热塑性预浸带成型加热热源研究

李东阳，宋丽芸，杜娟，李云杰，刘国豪，潘腾，穆承广

（1.国家管网集团北方管道有限责任公司管道科技研究中心；2.廊坊市科发管道技术服务有限公司，河北 廊坊 065000）

热缠绕技术是制备高性能复合材料的重要成型工艺，尤其在耐腐蚀容器、耐腐蚀管道成型方面具有无可替代的优势。热塑性预浸带一般为纤维增强树脂基复合材料，由于其具有极好的抗冲击性、比强度，极长的贮存期以及低吸湿性，在热缠绕成型技术中应用越来越广泛。常用的热塑性预浸带成型温度在350℃以上，远远高于热固性材料。热塑性预浸料缠绕过程中关键要实现预浸料的定型加热，加热历程将显著影响层间黏结性能，加热热源已成为缠绕成型过程中的关键环节之一。因此，对热塑性预浸带成型时的加热热源进行研究具有重要意义。目前，在热源方面，国内外较先进的主要有热辐射、LED、热冲击、激光、红外等几种方式。

1 热辐射热源

热辐射是一种清洁、灵活、高效的手段，可提供能量实现复合材料的固化。热辐射涉及的以下方面均影响固化效果：表面或体积辐射热通量；辐射源发射功率水平和效率；复合材料的辐射发射；放热的化学能释放；辐射的入射角；以及复合材料内部的独立散射和相关散射。Chern通过表面或体积辐射加热在线处理单向纤维复合材料的详细热模型，给出了对应于单向的绕圈圆柱体物理几何形状以及施加的热和辐射边界条件，得出了石墨/环氧树脂和玻璃/环氧树脂圆柱体的温度和固化程度的数值结果。

2 LED热源

LED热源具有节能、环保两大优势，作为新一代绿色热源正逐步取代传统热源。Orth T开发并分析了一种新的基于LED的加热单元，分析了LED的辐射能量输出。通过调整加热单元上多个LED阵列的电输入、辐照度，可以控制基材表面的分布从而调整表面温度分布，并开发了二维和三维的热模型。LED热源示意图见图1。

图1 LED热源示意图

3 热冲击热源

热冲击热源通过遵循第一原理，对于法向和斜向碰撞的实验可用对流传热相关性来研究，并能够适应该过程所特有的几何形状。影响复合材料固化的参数包括割炬入射角、割炬出口直径、割炬到目标的距离、热气体温度、气体速度、线速度和丝束基材中的层数。Guan X等人提出了一种冲击传热分析，用于热塑性基质复合材料丝束放置过程中热气炬的加热，其研究表明，根据最佳结晶度水平，可确定各种气体温度和线速度加工窗口。热冲击热源示意图见图2。

图2 热冲击热源示意图

4 激光热源

激光加热具有能量密度高、温度控制精准、响应速度快、加工速度快等优点，但是，其设备昂贵，使用成本高昂。零件的质量取决于加工过程中的温度分布以及层压板的热历史，激光功率和放置速度是最大的影响参数，可以显著改善复杂形状零件的制造质量。Grouve W研究了热塑性复合材料的激光辅助自动胶带贴合（LATP）原位固结，具有比常规加工方法更高效，更精确的特点。在激光主要对准胶带的情况下，在高速和低输入功率下可以获得出色的黏合质量。新的工业化生产需要基于模型的全局控制方法，虚拟流程模型有助于快速适应各种产品要求，减少生产的浪费，提高系统的产量和产品的可靠性。所有这些目标都需要一个高效的热模型，可捕获产品范围内的温度分布。Kollmannsberger A开发并验证了激光辅助的自动热塑性纤维放置过程的热力学模型。激光束的照射和反射直接影响固结过程中的热通量和温度分布，因此，对激光光学器件进行描述和理解，可以提高黏结质量。激光加热示意图见图3。

图3 激光热源示意图

另外，激光辅助的胶带缠绕工艺可以为自动化生产提供一种有效的自动化解决方案，尤其在石油和天然气行业的管道制造行业。但是，为了保证可靠和高质量的过程结果，必须理解并考虑层压板内连续缠绕层之间固结温度的分布，并将其考虑到流程设计中。激光辅助的胶带缠绕工艺示意图见图4。

图4 激光辅助的胶带缠绕工艺示意图

5 红外热源

红外加热是一种低成本、有效的加热方式，适用于连续碳纤维增强耐高温热塑性复合材料的缠绕成型。对于碳基复合材料而言，红外线能量几乎能被完全吸收。单毫等用使用自主设计的热塑性复合材料红外加热缠绕成型机制备出了层间剪切性能良好的缠绕制品，研究发现，影响红外加热缠绕效果的工艺参数主要有成型温度、预热时间、送料张力、芯模转速等，这可为今后红外热源的研究和应用提供参考（图5）。

图5 红外热源示意图

6 结语

综上所述，加热热源作为影响热塑性预浸带缠绕成型质量的关键环节，已引起学者越来越多的关注。通过对不同加热热源特点及影响参数进行对比分析，可发现国内外常用的几种热源各有优势：热辐射热源清洁、灵活、高效；LED热源节能、环保；激光加热能量密度高、温度控制精准、加工速度快；红外加热成本低、高效。相信随着对热塑性预浸带加热热源研究的持续开展，热缠绕成型工艺将得到进一步的发展和提升。