輕質Cf/Mg復合材料構件預制體制備與試驗研究

衛新亮，齊樂華，房 鑫，張麗丹，周計明

(西北工業大學機電學院，西安710072)

0 引言

隨著空間技術的發展，各類飛行器對其構件的減重需求越來越高，單一的合金材料已經難以滿足需要。碳纖維增強鎂基復合材料(Cf/Mg)因其輕質、高比強度、高比模量及良好的尺寸穩定性在航空航天等對減重要求苛刻的高技術領域具有廣泛應用前景［1－3］，主要用于制造大型輕質構件，如空間反射鏡的支撐結構［4］、人造衛星拋物面天線骨架［5］、航天站的安裝板［6］等。在Cf/Mg復合材料的應用研究過程中，其制造成本過高的問題亦顯得愈發突出，特別是對于復雜Cf/Mg復合材料構件而言，預制體的制備成本一般會占到復合材料構件總成本的25%左右［1］，嚴重限制了Cf/Mg復合材料構件的廣泛應用。

碳纖維預制體的制備技術主要包括碳纖維鋪放、纏繞、縫合和編織［7］。鋪放是將碳纖維預浸帶鋪放在芯模表面，加熱軟化預浸帶同時壓實形成預制體，常用于制備風扇機匣和運載火箭的結構件，但需要昂貴的配套設施支持［7］。纏繞是將連續碳纖維按照一定規律纏繞在芯模上制備預制體的方法，常用于制備導彈發動機殼體，但此工藝加工周期長，工序繁雜，很難用于曲面的加工［8］。縫合與鋪放、纏繞工藝相結合，可制備曲面形狀的預制體，已在機翼和機身蒙皮上得到應用［9］。編織是通過碳纖維束的經緯交錯織造而成整體織物，由于其制作效率較低，生產周期長，因此成本較高［6］。另一方面，當碳纖維受到與纖維軸向成斜角的剪切力時，性能會下降。因此，單一制備技術很難有效避免復雜預制體制備過程中出現的“打結”與“轉彎”等問題，從而造成碳纖維的損傷。如何在滿足使用要求的前提下有效降低制備成本，成為Cf/Mg復合材料廣泛應用的瓶頸問題。

本文提出了“依模鋪覆—纏繞定型—局部縫合—編織加固”Cf/Mg復合材料構件預制體低成本制備新方法及其相應的成型裝置，通過理論與試驗研究，制備了滿足要求的變截面筒形碳纖維預制體及其復合材料構件，為Cf/Mg復合材料在空間技術領域的應用奠定了基礎。

1 碳纖維預制體制備裝置設計

所需制備的變截面筒形預制體結構特征如圖1所示。

圖1 構件形狀特征Fig.1 Shape characteristics of component

該構件具有內翻法蘭、外翻法蘭及變截面等多種結構特征，采用單一的纖維預制體制備技術難以實現成型，考慮到變截面筒形構件特征及應用真空吸滲擠壓工藝制備復合材料構件，制備方式首先選擇纖維鋪放和環向纏繞進行層合式織物堆疊，再利用縫合實現二維預制體厚度方向的增強，最后通過編織增強預制體的整體強度。為達到既保證質量又降低成本的目的，上述制備過程需在同一裝置上來實現，并能對影響預制體成形質量的工藝參數進行實時控制。依據該設計思路，本文設計的Cf/Mg復合材料構件預制體制備裝置如圖2所示。

該裝置由纏繞機構、鋪放機構、編織機構和輔助機構組成。纏繞機構用于預制體環向性能加強，實現碳纖維束均勻、連續的軸向進給，既不重疊又不留縫。鋪放機構用于預制體整體定型，織物逐層堆疊直至達到規定厚度，并進行厚度方向的增強。編織機構用于奇偶碳纖維束間交替產生高度差，簡化編織工藝過程。輔助機構由給絲口和負載裝置組成，給絲口用于向碳纖維束傳遞軸向進給，負載裝置用于向碳纖維帶和碳纖維束提供不等的纏繞張力。

圖2 成型裝置Fig.2 Fabrication device

1. 1 纏繞機構

纏繞機構由纏繞模、鑲塊、推桿、齒輪組、絲杠和連桿組成。纏繞模內部加工4條滑槽及定位槽;鑲塊安裝于纏繞模內部的滑槽上;頂部安插等間距定位桿，用來防止碳纖維束在錐面纏繞過程中的絲線滑落，實現定型;四棱錐推桿與鑲塊組底面斜度相等，通過調節軸向進給量控制定位桿高度。齒輪組中的主動輪安裝在右軸端上，從動輪固定在絲杠上，中部與連桿間隙配合，絲桿與連桿共同約束給絲口的運動軌跡。通過齒輪傳動實現碳纖維束軸向定量進給。

1. 2 鋪放機構

鋪放機構的主體是纏繞模，其形狀由預制體結構決定，通過織物在纏繞模上層合式堆疊實現預制體整體定型，將碳纖維縫線穿過纏繞模筒壁的開口槽完成層合織物厚度方向的縫合增強。

1. 3 編織機構

編織機構由凸輪、滑道、上綜桿、下綜桿、上滑塊、下滑塊和固定環組成。凸輪安裝在右軸端上，其圓周面上有兩條周期為4的正弦滑道，位置相差T/2;綜桿共有8組，每組包括一根上綜桿，負責控制奇數根碳纖維束運動，一根下綜桿，負責控制偶數根碳纖維束運動;滑塊共有8組，每組包括一個上滑塊，一個下滑塊，上綜桿與上滑塊固定，下綜桿與下滑塊固定，固定環安裝在底板上，其表面的8個立柱與下滑塊的孔間隙配合。預制體制備過程中，凸輪隨右軸端一起轉動，固定環上的立柱對下滑塊起到約束作用，迫使上下綜桿沿軸向運動，產生奇偶碳纖維交替高度差，實現編織過程。

2 碳纖維預制體制備方法

本文針對變截面筒形構件的結構特征，綜合利用纖維鋪放、纏繞、縫合和編織等基本方法的工藝優勢，提出了以“依模鋪覆—纏繞定型—局部縫合—編織加固”為思路的Cf/Mg復合材料構件預制體制備方法。

2. 1 鋪層設計

考慮到單向碳纖維增強復合材料順纖維方向和垂直纖維方向的性能各向異性而造成使用中安全性不足，采用正交鋪層的碳纖維排布形式來保證構件的整體強度［10］，首先剪裁T700－12K無緯布織物使其沿纏繞外模鋪覆一圈形成筒形構件預制體的基本形狀，上凸緣部分沿軸向進行分段剪切，逐段向內翻折形成法蘭部分預制體，下凸緣同理向外翻折，然后進行厚度方向縫合使其在纏繞模上緊密貼合。其中奇數鋪層使用碳纖維織物沿模鋪覆，偶數鋪層使用碳纖維束環向纏繞定型，交替進行至預定鋪層厚度。采用二維編織方式對預制體表層進行加固，裁剪一定數量的T700－12K碳纖維束作為軸向碳纖維從預制體頂部引出，奇數碳纖維束的底端被固定在前綜桿上，偶數碳纖維束被固定在同組后綜桿上。凸輪轉動過程中，奇偶碳纖維束上下交替運動產生一個高度差，緯線從奇偶碳纖維束間穿過，直至完成外層的編織加固。

2. 2 纏繞張力設計

在碳纖維環向纏繞過程中，負載裝置作為輔助裝置的一部分，提供纏繞張力進行層間預緊。碳纖維纏繞時，上層碳纖維會對已纏繞的下層碳纖維產生壓力，使其沿徑向發生壓縮變形。為得到自內而外具有相同的初始張力和變形的織物結構，纏繞張力應該逐層遞減。各層等張力狀態的纏繞張力可用下式［11］計算:

式中:Γ0i為纏繞張力;Γ為纖維束張力;λ為柔度比;n為纏繞總層數;i為纏繞當前層數;Ef為紗層平均模量;hf為紗層平均高度;E0為復合材料筒模量;h0為復合材料筒厚度;t為纏繞紗束寬度;Ef0為碳纖維模量;Sf0為碳纖維截面積。

本文所采用的構件預制體纏繞總層數n為11，復合材料筒模量E0為50 GPa，厚度h0為2 mm，纏繞紗束寬度t為2.7 mm，碳纖維模量Ef0為230 GPa，碳纖維截面積Sf0為0.44 mm2。由式(1)、(2)計算出纏繞張力為1.04Γ ～4.30Γ。單股T700－3K碳纖維束的最大拉伸力約為403.9 N，碳纖維纏繞張力經驗取值范圍為3% ～14% Γ ，即Toi在12.1 ～ 56.4 N范圍內變動。由于在預制體制備過程中，各層纏繞層張力逐層遞減的操作性不強，因此本試驗采用限定第一層張力、每兩層遞減一次的方法［12］，其纏繞張力計算值見表1。試驗中參照表1所示計算值依次選用不同重量的重物來調節各層張力。

表1 各層纏繞張力與單股碳纖維拉力的倍數Table 1 Multiple between layer winding tension and carbon fiber bundle tension

2. 3 縫合方式

常用的縫合方式主要有鏈式縫合、鎖式縫合、改進鎖式縫合。鏈式縫合的縫線經過多次繞曲處于緊縮狀態，碳纖維損傷嚴重。鎖式縫合的交結點在材料厚度的中間，容易造成高的應力集中。改進鎖式縫合可避免鏈式縫合和鎖式縫合存在的缺陷，纖維束彎折少，有利于提高層間強度。同時合理的縫合密度可以有效增強材料的層間強度和損傷容限［13］。隨著縫合密度的增加，復合材料的抗分層能力逐漸增強，同時縫合對面內的損傷和引起的集中應力也逐漸加劇，導致面內拉伸強度損傷嚴重，因此縫合密度不宜過大，應控制在17 針/cm2以下［14－15］。本試驗中采用人工方式進行了改進鎖式縫合，縫線選擇T700－3K碳纖維束，縫合密度選用3～15針/cm2。

3 試驗與分析

3. 1 試驗方法

為檢驗本文變截面筒形構件預制體制備方法的可行性，采用真空吸滲擠壓工藝制備Cf/Mg復合材料構件，將制備好的預制體放入成型裝置的擠壓筒內，在氬氣保護下進行鎂合金熔煉及預制體預熱，當溫度達到設定溫度并保溫10～30 min后，關閉氬氣對型腔抽真空，隨后向坩堝通入氬氣，將液態合金澆注至擠壓筒中，凸模下行實現壓力浸滲及保壓凝固，冷卻后將復合材料構件取出［16］，試驗過程如圖3所示。

圖3 Cf/Mg復合材料構件制備工藝流程圖Fig.3 Fabrication process of Cf/Mg components

試驗后對取出的Cf/Mg復合材料構件沿中心線縱向剖開，觀察碳纖維預制體的變化，進而改進制備工藝，直至滿足要求。

3. 2 織物形式對預制體抗變形能力的影響

圖4是采用3K碳布剪裁制備的預制體的錐面部分，預制體錐面部分發生了嚴重的彎曲變形，結構完整性遭到破壞，這是因為采用碳布鋪覆錐面時必須進行裁剪，由此產生的斷口帶來環向性能的損傷，浸滲時不能抵抗鎂合金澆注過程的沖擊而造成預制體松散變形。因此須選擇T700－12K無緯布進行縱向鋪層，T700－3K碳纖維束進行環向纏繞。

3. 3 纏繞張力對預制體層間距的影響

分別對不同張力下制備的構件進行縱向剖開，觀察中部的宏觀形貌，如圖5所示。

圖5 不同張力制備的預制體試驗結果Fig.5 Experiment results of preform with different winding tensions

圖5 (a)是纏繞張力在11.2～48.5 N時的Cf/Mg復合材料構件層間形貌，鎂合金在層間囤積較多，碳纖維束層間距較大，導致Cf/Mg復合材料構件體積分數較低。這是因為纏繞張力偏小，碳纖維層間的約束力不足，直接導致預制體結構松散［17］。圖5(b)是增強體纏繞張力在14.5～60.0 N時復合材料構件層間形貌，碳纖維層間合金明顯不足，這是因為纏繞張力偏高時，增強體纖維體積分數相對較高，層間排布緊密，帶來鎂合金液浸滲困難。后期試驗中，為提高Cf/Mg復合材料構件的制備質量，纏繞張力的范圍控制在13.6～56.3 N。

3. 4 縫合密度對預制體層間結合的影響

分別對不同縫合密度制備的Cf/Mg復合材料構件進行加工及觀察，結果如圖6所示。

圖6 不同密度縫合的預制體實驗結果Fig.6 Experiment results of preform with different density stitches

圖6 (a)為縫合密度為3針/cm2時的Cf/Mg復合材料構件加工后的外觀，表面發生了層間開裂，這是由于低縫合密度時，層間結合力較低［18］，加工后內部應力的釋放導致了層間裂紋的擴展，Cf/Mg復合材料構件發生層間剝離破壞。圖6(b)是采用縫合密度為15針/cm2的Cf/Mg復合材料構件加工后的外觀，由于縫合密度過大，針腳處的碳纖維束發生凹陷，導致加工后出現局部剝落，造成加工表面質量較低。因此，最終的縫合密度控制在7～9針/cm2。

圖7(a)為采用本文設計開發的預制體成型裝置及選擇碳纖維無緯布依模鋪覆、碳纖維束環向纏繞、局部縫合(密度7～9針/cm2)、外層編織方法制備的預制體，其形態完整，宏觀質量良好。圖7(b)是經真空吸滲擠壓工藝最終得到的Cf/Mg復合材料構件，與前期制備的缺陷件相比，本構件外形與設計一致，表面平整，碳纖維排布有序，加工后無明顯的層間開裂及脫落，且有效避免了預制體的變形和破壞。

圖7 預制體及Cf/Mg復合材料構件Fig.7 Preform and Cf/Mg composite component

從Cf/Mg復合材料構件底部取樣，利用掃描電鏡進行微觀組織觀察，結果顯示碳纖維在基體合金中二向均勻分布，沒有明顯的碳纖維團聚，如圖8所示。

圖8 Cf/Mg復合材料構件的微觀組織Fig.8 Microstructure of Cf/Mg composite component

研究過程說明了本文設計的變截面筒形構件碳纖維預制體制備方法的有效性。

4 結論

1)提出了“依模鋪覆—纏繞定型—局部縫合—編織加固”復合材料預制體制備工藝，并設計制造了集纏繞機構、鋪放機構、編織機構和輔助裝置為一體的變截面筒形預制體成型裝置，可滿足Cf/Mg復合材料復雜構件成形要求。

2)在環軸向鋪層比例為1:1，碳纖維纏繞張力為13.6～56.3 N，縫合密度7 ～9 針/cm2，縫合類型為改進鎖式縫合等工藝條件下，成功制備出碳纖維預制體，結構均勻且形態良好。

3)經真空吸滲擠壓工藝成形試驗檢驗，所制備的預制體未發生明顯變形、層間結合良好、結構完整，校驗了本文提出的預制體制備方法及其成形裝置的有效性。

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