连续碳纤维增强热塑性复合材料激光原位成型工艺研究.pdf

摘要

碳纤维增强聚酮(CF/PEEK)热塑性复合材料是耐高温热塑性复合材料的典型

代表，可在高温、冷热交变、湿热环境及空间条件下长期使用，在空天装备和交通

运输等领域有着广泛应用。激光原位成型技术属于复合材料领域的增材制造技术，

具有瞬间高温、加热区域精准可控和铺层间温差大等特点，满足新一代航天运载器

对固体发动机壳体耐高温、高抗损伤容限及快速绿色制造技术发展的需求。通过对

CF/PEEK复合材料激光原位成型工艺进行研究，对我国在航空航天领域的技术提升

具有重要意义。

论文对CF/PEEK复合材料激光原位成型的主要工艺参数进行研究，探索工艺对

构件质量的影响规律，并对工艺参数进行优化，以制备高性能的CF/PEEK复合材料

构件。主要研究内容如下：

分析了CF/PEEK复合材料激光原位成型存在CF/PEEK吸光转换成热、热致温

度升高（温度场）、PEEK熔化（相场）、压辊辊压（压力场）、PEEK冷却结晶凝固

（应力场-相场）等物理过程。构建了激光原位成型热传导与相场模型，仿真了激光

原位成型的三维多物理场，掌握了温度场、相场和应力场的时空分布特征，揭示了

不同激光功率密度和铺放速度下温度场和相场的演变规律，为激光原位成型工艺研

究提供理论参考。

提出一种宏观-微观尺度的温度场和应力场建模分析方法。通过建立宏观热力耦

合模型，仿真了温度场和应力场分布特性；同时，建立微观代表性体积单元（RVE）

模型，根据宏观模型的温度场计算微观RVE模型的应力分布，揭示微观时碳纤维、

基体和厚度方向不同位置的微观应力演变规律。

搭建激光原位成型工艺平台，分析铺放时压辊的受力情况，仿真不同压力下的

应力分布特征，为铺放压力的确定提供依据。分析激光原位成型工艺对CF/PEEK构

件成型质量的影响，提高构件的力学性能。建立激光原位成型工艺方法，设计单因

素实验，以构件的层间剪切强度（ILSS）、孔隙率和微观形貌表征成型质量，揭示了

铺放速度、铺放压力和激光加热温度对构件层间剪切强度和孔隙率的影响规律。通

过多因素实验对激光原位成型工艺参数进行优化，获得工艺参数范围内的最优工艺

参数组合。

关键词：激光原位成型；碳纤维增强聚酮复合材料；多物理场耦合；工艺参数；

层间剪切强度；孔隙率

I

目录

摘要I

ABSTRACTII

第1章绪论1

1.1研究背景1

1.2研究的目的与意义2

1.3国内外相关研究现状2

1.3.1碳纤维自动铺放技术研究现状2

1.3.2自动铺放过程中基础理论研究现状4

1.3.3碳纤维复合材料自动铺放工艺研究现状6

1.4论文的主要研究内容7

第2章CF/PEEK激光原位成型过程多物理场仿真9

2.1激光原位成型过程的物理场9

2.2激光原位成型数学模型10

2.2.1热传导数学模型10

2.2.2相场模型12

2.2.3铺放成型过程的运动等效13

2.3有限元模型的建模和求解13

2.3.1有限元几何建模13

2.3.2材料参数的确定14

2.3.3多物理场耦合仿真15

2.4激光原位成型各物理场特征结果与分析16

2.4.1温度场分析16

2.4.2相场分析18

2.4.3应力场分析20

2.5本章小节20

第3章激光原位成型残余应力演变规律的多尺度分析22

3.1多尺度建模框架和理论22

3.2宏观热力耦合数学模型22