关于CF/PAEK激光辅助自动胶带放置过程中铺层方向与工艺参数动态耦合机制的研究

《Journal of Materials Research and Technology》：Research on the Dynamic Coupling Mechanism of Layup Directions and Process Parameters in CF/PAEK Laser-Assisted Automated Tape Placement

激光辅助自动胶带放置过程中，层压方向与动态响应及界面性能的关联机制研究。通过正交实验分析CF/PAEK复合材料的层压方向（交叉层压[0°/90°]6与单向层压[0°]12）、工艺参数（激光功率、放置速度、压合力、胶带张力）对界面剪切强度（ILSS）的影响，发现交叉层压更敏感于激光功率（贡献率24.48%），而单向层压对胶带张力敏感（19.49%）。红外热成像与高速摄像技术揭示了交叉层压因纤维交错导致紧密接触困难，且表面皱褶引发的热分解孔隙问题，其ILSS较优工艺参数下单向层压低41.6%。优化后交叉层压ILSS提升25.45%，验证了差异化工艺参数设计的必要性。

　　在现代材料科学与先进制造技术迅速发展的背景下，碳纤维增强复合材料因其轻质高强的特性，被广泛应用于航空航天、风力发电等高端制造领域。然而，这类材料在制造过程中表现出显著的各向异性，这使得其加工工艺设计面临诸多挑战。特别是在激光辅助自动铺带（Laser-Assisted Automated Tape Placement, LATP）工艺中，铺层方向与工艺参数之间的动态耦合机制对最终产品的性能有着深远的影响。因此，研究铺层方向与动态响应、层间性能之间的关系，对于优化LATP工艺、提高复合材料结构性能具有重要意义。

### 1. 问题背景与研究意义

LATP技术通过在铺带过程中同步照射激光和施加压力，实现了碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTP）的即时固化。这种工艺不仅具备高度自动化和高生产效率，还能够在材料加工过程中实现即时固化，减少了传统工艺中对后续热压或真空袋等辅助手段的依赖。然而，由于CFRTP材料具有显著的各向异性，铺层方向的选择对最终材料的性能有着直接影响。例如，当铺层方向为单向（Unidirectional, UD）时，纤维的排列方向单一，这有助于提高材料在特定方向上的承载能力；而当铺层方向为交叉铺层（Cross-Ply, CP）时，由于纤维方向的多样性，材料的机械、热学和光学性能表现出更强的各向异性。

为了满足不同工程应用对材料性能的需求，优化铺层方向和工艺参数的匹配性成为一项关键任务。这不仅需要在材料设计阶段合理安排纤维的取向分布，还需要在加工过程中实现对不同铺层方向的适应性控制。然而，当前许多研究在LATP工艺中倾向于简化操作条件，仅考虑单向铺层情况，这种简化虽然便于实验设计，但无法准确反映实际应用中复杂的铺层角度和材料性能差异。因此，有必要开展对“铺层方向-动态响应-层间性能”三者关系的系统研究，以期为复合材料的精确制造提供理论依据和技术支持。

### 2. 材料与制造工艺

本研究选用了一种CF/PAEK单向预浸料带，其规格信息如表1所示。该预浸料带具有0.17mm的名义厚度和145±10g/m2的面积密度，树脂含量为45±5%。通过将预浸料带切割成50mm宽的条带，再利用LATP系统进行铺层。为了适应不同铺层方向的需求，实验中分别采用了交叉铺层（[0°/90°]6）和单向铺层（[0°]12）两种方案。通过调整工艺参数，如铺带速度、激光功率、压紧力和带材张力，研究其对层间剪切强度（ILSS）和孔隙率的影响。

LATP系统主要包括激光加热模块、带材输送模块和机械臂。激光加热模块采用半导体激光器（Laserline, LDF 6000-30），其波长范围为900-1080nm，最大输出功率可达6000W。通过双轴可调的大光斑光学镜头系统，激光束可以覆盖10mm×10mm到64mm×64mm的区域，从而确保在铺带过程中温度分布的均匀性。带材输送模块和机械臂则用于精确控制带材的位置和施加稳定的压紧力与张力。压紧辊由直径为48mm的钢芯和6mm厚的硅橡胶涂层组成，压紧力由气缸控制，最大可达680N。带材张力通过阻尼器和跳辊调节，可在5-25N范围内变化。此外，红外相机被用于实时监测铺带过程中的温度变化，但由于压紧辊遮挡了视线，只能测量接近压紧线区域的温度，无法直接测量压紧线处的温度。

为了评估材料的层间剪切强度，实验采用了ISO 14130:1997和ASTM D2344短梁剪切（SBS）测试标准。通过对样品的打磨和切割，确保其尺寸符合测试要求。同时，利用金属显微镜和扫描电子显微镜（SEM）观察样品的微观结构，分析层间结合状态和孔隙分布。实验数据表明，不同铺层方向对材料的层间性能具有显著影响，尤其是交叉铺层更容易受到热分解孔隙的影响，而单向铺层则在热输入和接触面积方面具有优势。

### 3. 工艺参数对层间性能的影响

在本研究中，通过正交实验设计，分析了铺带速度、激光功率、压紧力和带材张力对交叉铺层和单向铺层材料层间剪切强度和孔隙率的影响。实验采用L16(4^5)正交阵列，其中前四个列对应四个工艺参数，第五列为误差列，用于评估实验误差和未控制变量的影响。实验结果表明，压紧力是影响层间性能的最关键因素，其贡献率在交叉铺层和单向铺层中分别为43.44%和35.38%。激光功率对交叉铺层的影响更为显著，贡献率高达24.48%，而对单向铺层的影响则相对较小，仅为19.24%。这表明，在交叉铺层中，激光功率的控制对于层间性能至关重要。

带材张力对单向铺层的影响较大，其贡献率为19.49%，而对交叉铺层的影响则仅为4.65%。这说明，单向铺层对张力变化更为敏感，而交叉铺层由于纤维交叉结构的阻碍，对张力变化的依赖性较低。此外，实验还发现，铺带速度和激光功率的交互作用对层间性能有重要影响。通过等高线图（Contour Plot）分析，可以发现交叉铺层在较低的热输入条件下即可达到较高的层间剪切强度，而单向铺层则需要更高的热输入。这种差异主要源于交叉铺层中纤维排列的不均匀性，导致热能分布不均，从而影响材料的固化效果和层间结合质量。

### 4. 动态响应与层间性能的关系

在LATP过程中，动态响应主要体现在材料表面的波浪形（Waviness）和层间接触状态的变化。实验发现，交叉铺层在激光照射后，由于纤维交叉的阻碍，表面更容易出现波浪形，这种波浪形会进一步影响热能的分布和材料的固化效果。通过高速摄影和红外热成像技术，可以观察到交叉铺层和单向铺层在激光照射后的温度变化和表面形貌差异。交叉铺层的表面波浪形更加明显，这导致局部区域的温度升高，进而引发树脂的热分解，形成较大的孔隙。而单向铺层由于纤维方向一致，表面波浪形相对较弱，因此其热分解孔隙较少，层间结合状态更优。

此外，实验还发现，交叉铺层的层间接触面积较小，这使得其层间孔隙率显著高于单向铺层。在相同的工艺参数下，交叉铺层的层间孔隙率可达7.86%，而单向铺层的层间孔隙率仅为0.67%。这种差异主要源于交叉铺层中纤维的交叉结构对树脂流动的阻碍作用。因此，在交叉铺层中，需要更精确地控制热输入和压紧力，以确保树脂能够充分流动并形成良好的层间结合。相比之下，单向铺层由于纤维方向一致，树脂流动更为顺畅，因此其层间性能更优。

### 5. 工艺优化与实际应用

为了进一步提高交叉铺层材料的层间性能，本研究提出了基于铺层方向的工艺优化方法。通过分析实验数据，确定了交叉铺层和单向铺层的最佳工艺参数。对于交叉铺层，最佳参数组合为铺带速度20mm/s、激光功率900W、压紧力110N和带材张力10N；而对于单向铺层，最佳参数组合为铺带速度25mm/s、激光功率1300W、压紧力280N和带材张力10N。实验结果表明，通过优化这些参数，交叉铺层的层间剪切强度可提高25.45%，孔隙率可降低41.6%。此外，通过引入再压（Repass）处理，进一步改善了交叉铺层的表面状态，降低了层间孔隙率，提高了层间剪切强度。再压处理的参数为铺带速度20mm/s、激光功率600W、压紧力110N，不涉及带材张力和光斑尺寸的调整。

这些优化措施不仅提高了交叉铺层的性能，还为实际工程应用提供了重要的指导。在实际生产中，不同铺层方向需要不同的工艺参数控制策略，以确保材料的均匀固化和良好层间结合。此外，实验还发现，交叉铺层对热输入的敏感性较高，因此在实际操作中需要更加严格的热输入控制，以避免局部过热和树脂分解。而单向铺层由于其较高的热输入容忍度，可以在相对宽松的工艺条件下实现较好的性能。

### 6. 研究意义与未来展望

本研究通过系统的正交实验和动态响应分析，揭示了铺层方向与工艺参数之间的复杂关系，为优化LATP工艺提供了理论支持。研究结果表明，交叉铺层在热输入和压紧力控制方面具有更高的要求，而单向铺层则在工艺参数调整上更为灵活。此外，实验还发现，再压处理可以显著改善交叉铺层的层间性能，这为实际生产中提高材料质量提供了新的思路。

未来的研究可以进一步探讨不同铺层方向下材料的动态行为，以及如何通过优化工艺参数实现更高效的热能利用和更均匀的材料固化。同时，还可以结合数值模拟和机器学习技术，建立更精确的工艺参数预测模型，以实现对复合材料制造过程的智能控制。此外，研究不同材料体系（如不同树脂和纤维类型）在LATP工艺中的表现，也将有助于拓展该技术的应用范围。通过这些努力，可以推动LATP技术在高性能复合材料制造领域的进一步发展，提高材料的综合性能和制造效率。