【论文推送】南京航空航天大学|Compos. Part A:270°C 高压成形中,FBG 如何实时＂看见＂界面从黏着到滑动的全过程?

🧾 Investigation of tool-part interaction in thermoplastic composite press consolidation using embedded fiber Bragg grating

👤 Y. Liu；Q. Wu；S. Duan；G. Zhao；K. Xiong

🏫 南京航空航天大学

📘 Compos. Part A

📅 2026，206，109778

🔗 https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2026.109778

🌊 研究背景

✈️ 连续纤维增强热塑性复合材料（FRTP）以其高韧性、可回收性与优异的耐湿热性能，正加速渗透航空航天与汽车结构件领域。热压固结（press consolidation）是 FRTP 成形的主流工艺，但成形后不可避免产生的残余应力与翘曲变形，始终是制约构件精度与可靠性的核心难题。

🔩 残余应力的来源主要有两类：材料本身的各向异性热收缩，以及金属模具与 FRTP 零件之间热膨胀系数（CTE）不匹配所引发的界面剪切应力——即"工模件相互作用"（tool-part interaction）。后者在冷却阶段尤为关键，直接决定了界面应力的积累与释放方式。

🛠️ 实际生产中，脱模剂、铝膜（Al film）和聚酰亚胺膜（PI film）是三种常用的界面材料，但它们对工模件相互作用机制的具体影响，此前从未在实验层面得到系统量化。更根本的问题在于：既有研究通常将整个工艺过程中的界面状态简化为恒定黏着或恒定滑动摩擦，无法反映界面状态的真实动态演变。

📌 本研究将光纤布拉格光栅（FBG）阵列直接嵌入 CF/PEI 热塑性复合材料层合板底层，在 270 °C、2 MPa 的真实热压固结条件下，实时捕捉三种不同界面条件下工模件相互作用诱发的残余应变，首次在结构级别实现了对黏着—滑动转变过程的原位定量表征。

🧪 实验设计

🧱 材料体系

FRTP 预浸料为 Cetex® TC1000 PEI AS4（TORAY），铺层为 [0]₈，尺寸 210×210×1.08 mm³，纤维体积分数 59%，PEI 玻璃化转变温度 210 °C。金属工装为 304 不锈钢（220×220 mm²）。三种界面材料分别为：脱模剂（Frekote 770-NC，喷涂 5 次）、0.2 mm 铝膜（Al film）和 0.05 mm 聚酰亚胺膜（PI film）。

实验确认，无论使用哪种界面材料，FRTP 均不与金属工装直接黏连；但 Al 膜和 PI 膜均与 FRTP 发生黏连，因此真正发生工模件相互作用的界面分别为：FRTP—脱模剂—工装、Al 膜—工装、PI 膜—工装。

🔬 传感器布置与信号解耦

PI 涂层 FBG 光栅长度 0.5 mm，外径 155 μm，嵌入层合板第一铺层正下方。FBG 1–4 沿纤维方向（纵向）排列，间距 30 mm，FBG 1 距边缘 15 mm；FBG 5–6 横向排列，间距 30 mm。所有传感器以 1 Hz 采样频率实时采集应变与温度数据。

针对 270 °C 高温下 FRTP 热膨胀系数的非线性特性，研究通过无压力冷却实验对 FBG 的温度基线进行三次多项式标定（R² > 0.999），实现了工模件相互作用诱发应变与热收缩应变的精确解耦。

热压工艺参数：升温至 270 °C → 保温 60 min（2 MPa）→ 自然冷却（保持压力）。

FBG 传感器布置正视图与截面示意图

📊 主要结果

1️⃣ 工模件相互作用具有强烈各向异性：横向方向始终未发生黏着—滑动转变

FBG 5–6 的横向应变在整个冷却阶段持续单调增大，三种界面条件下均无明显波动，说明横向方向始终处于黏着状态，未发生脱黏转变。

这一现象的根源在于两个因素的叠加：横向 FRTP 模量约为纵向的 1/15，同时横向方向的 CTE 失配量也小于纵向。二者相乘后，横向界面剪切应力始终低于静摩擦临界值，因此无法触发滑动。纵向方向则恰好相反，更大的 CTE 失配与更高的模量，使界面剪切应力足以超越静摩擦极限，进而引发脱黏与后续的多种滑动行为。

2️⃣ 三种界面材料在冷却阶段呈现截然不同的行为特征

所有纵向传感器（FBG 1–4）在冷却初期均呈现统一的黏着状态：应变以约 15.1 με/°C 的速率线性下降，脱黏时机集中在 165 °C——这说明三种界面在静摩擦阶段的"界面强度"基本相当，均受高模量不锈钢工装表面形貌主导。

差异在脱黏之后才真正分化：

🟢 脱模剂界面：脱黏瞬间出现明显应变突变（由边缘至中部分别为 100–1353 με），脱黏后应变基本稳定，滑动摩擦系数最低（μ = 0.53）。脱模剂形成光滑薄膜，大幅降低了界面粗糙度与摩擦阻力。

🟡 铝膜界面：脱黏信号微弱（47–244 με），因为 Al 膜从工装脱离后仍牢固黏连在 FRTP 上，其 CTE（约 23×10⁻⁶/°C）远高于 FRTP 纵向 CTE，导致脱黏后应变持续下降约 190 με，滑动摩擦系数最高（μ = 0.84）。

🔴 PI 膜界面：脱黏后出现持续的锯齿形周期性黏滑（stick-slip）振荡——这是工模件相互作用领域迄今未见报道的新现象。黏滑幅度从边缘向中部增大，且中部发生黏滑时外侧位置同步响应。PI 膜低弹性模量（约 4 GPa）带来的低界面刚度，是触发"高能量—长周期—大幅值"黏滑响应的关键因素；μ = 0.73。

纵向与横向方向三种界面条件下应变-温度曲线对比

3️⃣ 界面相互作用具有明显的空间依赖性，脱黏从边缘向中部扩展

以脱模剂界面为例，FBG 1–4 的应变突变分别发生在 200.5、232.8、280.5、301.7 min，清楚地呈现出从层合板边缘向中心依次脱黏的传播过程。应变突变幅度同样从边缘（100 με）到中部（1353 με）单调增大，与 Coulomb 摩擦理论预测的界面剪切应力空间分布规律高度吻合（R² = 0.97）。

PI 膜界面的黏滑幅度与黏滑次数分别通过线性拟合（R² = 0.91）和双曲余弦模型（R² = 0.98）完整描述，进一步验证了黏滑行为受界面内部剪切应力的空间积累与分布规律控制。

PI 膜界面 FBG 1–6 应变演变曲线及黏滑细节放大图

4️⃣ FBG 原位表征与专用摩擦测试结果高度吻合，偏差 < 10%

利用 Rtec Instruments MFT-5000 在 150 °C、2 MPa 条件下对三种界面材料进行了专项摩擦测试（按 ASTM G133）。摩擦系数测试结果分别为：脱模剂 0.58、Al 膜 0.93、PI 膜 0.80，与 FBG 原位推算值（0.53、0.84、0.73）的相对偏差均在 10% 以内，证明 FBG 嵌入监测方法在结构级原位表征界面摩擦参数方面具有可靠的工程精度。

滑动摩擦阶段各界面应变-坐标线性拟合及摩擦系数汇总

🧠 机理解析

本文揭示的工模件相互作用，本质是冷却过程中 CTE 失配驱动的界面剪切应力积累，与界面材料刚度、摩擦特性共同决定了三种截然不同的响应路径：

CTE 失配 → 界面剪切应力积累 → 超过静摩擦临界值时触发脱黏 → 脱黏后界面进入不同滑动模式

脱模剂路径：界面光滑、刚度高，脱黏应力瞬间释放，此后维持低阻力稳定滑动；

铝膜路径：Al 膜与 FRTP 黏连，高 CTE 铝膜持续向 FRTP 施加压缩应变，形成"脱工装但仍拉拽零件"的独特力学状态；

PI 膜路径：PI 膜低模量带来的低界面刚度，使系统无法快速消耗剪切应变能——应变能缓慢积累至黏着临界值，随即滑动释放，再重新积累，形成持续的周期性黏滑循环。

横向方向始终未见上述任何转变，直接印证了各向异性 FRTP 材料中 CTE 失配与模量的乘积效应是主控因素——而非单独的 CTE 或单独的模量。

🧾 全文总结

🔹 首次在热塑性复合材料热压固结的结构级别实现了工模件相互作用的原位 FBG 定量监测，成功解耦了热收缩应变与界面相互作用应变。

🔹 冷却阶段工模件相互作用呈显著各向异性：纵向方向历经黏着→过渡→滑动三阶段演变，横向方向全程维持黏着状态。

🔹 三种界面材料的行为特征差异显著：脱模剂界面脱黏急促、滑动阻力最低；Al 膜界面持续收缩；PI 膜界面出现周期性黏滑（工模件相互作用领域首次报道）。

🔹 FBG 原位推算的界面摩擦系数与专用摩擦测试结果偏差 < 10%，验证了方法的工程精度与可推广性。

✅ 亮点与启示

✅ FBG 阵列嵌入方案突破了传统应变片无法耐受高温高压成形环境的限制（CF/PEI 工艺需 270 °C + 2 MPa），为热塑性复合材料成形过程监测提供了可落地的传感技术方案。

✅ 本研究首次在工模件相互作用领域报道了 PI 膜引发的黏滑现象，并建立了基于 Coulomb 摩擦理论的定量描述模型，为该现象的机理理解和工程规避提供了基础。

✅ "横向无转变、纵向有转变"的各向异性结论，提示复合材料翘曲预测模型不应对两个方向采用相同的界面边界条件——这对现有有限元仿真的改进具有直接指导意义。

✅ 界面材料的选择对残余应力的积累方式有根本影响：追求低变形量应优先考虑低摩擦脱模剂，避免选用高 CTE 金属膜；对于复杂曲面工装，PI 膜的黏滑特性需在设计阶段提前纳入考量。

✅ FBG 监测推算摩擦系数与专用摩擦测试结果的高度一致性，说明该方法具备替代传统离线摩擦测试的潜力，可直接服务于工艺窗口优化与寿命预测。

🏷️ 关键词

热塑性复合材料｜工模件相互作用｜光纤布拉格光栅｜热压固结｜残余应变｜黏着-滑动转变｜黏滑现象｜摩擦系数｜CF/PEI｜过程监测｜界面摩擦｜Tribology｜Fretting｜摩擦系数

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