单向预浸料成型性能表征方法研究进展

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30224

综述

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单向预浸料成型性能表征方法研究进展

赵月青¹, 林德志¹, 陈汇¹, 汤家力¹, 王立冬²()

^1.上海飞机制造有限公司复合材料中心，上海 201324
^2.兰州理工大学材料科学与工程学院，兰州 730050

收稿日期:2024-01-24 修回日期:2024-02-28 接受日期:2024-04-17 出版日期:2024-04-26 发布日期:2024-04-25
通讯作者: 王立冬 E-mail:wangld@lut.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(12262019)

Research progress on characterization methods for forming performance of unidirectional prepregs

Yueqing ZHAO¹, Dezhi LIN¹, Hui CHEN¹, Jiali TANG¹, Lidong WANG²()

^1.Composites Center，Shanghai Aircraft Manufacturing Co. ，Ltd，Shanghai 201324，China
^2.School of Materials Science and Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China

Received:2024-01-24 Revised:2024-02-28 Accepted:2024-04-17 Online:2024-04-26 Published:2024-04-25
Contact: Lidong WANG E-mail:wangld@lut.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(12262019)

摘要/Abstract

摘要：

随着民用飞机复合材料用量日益增加，以及对材料国产化的迫切需求，提高复合材料结构件制造效率、成型质量已成为当今亟待解决的问题。为了避免成型过程中出现褶皱、屈曲、厚度不均等成型缺陷，有必要对预浸料的成型性能进行全面表征，以评估材料的可制造性，并为选材和材料性能改进提供参考，也为有限元仿真模型的建立提供数据。相比于织物预浸料，单向带预浸料在民用飞机复合材料结构件的应用更为广泛，特别是用于对强度有较高要求的主承力结构件的制造。系统综述了国内外关于单向预浸料在压实、面内剪切、层间滑移、弯曲性能等成型性能测试方面取得的研究成果，并对预浸料成型性能测试的发展方向进行了探讨。

关键词: 单向预浸料, 成型, 压实, 面内剪切, 层间滑移, 弯曲, 变形机制

Abstract:

In light of the increasing utilization of composite materials in civil aircraft and the pressing demand for domestic production， enhancing the manufacturing efficiency and forming quality of composite structural components has become a critical issue. To avoid defects such as wrinkles， buckling， and uneven thickness during the preforming process， it is imperative to comprehensively characterize the formability of prepregs. This characterization serves to evaluate the manufacturability of the materials， thereby， providing references for material selection and performance improvement， and furnishing data for the establishment of finite element simulation models. In comparison to woven prepregs， unidirectional prepregs find broader applications in civil aircraft composite structural components， especially for the manufacturing of main load-bearing structural components with high strength requirements. Therefore， characterizing the formability performance of unidirectional prepregs becomes crucial. This paper systematically reviews domestic and international research achievements in the forming performance testing of unidirectional prepregs， especially compression， intra-ply shear， interlaminar slip， and bending properties. Additionally， the paper explores the future directions in the development of preforming performance tests for prepreg.

Key words: unidirectional prepreg, forming, compression, intra-ply shear, interlaminar slip, bending, deformation mechnism

中图分类号:

V258

赵月青, 林德志, 陈汇, 汤家力, 王立冬. 单向预浸料成型性能表征方法研究进展[J]. 航空学报, 2024, 45(22): 30224.

Yueqing ZHAO, Dezhi LIN, Hui CHEN, Jiali TANG, Lidong WANG. Research progress on characterization methods for forming performance of unidirectional prepregs[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(22): 30224.

图/表 35

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92	DU Z Q， ZHOU T X， YAN N， et al. Measurement and characterization of bending stiffness for fabrics［J］. Fibers and Polymers， 2011， 12（1）： 104-110.
93	PEIRCE F T. 26-the “handle” of cloth as a measurable quantity［J］. Journal of the Textile Institute Transactions， 1930， 21（9）： T377-T416.
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102	POPPE C， ROSENKRANZ T， DÖRR D， et al. Comparative experimental and numerical analysis of bending behaviour of dry and low viscous infiltrated woven fabrics［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2019， 124： 105466.
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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

文献	材料	试样尺寸/mm²	加载方式	铺层	测试温度/℃	观察设备	测试设备
Nixon-Pearson等^［22］	IM7/8552，IMA/M21	25×15，50×30	逐渐加载/阶梯式加载	［90/0］₈，［90₄/0₄/90₄/0₄］，［90₂/0₂/90₂/0₂］₂	30~90	Micro-CT	DMA/力学试验机
Belnoue等^［23］	IM7/8552	50×30	恒压	［90/0］₈，［90₄/0₄/90₄/0₄］	固化制度	Micro-CT	力学试验机
Valverde^［24］	CF/PPS， CF/PEEK	25×15，15×15	阶梯式加载	［90/0］_{3 s}，［（90/0）₂/90/0/90（90/0）₂］	260~320‍（PPS）‍，323~383（PEEK）	显微镜	力学试验机
满珈诚等^［25］	CF/Epoxy	150×‍（100，‍150，200）	恒定位移	［0］₅，［0］₁₀，［0］₁₅	25， 80， 120	金相显微镜	力学试验机
李哲夫等^［26］	M40J/MT0928	150×100	恒定位移	［0］₁₀，‍［0］₁₅，‍［0］‍₂₀，［±45］₁₀	75		力学试验机
Sorba等^［27］	IMA/M21	150×150	恒压	［0］₆，［0/90］₆，［30/-30］₆	260	Micro-CT	力学试验机

文献	材料	测试装置	试样尺寸/mm³	加载装置	夹持装置运动类型	夹持方式
Groves和Stocks^［42-43］	Carbon/PEEK	图11 （a）	10×10×？， 15×15×？， 25×25×？	流变仪	旋转	平板-平板
Wheeler和Jones^［44］	Carbon/Golden Syrup	图11 （b）	10×10×0.5	线性振荡器	旋转	平板-平板
Jones和Roberts^［45］	Nylon/Golden Syrup	图11 （b）	39×39×1	线性振荡器	旋转	平板-平板
Haanappel和Akkerman^［46］	AS4 Carbon/PEEK	图11 （c）	60×13×11	流变仪	旋转	组合夹具
Goshawk和Jones^［47］	Nylon/Golden Syrup	图11 （d）	39×39×1.7	拉出装置	平动	平板-平板-平板
Stanley和Mallon^［48］	Nylon/Golden Syrup	图11 （e）	（5~20）×10×11	拉出装置	平动	平板-平板-平板
Dykes等^［49］	Glass/PP	图11 （f）	120×40×4	力学试验机	弯曲	V型弯曲
McGuinness和Óbrádaigh^［50］	Carbon/PEEK	图11 （g）	200×200×？	力学试验机	平动	相框

文献	材料	铺层	温度/℃	速率/ （mm·min^-1）	试样尺寸/mm²	应变测量设备
Potter^［62］	Glass/Carbon/Hexcel ‍913	［±45］	RT	10~180	100×324，‍ 6×364，3×394	CCD 相机 /MAGE PRO
Larberghe Åkermo^［19］	977-2/HTA，‍M21/T700， 8552/AS4	［45/-45］_s	45~90	5~100	250×50	DIC/Aramis
Larberg等^［40］	T700/M21， ‍HTS/977-2	［45/-45］‍_s，［45/-45/90］‍_s，［45/90/-45］_s	70~85	40	250×50	DIC/Aramis
陈萍等^［59］	CYCOM X850	［45/-45］‍_s，［45/-45/90］‍_s，［45/90/-45］_s	40~100	5~80	200×60
Wang等^［63］	IM7/8552， IMA/M21	［10］₃，［10］₄，［10］₅	25~75	0.001~0.100 ‍s^-1（应变速率）	207×23	DIC
Zhao等^［64］	CYCOM X850	［45/-45］_s	RT~100	5~100	200×60	CCD 相机/ImageJ
Liu等^［65］	T-700/MTC510	［45/-45］	23，‍50，‍80	2， 10， 20	260×40	DIC

文献	材料	加载方式	加热方式	速率/ （mm·min^-1）	温度/℃	压力/MPa	接触面尺寸/mm²
陈洁等^［68］	CYCOM X850（UD）	弹簧	硅橡胶加热片	1	30~80	0.100~0.600	100×35
Grewal和Hojjati^［72］	CYCOM 5320 （UD&Fabic）	弹簧	加热片	12~120	50~90	0.050~0.100	140×76
Larberg和Åkermo^［75］	977-2/M21/ 8552（UD）	气缸	环境箱加热	0.05~1.00	45~85	0.053~0.100	100×90
Erland等^［76］	AS4/8552（UD）	气缸	环境箱加热	0.01~0.15	40~100	0.025~0.100	50×50
Wang等^［77］	CYCOM X850（UD）	弹簧	环境箱加热	0.2~5.0	60~90	0.002~0.004	105×80
Zhao等^［78］	CYCOM X850（UD）	气缸	加热片	0.05~5.00	40~100	0.050~0.200	40×40
Li等^［79］	IMA/M21（UD）	气缸	加热片	0.1~1.0	25~1 000	0.01~0.10	100×100
Pierik等^［80］	Cetex TC1200（UD），TC1225（UD）	气动装置		1~200	345~400	0.005~0.135	50×50

文献	材料	测试装置	试样尺寸/mm³	速率	温度/℃
Sachs和Akkerman^［95］	Carbon/ PA6 （UD）	KES-FB2+流变仪	（25~35）×25×？	0.6~ 60.0 （°）·s^-1	240~280
Liang等^［91］	Carbon/PEEK， Carbon/ PPS （Fabric）	悬臂梁	300×50×0.319，300×50×0.310	准静态	25~400
Dangora等^［96-97］	Polyethylene/ TPU （UD）	悬臂梁	250×25×0.592	准静态	80~120
Margossian等^［21］	Carbon/ PA6 （UD）	DMA（三点弯）	20（50）×15×1（2）	准静态	200~160
Wang等^［90］	Carbon/Epoxy（M2， UD）	屈曲	1 000×50×0.9	4.4~300 mm/min	RT~150

单向预浸料成型性能表征方法研究进展

Research progress on characterization methods for forming performance of unidirectional prepregs

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