热塑性树脂基复合材料激光原位固化研究进展

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2021.06.018

中国塑料 ›› 2021, Vol. 35 ›› Issue (6): 111-124.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2021.06.018

热塑性树脂基复合材料激光原位固化研究进展

冯喜平¹(), 张盛源², 梁群¹, 王博³

^1.西北工业大学航天学院，燃烧、热结构与内流场重点实验室，西安 710072
^2.航天动力先进技术湖北省重点实验室（湖北航天技术研究院总体设计所），武汉 430040
^3.西北工业大学航天学院，结构技术研究所，西安 710072

收稿日期:2020-10-12 出版日期:2021-06-26 发布日期:2021-06-23
基金资助:
国家重点研发计划增材制造与激光制造专项(2018YFB1107500)

A Review of Laser In⁃situ Curing of Thermoplastic Composites

FENG Xiping¹(), ZHANG Shengyuan², LIANG Qun¹, WANG Bo³

^1.Science and Technology on Combustion，Internal Flow and Thermo?Structure Laboratory，School of Asfronoutics Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China
^2.Hubei Key Laboratory of Advanced Aerospace Propulsion Technology（System Design Institute of Hubei Aerospace Technology Academy），Wuhan 430040，China
^3.Aerospace Structural Technology Institute，School of Astronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China

Received:2020-10-12 Online:2021-06-26 Published:2021-06-23
Contact: FENG Xiping E-mail:fengxiping@nwpu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

鉴于热塑性树脂基复合材料激光原位固化技术在武器装备制造领域的巨大应用前景，为促进激光原位固化复合材料成型技术发展，本文在对激光原位固化成型技术进行国内外的研究和应用总结基础上，对激光原位固化过程所涉及的机理进行了讨论，对激光原位固化实验研究进行了总结，对固化过程中的温度场仿真进行了论述，同时对该技术在航空航天领域的发展和研究方向进行了探讨。从机理研究、固化实验和温度场模拟3个方面对热塑性树脂基复合材料激光原位固化成型技术国内外的研究和应用情况进行回顾和总结，并探讨了激光原位固化技术的最新发展趋势。

关键词: 激光原位固化, 热塑性, 复合材料, 结晶动力学, 温度场, 激光吸收

Abstract:

This paper reviewed the research and application works of laser in?situ curing of thermoplastic composite materials at home and abroad. Summarized three aspects of laser in?situ curing mechanism research ， experiments ， and temperature field simulation. Discussed the latest development trend of laser in?situ curing technology at last.

Key words: laser in?situ curing, thermoplastic, composite, crystallization kinetics, temperature field, the laser absorption

中图分类号:

TQ320.66⁺9

冯喜平, 张盛源, 梁群, 王博. 热塑性树脂基复合材料激光原位固化研究进展[J]. 中国塑料, 2021, 35(6): 111-124.

FENG Xiping, ZHANG Shengyuan, LIANG Qun, WANG Bo. A Review of Laser In⁃situ Curing of Thermoplastic Composites[J]. China Plastics, 2021, 35(6): 111-124.

图/表 25

材料名称	弯曲强度/MPa	弯曲模量/GPa	拉伸强度/MPa	拉伸模量/GPa	压缩强度/GPa	热变形温度/℃
PEEK	142	4.0	97	2.8	130	230
聚四氟乙烯（PTFE）	13	0.7	20	0.4	12	55
聚苯醚（PPO）	110	2.0	66	2.7	100	190
聚酰亚胺（TPI）	176	3.3	116	3.0	148	260
PPS	142	3.3	85	2.5	120	240
聚砜（PSF）	118	2.7	74	2.5	95	175

表1 耐高温热塑性树脂的性能

Tab.1 Properties of high temperature thermoplastic resins

图1 激光原位固化铺放头

Fig.1 Laying head of laser in?situ curing equipment

图2 激光原位固化过程示意图

Fig.2 Schematic diagram of laser in situ curing

图3 热塑性树脂基复合材料电磁炮轨道

Fig.3 Electromagnetic gun track prepared by thermoplastic resin matrix composites

图4 热塑性树脂基复合材料导弹壳体

Fig.4 Missile shell prepared by thermoplastic resin matrix composites

图5 激光原位固化时材料的光学行为

Fig.5 Optical behavior of materials during laser in situ curing

图6 Grove射线追踪模型

Fig.6 Grove ray tracing model

图7 Grouve实验测量反射率示意图

Fig.7 Grouve experimental measurement of reflectivity

图8 激光在预浸带反射示意图

Fig.8 Laser reflection in prepreg

图9 不同入射角下PEEK/CF的反射率

Fig.9 PEEK/CF reflectivity at different incidence angles

图10 不同降温速率下PEEK/CF的结晶度随温度变化曲线

Fig.10 Curves of crystallinity of the PEEK/CF composites with temperature at different cooling rates

图11 加工过程中复合材料结晶度的变化

Fig.11 Changes in the crystallinity of composites during processing

图12 波音787机身固化热压罐

Fig.12 Boeing 787 body curing tank

图13 激光原位固化生产复合材料筒体

Fig.13 Composite tubes produced by laser in situ curing

图14 Beyeler激光原位固化设备

Fig.14 Beyeler laser in situ curing equipment

图15 Vivek激光原位固化设备

Fig.15 Vivek laser in situ curing equipment

图16 Giuseppe Dell’Anno激光固化系统

Fig.16 Giuseppe Dell 'Anno laser curing system

图17 Automated Dynamics激光固化系统

Fig.17 Automated Dynamics laser curing system

图18 热塑性树脂基复合材料蒙皮增强结构

Fig.18 Thermoplastic composite skin reinforcement structure

图19 热气加热原位固化设备一

Fig.19 In?situ curing equipment 1 with hot gas heating

图20 热气加热原位固化设备二

Fig.20 In?situ curing equipment 2 with hot gas heating

图21 Beyeler的温度场分析模型

Fig.21 Beyeler's temperature field analysis model

图22 Xuefeng Wang几何模型

Fig.22 Xuefeng Wang geometric model

图23 Stokes?Griffin采用的简化几何模型

Fig.23 Simplified geometric model adopted by Stokes?Griffin

图24 宋清华建立的几何模型

Fig.24 Song Qinghua Geometric model

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热塑性树脂基复合材料激光原位固化研究进展

A Review of Laser In⁃situ Curing of Thermoplastic Composites

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