关键词：自动纤维铺放；（CF/PEEK）热塑性复合材料；三维热传递模型；工艺优化
引言
在航空航天、高端装备制造等领域，高性能复合材料的需求日益增长。其中，碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEEK）热塑性复合材料凭借其优异的力学性能、耐高温性和可回收性，成为新一代轻量化结构材料的首选。然而，如何高效、精准地制造高质量CF/PEEK部件，一直是行业面临的挑战。
自动纤维铺放（Automated Fiber Placement, AFP）技术因其高精度、高效率的特点，成为制造复杂曲面复合材料结构的关键工艺。然而，CF/PEEK的高熔点和黏度使得其在AFP过程中容易因温度控制不当而导致层间结合不良、残余应力等问题，影响最终产品的性能。
近期，哈尔滨工业大学与新加坡南洋理工大学的研究团队在《Chinese Journal of Aeronautics》发表了一项重要研究，通过建立三维热传递有限元模型，优化了CF/PEEK在AFP工艺中的加热温度控制策略，为行业提供了新的解决方案。
研究背景：CF/PEEK与AFP技术的挑战
1. CF/PEEK材料的优势与加工难点
CF/PEEK是一种高性能热塑性复合材料，具有以下特点：
- 高强度、高韧性：比传统金属材料更轻，同时具备优异的力学性能。
- 耐高温：PEEK的熔点为343°C，可在高温环境下长期使用。
- 可回收性：热塑性材料可重复加工，符合可持续发展趋势。
然而，CF/PEEK的高熔点和熔融黏度使其在AFP工艺中面临挑战：
- 快速加热与冷却：AFP过程中，材料需在极短时间内达到熔融温度并完成层间结合，否则易导致结晶度不足、孔隙率增加等问题。
- 温度分布不均：不均匀的加热会导致残余应力，影响部件的尺寸稳定性和力学性能。
2. 自动纤维铺放（AFP）的关键问题
AFP技术通过机器人自动铺放预浸料带，并结合热源（如热风枪、激光）进行原位固结。目前，AFP加热方式主要包括：
- 热风枪（Hot Gas Torch, HGT）：成本低、适用性广，但热效率较低。
- 激光加热：能量集中、加热速度快，但存在安全风险，且不适用于玻璃纤维增强材料。
在CF/PEEK的AFP成型中，狭缝结构喷嘴热风枪（SSNHGT）因其温度分布更均匀，成为研究热点。然而，如何精确控制加热参数（如气体流速、传热距离、铺放速度），仍是亟待解决的问题。
研究突破：三维热传递模型与工艺优化
1. 建立三维热传递有限元模型
研究团队采用计算流体力学（CFD）方法，构建了SSNHGT加热CF/PEEK的三维热传递模型，重点考察了以下因素对温度场的影响：
- 气体流速（30–110 L/min）
- 传热距离（15–25 mm）
- 铺放速度（6–15 mm/s）
通过正交实验和模糊灰色关联分析，量化了各参数对加热温度的影响程度。
图1 多面体网格形态[1]
2. 关键发现
（1）气体流速的影响
- 温度随流速增加呈先升后降趋势，50–70 L/min时加热效果最佳。
- 流速过低时，热风能量不足；流速过高时，气流过快导致热量散失。
图2 气体流速的影响[1]
（2）传热距离的影响
- 距离增大，整体温度下降，但远离铺放点的区域温度可能升高。
- 17–23 mm是较优的传热距离范围。
图3 传热距离的影响[1]
（3）铺放速度的影响
- 速度越快，材料受热时间越短，温度越低。
- 最大铺放速度不宜超过15 mm/s，否则材料无法充分熔融。
3. 最优工艺参数组合
通过分析，团队推荐以下参数：
- 气体流速：50 L/min
- 传热距离：17 mm
- 铺放速度：10 mm/s
在此条件下，CF/PEEK在接触点温度可达394°C，接近其熔点（343°C），确保了良好的层间结合。
图4 工艺参数仿真与试验对比[1]
行业应用与未来展望
1. 实际应用价值
- 提升生产效率：优化参数可加快铺放速度，同时保证质量。
- 降低成本：减少试错和废品率，推动CF/PEEK在航空结构的规模化应用。
- 扩展材料适用范围：该模型可推广至其他热塑性复合材料（如CF/PA、CF/PPS）的AFP成型。
2. 未来研究方向
- 动态温度控制算法：结合实时监测技术，实现更精准的温控。
- 新型喷嘴设计：优化气流分布，进一步提升加热均匀性。
- 多物理场耦合仿真：结合力学分析，预测成型后的残余应力与变形。
结语
这项研究不仅为CF/PEEK复合材料的AFP制造提供了科学依据，也为航空航天、汽车等高端领域的热塑性复合材料应用开辟了新路径。未来，随着智能控制技术的进步，AFP工艺有望在复杂曲面部件制造中发挥更大作用，推动轻量化材料的革新。
参考文献：
[1]Jin Z, et al. (2024). Temperature field characteristics of CF/PEEK thermoplastic composites formed by automated fiber placement using hot gas torch with slit structure nozzle. Chinese Journal of Aeronautics, 37(6), 392-409.
