摘要：文章提出了一种基于逐层固化 (Layer by Layer；LbL) 的热固性复合材料制造策略。该工艺以逐层方式操作，将预浸料层放置在热压机中，在压实的同时进行部分固化，然后加载下一层预浸料层并重复该循环，直到部件完成。结果表明，对于厚部件，固化时间可以减半。
摘要： 文章提出了一种基于逐层固化 (Layer by Layer；LbL) 的热固性复合材料制造策略。该工艺以逐层方式操作，将预浸料层放置在热压机中，在压实的同时进行部分固化，然后加载下一层预浸料层并重复该循环，直到部件完成。结果表明，对于厚部件，固化时间可以减半。力学测试表明，对于放置层的预固化程度低于凝胶化固化程度，层间性能与常规制造材料的性能相当。LbL 工艺试验表明，在线测量的温度和压实程度与模拟预测相符，而生产材料的质量与常规生产的复合材料相当。
一、引言
复合材料因其轻质高强的特性在航空航天、汽车等领域应用广泛。然而，传统复合材料制造流程存在效率低下的问题，特别是对于厚壁部件。这是因为放置、压实和固化步骤通常分离进行，导致材料响应缓慢、固化时间长，并且难以控制厚壁部件的固化温度分布。为了提高制造效率，研究人员尝试将放置、压实和固化步骤结合为一个“逐层” (Layer-by-Layer, LbL) 过程。然而，LbL 过程面临着界面性能匹配的挑战，即如何确保逐层固化后材料层之间的粘附性与常规制造材料相当。
近日，《Composites Part A》期刊发表了一篇由英国布里斯托大学复合材料研究所和克莱菲尔德大学复合材料与先进材料中心的研究团队完成的有关基于逐层固化的厚壁复合材料制造策略的研究成果。该研究提出了一种基于逐层固化方法的厚复合材料制造策略，通过仿真和实验验证了该策略在缩短固化时间、降低温度过冲和提高制造效率方面的优势，为厚复合材料制造提供了新的思路。论文标题为“Manufacturing thick laminates using a layer by layer curing approach”。
二、研究内容
该研究综合运用实验和模拟方法，深入探究了基于逐层固化的复合材料制造工艺。实验方面，使用玻璃纤维增强的913环氧树脂预浸料制造了复合材料试样，并进行了力学性能测试，包括层间剪切强度 (ILSS) 和模式 I 双悬臂梁测试，以评估层间性能。
此外，该研究还使用Fontijne Grotnes LabPro 1000双柱压机制造了具有部分预固化界面的试样，并对其进行了力学性能测试，以确定预固化程度对层间性能的影响。该研究还使用Instron伺服液压8801万能试验机装备加热板进行了LbL工艺试验，并监测温度和压实情况，以验证LbL工艺的可行性和可靠性。
图1 LbL工艺概念。
模拟方面，该研究分别建立了1D压实模型和1D能量平衡模型，用以模拟材料的压实和固化行为。这两个模型考虑了渗透流、剪切流、热传递和反应放热等因素。将这两个模型耦合，建立了LbL工艺的模拟模型，并模拟了不同工艺参数下的LbL工艺过程，以评估LbL工艺的效率和可行性。
图2 用于生产部分预固化界面试样的程序。
此外，该研究还采用差示扫描量热法 (DSC) 测定了预浸料的固化动力学参数，并使用扫描电子显微镜 (SEM) 和光学显微镜分析了材料的微观结构。这些分析旨在评估LbL工艺对材料微观结构的影响，并验证LbL工艺制备的材料的质量。
图3 LbL工艺的产品及其与传统固化的比较。
研究结果表明，LbL工艺是一种高效的复合材料制造方法，能够有效地制造厚和超厚复合材料层压板，其质量与传统加工方法相当。此外，研究还发现预固化程度对层间性能有显著影响，当预固化程度低于凝胶化程度时，层间性能与传统材料相当。这表明LbL工艺可以在保证材料性能的前提下，通过控制预固化程度来优化工艺参数，提高加工效率。
图4 LbL工艺试验：（a）中层压板的温度；（b） 厚度演变。
此外，LbL工艺还具有显著的效率优势，可将固化时间缩短一半，同时将温度过冲降低75%。这为制造大型和复杂结构的复合材料提供了新的可能性。LbL工艺的应用潜力巨大，可应用于自动化纤维铺放（AFP）、自动化带材铺放（ATL）和纤维缠绕（FW）等工艺，以提高效率和可行性，并推动复合材料制造业的可持续发展。
图5（a） 在40mm玻璃/环氧预浸料的常规固化中设定可行的过冲固化时间，并与LbL进行比较。
三、小结
该研究提出了一种基于 LbL 固化的厚壁复合材料制造策略，并通过模拟和实验验证了其可行性和效率。该研究结果表明，LbL 过程可以实现与常规制造材料相当的界面性能，并显著缩短固化时间，降低温度过冲。LbL 过程具有广阔的应用前景，可以应用于自动纤维铺放 (AFP)、自动带材铺放 (ATL) 和缠绕等工艺，有望提高复合材料制造的效率和灵活性。
原始文献：
Sun, X., Cook, L., Belnoue, J. P. H., Tifkitsis, K. I., Kratz, J., & Skordos, A. A. (2024). Manufacturing thick laminates using a layer by layer curing approach. Composites Part A, 187, 108489.
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责任编辑：复小可
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来源：伟泽教育
