一种自动铺放用预浸料拼接强度的检测方法与流程

本发明涉及一种自动铺放用预浸料拼接强度的检测方法，属于预浸料自动铺放成型技术领域。

背景技术：

树脂基复合材料具有高比强度和比模量、抗疲劳、可设计性强等优点，广泛应用于航空航天、轨道交通、新能源、医疗卫生以及体育器材等领域。以树脂基复合材料为代表的先进复合材料由于其优异的性能正在得到越来越广泛的应用，而复合材料的自动化制造技术由于能够大幅降低复合材料的制造成本也一直成为行业发展的重点，其中最重要的技术就是预浸料的自动铺放成型技术。自动铺放成型技术所使用的材料为预浸料，是用树脂基体在严格控制的条件下浸渍连续纤维或织物，制成树脂基体与增强体的组合物，是制造复合材料的中间材料。在使用过程中需要按照设计好的方向和层数将预浸料铺贴在相应的模具上，然后再进行加压固化等操作得到特定外形和尺寸的复合材料构件。预浸料的自动铺放成型技术由于具有高质量、高精度和高可靠性的特点，近些年得到了学界和产业界的高度重视和大力发展。

预浸料自动铺放成型技术(包括自动铺带成型以及自动铺丝成型)是以宽度较窄的单向预浸带或丝束为原料，使用自动化的输送、铺贴等设备在特定形状模具表面进行铺放。高质量、高精度、高可靠性和高效率等优点使预浸料自动铺放成型技术在航空航天领域中得到了越来越广泛的应用。为提高自动铺放成型技术的铺放效率，往往都需要制备长度在1000米以上的超长预浸带及丝束，以减少停机换料的等待时间。目前预浸带和预浸丝束的主要制备方法是针对宽幅预浸料进行分切处理，将1m或以上幅宽的预浸料分切为多条窄幅的预浸带或预浸丝束。但是受限于设备生产能力以及操作难易程度，目前业界制备的宽幅预浸料很难做到适合自动铺放设备需要的长度。因此，在实际生产时需要对多条较短的预浸带或预浸丝束进行拼接处理，以满足自动铺放成型技术对超长预浸带和预浸丝束的需要。

预浸带和预浸丝束在自动铺放设备中的输送过程要承载较大的张力并且需要经过多组定滑轮进行输送方向和的输送张力的变化控制，在这个过程中预浸料的拼接头不仅受到平行于材料的拉伸作用，在弯曲处还受到剥离力的破坏作用(见图1)，因此需要拼接头在两种工况下都具有一定的强度以保证不会断开。预浸料的拼接头的强度依赖于在拼接环境下的预浸料的表面粘接力，目前业界还没有系统定量表征预浸料这一性能参数的方法，仅仅依靠预浸料表面粘性的大小(hb7736.8)来定性的判别拼接头的强度大小局限性较大，难以体现实际应用工况下的拼接头强度。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的预浸料拼接强度未能充分定量表征的问题，本发明提出了一种自动铺放用预浸料的拼接强度的检测方法。本发明的技术解决方案是，

1)平拉试样制备：将两条预浸丝束水平放置，将一条预浸丝束的左端与另一条预浸丝束的右端上下重叠一定长度进行预粘接，两条预浸丝束粘接区域的主轴方向应与预浸丝束中碳纤维方向相同，然后将粘接区域放入机械热压平台进行热压拼接，预浸丝束与热压平台之间采用脱模材料进行隔离，预浸丝束试样热拼接的温度、压力和时间与实际生产过程中所使用的预浸丝束拼接所采用的工艺参数相一致；

2)剥离试样制备：将两条长度相同的预浸丝束两端对齐，对其中一端的重叠区域进行预粘接，预浸丝束粘接区域的主轴方向应与预浸丝束中碳纤维方向相同，然后将粘接区域放入机械热压平台进行热压拼接，预浸丝束与热压平台之间采用脱模材料进行隔离，热拼接的温度、压力和时间与超长预浸丝束拼接所采用的工艺参数相一致；

3)性能测试：将步骤1和2中得到的拼接强度测试试样分别使用拉力测试仪和剥离强度测试仪进行测试，测试环境温度与预浸料实际应用环境温度相一致，载荷加载速率与预浸料实际铺放速率相一致，最终测试得到的预浸丝束试样的平拉破坏强度和剥离破坏强度作为预浸料拼接强度量化表征结果。

所述预浸丝束试样的宽度与预浸丝束的宽度相对应。

所述预浸丝束试样是指将两条预浸丝束以上下搭接的方式依靠表面自粘性粘为一体的试样。

所述预浸丝束与热压平台之间采用的隔离材料为聚四氟乙烯、pe膜、pp膜或聚酯薄膜。

夹具夹持末端距离最近的预浸丝束试样搭接端的距离为50-150mm。

本发明具有的优点和有益效果

本发明针对自动铺放成型技术中对超长预浸丝束的需求，首次提出了预浸丝束拼接头强度的检测方法。本发明通过分析预浸丝束拼接头实际应用中的受力情况，使用拉力测试仪下测量拼接处的平拉破坏强度，使用剥离测试仪测量拼接处的剥离破坏强度，得到的两个强度参数分别作为预浸料在平直状态和弯曲状态下的拼接强度。通过两个不同角度的量化表征结果，本发明能够全面反应实际应用过程中的预浸丝束拼接头强度。

本发明提出的自动铺放用预浸料的拼接强度的检测方法具有以下优点：

(1)对自动铺放用预浸丝束的拼接强度进行针对性的定量表征，对预浸丝束拼接头强度高低进行精确评价；

(2)测试方法简单可靠，通过拉伸强度和剥离强度两个参数综合反应了预浸丝束拼接头在平面拉伸破坏和弯曲剥离破坏两种模式下的强度；

(3)试样制备和测试过程中能够通过改变温度、压力和时间来模拟实际使用情况，保证测试结果的准确性和指导性。

附图说明

图1是现有技术中预浸料拼接头发生的玻璃破坏示意图；

图2是本发明平拉试样的形状和尺寸示意图；其中b是a的俯视图；图中1——夹持区域；2——粘接区域；

图3是本发明剥离试样的形状和尺寸示意图，其中b是a的俯视图；图中1——夹持区域；2——粘接区域。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的一种自动铺放用预浸料的拼接强度的检测方法作进一步阐述，但本发明的保护内容并不限于以下实施例。

本发明提出的自动铺放用预浸料的拼接强度的检测方法主要包括以下步骤：

1)平拉试样制备：将两条预浸丝束按照图2的方式和尺寸先手动进行预粘接，两条预浸丝束的粘接面的长度为20-60mm，主轴方向应与预浸丝束中碳纤维方向相同。然后将粘接区域放入机械热压平台进行热压拼接，预浸丝束与热压平台之间采用聚四氟乙烯脱模部进行隔离。热拼接的温度、压力和时间与超长预浸丝束拼接所采用的工艺参数相一致。

2)剥离试样制备：将两条预浸丝束按照图3的方式和尺寸先手动进行预粘接，两条预浸丝束的粘接面的长度为20-60mm，主轴方向应与预浸丝束中碳纤维方向相同。然后将粘接区域放入机械热压平台进行热压拼接，预浸丝束与热压平台之间采用聚四氟乙烯脱模部进行隔离。热拼接的温度、压力和时间与超长预浸丝束拼接所采用的工艺参数相一致。

3)性能测试：将步骤1和2中得到的拼接强度测试试样分别使用拉力测试仪和剥离强度测试仪进行测试。夹具夹持末端距离最近的搭接端的距离为50-150mm，测试环境温度与预浸料实际应用环境温度相一致、载荷加载速率与预浸料实际铺放速率相一致。最终测试得到的预浸丝束试样的平拉破坏强度和剥离破坏强度作为预浸料拼接强度量化表征结果。

具体的应用方式见以下实施例。

实施例1

将两条预浸丝束按照图2和图3的方式和尺寸先进行预粘接成平拉试样和剥离试样，两条预浸丝束的粘接面的长度为40mm，主轴方向应与预浸丝束中碳纤维方向相同。然后将粘接区域2放入机械热压平台进行热压拼接，预浸丝束与热压平台之间采用聚四氟乙烯脱模布进行隔离。拼接的温度为30℃，压力在0.2mpa，时间为3min。将得到的拼接强度测试试样分别使用拉力测试仪和剥离强度测试仪进行测试，夹具夹持区域1末端距离最近的搭接端的距离为50mm，测试环境温度为15℃，载荷加载速率为0.1m/min。测试结果表明预浸料拼接强度试样的平拉破坏强度为202.4n,剥离破坏强度为5.48n。

实施例2

将两条预浸丝束按照图2和图3的方式和尺寸先手动进行预粘接成平拉试样和剥离试样，两条预浸丝束的粘接面的长度为25mm，主轴方向应与预浸丝束中碳纤维方向相同。然后将粘接区域2放入机械热压平台进行热压拼接，预浸丝束与热压平台之间采用pe膜进行隔离。拼接的温度为45℃，压力在0.3mpa，时间为1min。将得到的拼接强度测试试样分别使用拉力测试仪和剥离强度测试仪进行测试，夹具夹持区域1末端距离最近的搭接端的距离为90mm，测试环境温度为5℃，载荷加载速率为4m/min。测试结果表明预浸料拼接强度试样的平拉破坏强度为168.4n,剥离破坏强度为2.35n。

实施例3

将两条预浸丝束按照图2和图3的方式和尺寸先手动进行预粘接成平拉试样和剥离试样，两条预浸丝束的粘接面的长度为55mm，主轴方向应与预浸丝束中碳纤维方向相同。然后将粘接区域2放入机械热压平台进行热压拼接，预浸丝束与热压平台之间采用pp膜进行隔离。拼接的温度为55℃，压力在0.4mpa，时间为5min。将得到的拼接强度测试试样分别使用拉力测试仪和剥离强度测试仪进行测试，夹具夹持区域1末端距离最近的搭接端的距离为120mm，测试环境温度为20℃，载荷加载速率为15m/min。测试结果表明预浸料拼接强度试样的平拉破坏强度为295.6n,剥离破坏强度为4.68n。

实施例4

将两条预浸丝束按照图2和图3的方式和尺寸先手动进行预粘接，两条预浸丝束的粘接面的长度为40mm，主轴方向应与预浸丝束中碳纤维方向相同。然后将粘接区域放入机械热压平台进行热压拼接，预浸丝束与热压平台之间采用聚酯薄膜进行隔离。拼接的温度为25℃，压力在0.6mpa，时间为5min。将得到的拼接强度测试试样分别使用拉力测试仪和剥离强度测试仪进行测试，夹具夹持末端距离最近的搭接端的距离为150mm，测试环境温度为18℃，载荷加载速率为20m/min。测试结果表明预浸料拼接强度试样的平拉破坏强度为185.3n,剥离破坏强度为2.89n。