是目前很有前景的一种复合材料成型方式。本文主要对碳纤维预浸料性能与固化工艺进行分析。
关键词：碳纤维预浸料；性能；固化工艺
引言
纤维预浸料为将树脂基体浸渍在纤维中制成的片状叠层材料，现已成为被广泛应用于纤维增强复合材料设计与制造工艺的一类中间材料。对于复合材料产品而言，预浸料是具有一定力学性能的结构单元，选用合适的工艺方式为提高其最终成品性能的关键。复合材料的成型工艺主要有模压成型、注射成型和挤出成型等方法，其中，模压成型工艺具有设备简单、成型效率高、生产成本低等优点，并且模压时成型压力和熔体流动对增强纤维的损伤非常小，因此，在工业生产中得到了广泛的应用。
1实验设计与测试方法
1.1实验过程
本实验采用PCM模压成型工艺，通过液压机制备预浸料复合材料层合板，图1为PCM模压成型工艺制备预浸料层合板的工艺流程图。首先，将裁切的预浸料纤维布铺放4层至预制模具中定形，待模具加热至150℃，把预制品套入铝合金热传导模具中，合模后，按照实验参数设计对预浸料进行预热保压，保温8min后降温开模，即可压制为所需要的预浸料层合板。
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图1预浸料层合板PCM模压工艺流程图
1.2测试方法
测量PCM模压工艺制作的层合板，将其挤出的多余树脂切掉，留下浸润纤维有效面积，记录成型前后的重量和厚度，计算出层合板前后的树脂流失量；采用精雕机将层合板切割为标准拉伸和冲击实验平板样条。试样拉伸实验依据标准GB/T1447—2005，在CMT-5105GL型电子万能实验机上进行实验，拉伸速度为2mm·min－1；试样冲击实验依据标准GB/T1043.1—2008，在PMT-P300的摆锤式冲击实验机上进行实验，冲击速度为5.24m·s－1；采用金相显微镜对成型后层合板的截面进行观察，将宏观性能和微观形貌进行结合分析。
1.3预浸料滑移试验
热变形成型过程中的滑移可以大体被分为两种类型：第一种是层间滑移摩擦，它发生在层压板内部各层之间的界面上；第二种是模具-层滑移摩擦，发生在成型模具和层压板接触的界面上。在接近加工条件下进行材料性能测试得出的材料数据比较可靠，可用于成型的仿真、有限元模拟等。此次试验选用的预浸料基体是热塑性的聚苯硫醚树脂，热变形成型时的加工温度高达300多摄氏度，传统的摩擦测试仪并不能满足试验的温度要求，因此为了更接近实际加工情况，设计了一个可用于高温条件的拉通型摩擦测试装置，过程中摩擦面积保持不变，可用于表征热塑性层压板在不同速度、温度、法向压力下的层-层和模具-层的滑移行为。试验机示意图如图2所示，测试仪主要由三部分组成：摩擦部分；传感器部分；电机部分。摩擦部分（图2最右端）被一个封闭的保温箱体包围，以保持试验所需的足够高温度的热氛围（可提供温度范围为常温～500℃），上、下试样通过两侧的压边条固定在上、下滑块上，保持横向张紧，防止试验中产生局部屈曲而影响试验结果。试样接触面积即摩擦面积为100mm×100mm。整个过程中的法向力N由砝码提供，力值范围为7.5N～150N，那么法向压力P可变范围就是0.75kPa～15kPa。
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图2摩擦试验机示意图
整个设备包含三个传感器，一个是温度传感器，将热电偶测量的温度实时反馈到控温装置以调节试验温度；另外两个分别是位移传感器和力值传感器，与电脑连接，最后可以输出实验过程中的拉力F-位移d曲线。试验一开始，电动机带动上滑块向左运动，逐渐达到恒速U，那么试验过程中的滑动摩擦力Ff=F，摩擦系数可直接计算：μ=F/N上、下试样的材料种类是根据所研究的滑移摩擦类型确定的，当研究复合板与模具之间的滑移行为时，上试样是与模具同种材料的金属片，下试样是单层预浸料；当研究板材内部层与层之间的滑移行为时，上、下试样均为单层预浸料，摆放方向与所研究的复合板的铺层方向一致。对于本试验中的试样配置，单向预浸料只考虑［0/90］铺层方式的滑移行为，因此上下试样纤维方向要保持垂直，织物预浸料无特殊要求。
2实验结果分析
2.1力学性能分析
采用PCM模压工艺将树脂含量分别为40%、45%和50%的预浸料在不同的固化压力下制备复合材料层合板，其树脂流失量也会随着压力的不同而变化。从图3a可以看出，随着固化压力的增加，预浸料的树脂流失量不断增加且增加趋势不同，树脂含量为40%的预浸料，在施加同样的固化压力下，树脂流失量要比树脂含量为45%和50%的预浸料的树脂流失量少。由图3b所示，随着树脂含量的增加，抗拉强度和冲击韧性均先增加、后减小，当树脂含量为38%时，抗拉强度为513.67MPa，冲击韧性为29.52J·cm－2，力学性能最好。
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图3固化压力和树脂流失量之间的力学性能关系
高温环氧树脂预浸料在温度较高的条件下预热时，需要将预热时间控制在60s内，恰当的预热时间可以改善树脂对纤维织物的浸润情况。树脂含量为40%的预浸料在3800kN的压力下，随着预热时间的增加，抗拉强度和冲击韧性先增加、后减小。当模具温度低于165℃时，预热时间为40s时的力学性能曲线有最高点，其中在模具温度为155℃时，抗拉强度为520.18MPa、冲击韧性为32.35J·cm－2，力学性能最好；当模具温度为165℃时，预热时间为20s时的力学性能较好。说明较高的模具温度会加速预浸料中树脂的融化。
3纤维弯曲检测
之后检测对象为3层预浸料（未热压）中的纤维弯曲，如图4所示，
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图4含纤维弯曲的预浸料实物图
弯曲的范围约为18mm×10mm，弯曲幅度为1.8mm。激励频率为1MHz，信号峰峰值为10V。弯曲方向不同时纤维弯曲所在处虚部电压变化情况如图5所示。可见，在纤维弯曲区域，圆形线圈做激励时弯曲方向不能对电流方向产生影响，而矩形线圈做激励时弯曲方向的不同会导致接收线圈内电流方向的不同。
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图5不同激励线圈的纤维弯曲处电压虚部变化
结语
1m/min的牵引速率过慢，PEEK在低黏度状态下停留过久容易包覆空气和粘连离型膜，且易被氧化，影响预浸料性能；3m/min的牵引速率过快，预浸料未达到预设温度，碳纤维不能充分浸渍；２m/min的牵引速率在保证预浸料达到预设温度的同时，使PEEK有充足的时间浸润碳纤维。2m/min的牵引速率能得到尺寸稳定且力学性能优异的连续CF/PEEK预浸料，可为后续复合材料成型奠定良好的基础。热塑性复合材料热变形成型中的滑移行为包括两方面：内部层间滑移和最外层与模具之间的滑移，本文中只探究了试验条件对预浸料之间滑移行为的影响，接下来将对预浸料与成型模具之间的滑移进行进一步研究。
参考文献：
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［2］史晓辉．基于热压成型工艺的热塑性复合材料在民机上的应用［J］．科技视界，2019，267（9）：10-12，28．