一種碳纖維堝幫自動成型機的關鍵技術研究

劉泠杉， 胡學濤， 林富生， 黃豐毅， 徐釗釗

（武漢紡織大學； 三維紡織湖北省工程研究中心； 湖北省數字化紡織裝備重點實驗室，湖北 武漢430200）

0 引言

碳/碳復合材料具有密度低、導熱性能好、高強度、高模量、熱膨脹系數低等優點，是最具有發展前途的高溫復合材料之一。在太陽能光伏領域，隨著單晶硅直拉爐的迅速發展，其熱場結構尺寸不斷升級擴大，碳/碳復合材料堝幫、外導流筒、加熱器、保溫筒、內撐筒及緊固件等熱場部件由于其質量輕、 抗侵蝕能力強、 使用壽命長、高性價比及節能效應等突出特點，得到廣泛應用[1]，特別是碳/碳復合材料堝幫，已經得到大批量應用。

1 針刺工藝及其對材料性能的影響因素

針刺工藝通過對碳纖維織物的疊層針刺， 以各種纖維布和短切纖維網胎為復合原材料， 利用一種帶有反向鉤刺的特殊刺針對纖維復合材料鋪層進行針刺， 引入層間纖維，達到增強預制體層間性能的目的，是制造碳/碳復合材料預制體的重要技術，如圖1 所示。 目前，國內發展出三種碳纖維針刺預制體制備技術：整體針刺氈、碳纖維布預氧絲網胎預制體和碳纖維布/碳纖維網胎預制體[2]。

圖1 針刺預制體制備過程示意圖[3]Fig.1 Schematic diagram for the needling process[3]

影響針刺工藝的主要參數包括針刺密度和針刺深度。 針刺密度受植針密度、針刺頻率和織物輸出速度等因素的影響。 針刺密度作為重要的針刺工藝參數，對織物的體積密度和孔隙結構也有重要影響， 然而增強體織物的這些性能會直接影響到復合材料的最終性能。

劉建軍等[4，5]研究了針刺參數，包括針刺深度和密度對織物力學性能的影響。 結果發現，在一定范圍內隨著針刺密度的增加，針刺織物的密度逐漸増大，層間拉伸強度逐漸增加，而面內拉伸強度下降，如圖2 所示。

圖2 針刺預制體拉伸強度與針刺密度的關系[4]Fig.2 The relationship between tensile strength and needling density for needled preform[4]

李飛等[6]發現針刺密度、深度對針刺預制體面內拉伸強度和層間剝離強度均有顯著影響。針刺工藝中，針刺深度取決于刺針工作段的長度， 隨著預制體針刺深度的增加，預制體的z 向拉伸強度和層間剝離強度顯著增加，但達到定針刺深度后（12～14mm）逐漸下降，如圖3 所示。 這是因為隨著針刺深度的增加，z 向纖維束的形態發生了變化，纖維發生了損傷和斷裂。

圖3 針刺預制體的拉伸強度與針刺深度的關系[6]Fig.3 The relationship between tensile strength and needling depth for needled preforms[6]

2 堝幫常見故障分析及其影響因素

堝幫是單晶硅直拉爐中最重要的結構損耗件，主流單晶硅制造企業已經大批量采用碳/碳復合材料堝幫替代石墨堝幫。 這種碳/碳復合材料堝幫在單晶硅的制備過程中，會和其內部的硅料有一定的接觸。 在升溫時，硅料所釋放的大量二氧化硅和硅蒸汽與碳/碳復合材料堝幫接觸時極易發生硅化反應而產生侵蝕。硅化侵蝕無法徹底根除，侵蝕積累到一定程度后引起堝幫破壞失效，如圖4 所示。

圖4 碳/碳復合材料堝幫失效圖Fig.4 Failure mode of carbon/ carbon composite crucible

綜上所述，提高碳/碳復合材料堝幫的力學性能能夠有效延長其使用壽命。 從復合材料的生產工藝分析，碳/碳復合材料的密度、環向碳纖維含量都是影響碳/碳復合材料堝幫使用壽命的重要因素。結合這些影響因素，提高堝幫強度及保溫性能，實現對薄弱堝托的重點加固，大幅提高堝幫使用壽命，設計一臺碳纖維堝幫自動成型機。

3 碳/碳復合材料整體堝幫成型機的設計

設計一臺堝幫成型機， 該機通過改變針刺臂刺針排布、調節針刺角度并增加針刺密度以提高碳/碳復合材料纖維體積含量， 增加堝托厚度并加以涂層的方式來提高堝托的保溫性、耐磨性同時增加其強度。

3.1 關鍵技術及其創新點

該機的關鍵技術在于改變針刺臂刺針排布、 調節針刺角度并增加針刺密度以提高碳/碳復合材料纖維體積含量，增加堝托厚度并加以涂層的方式來實現。

這臺設備的主要創新點包括：①采用新型碳/碳復合材料整體堝幫成型方式，有效提高堝幫強度及保溫性能，并可以實現對薄弱堝托的重點加固，大幅提高堝幫使用壽命；②解決手工針刺生產堝幫效率低、產品品質波動大等問題，設計國內首臺自行研發、全自動連續生產碳/碳復合材料整體堝幫的設備。

3.2 碳/碳復合材料整體堝幫成型機的設計方案

該設備主要包括五個部分： 芯模組件、 圓筒針刺組件、圓弧針刺組件、頂部針刺組件、控制柜，如圖5 所示。

圖5 針刺機整體結構示圖Fig.5 Diagram of the overall structure of needle punching machine

工作時，在芯模上鋪好網胎，完成準備工作。控制芯模底部電機的轉動，通過齒輪傳動帶動芯模以一定的速度轉動。 相對應的，所有針刺組件開始同時運動；圓弧針刺部分通過控制系統調節氣缸的伸縮頻率，完成圓弧部分的針刺；同時，圓筒針刺電機轉動經過同步帶帶動軸上的凸輪轉動，由此使推動針刺組件進行有規律的往復運動，完成針刺過程；頂部針刺部分通過芯模方向軌道運動到芯模頂部的正上方，然后帶有氣缸的針刺板通過豎直方向軌道運動到芯摸頂部指定位置，調節氣缸的伸縮頻率，完成頂部的針刺。 這樣通過控制系統控制各針刺組件協調運行，完成對胎網的碳纖維針刺。

現對該機器的主要五大組件進行分析：

（1）芯模組件。 芯模組件中，芯模可以按照需求裝配不同的大小尺寸。芯模下方設有轉動機構，可根據需要，調節電機的參數，通過齒輪傳動帶動芯模轉動，如圖6 所示。

圖6 芯模組件示圖Fig.6 Diagram of core die assembly

（2）圓弧針刺組件。 圓弧針刺組件中，由絲桿傳動控制豎直方向針刺部分的運動， 而針刺部分在芯模方向和弧形部分方向通過軌道運動， 且弧形部分針刺采用氣缸連接針刺板完成針刺過程，如圖7 所示。

圖7 圓弧針刺組件示圖Fig.7 Diagram of arc needling assembly

（3）頂部針刺組件。頂部針刺組件跨越芯摸頂部的機架和針刺部分組成， 其中針刺部分設置在芯模頂部正上方，且針刺部分在芯模方向和豎直方向通過軌道運動，如圖8 所示。

圖8 頂部針刺組件示圖Fig.8 Top needle assembly diagram

（4）圓筒針刺組件。圓筒針刺組件中的針刺部分由電機通過同步帶傳動帶動凸輪轉動，由此完成針刺的運動。刺針可根據需要調節深度和密度。 如圖9 所示。

（5）控制臺。 該機采用PLC 控制，有上位機作為人機界面與PLC 通訊，通過上位機修改參數，以便于機器運行調試。

圖9 圓筒針刺組件示圖Fig.9 Diagram of cylinder needle assembly

該機器可以調節各項針刺參數， 實現對任意針刺工藝數值設置。通過調節步進量、針板與預制體之間的相對位置以及針板上的植針密度（12～40 針/cm2）可以實現預制體針孔的不同排布形式，調節鋪層厚度和針刺深度（3～17mm） 可以模擬針刺纖維束在z 向的不同引入深度。 在不同鋪層設置不同的針刺次數； 還可以得到變針刺密度的預制體。

4 總結

本文分析了碳/碳復合材料堝幫的失效形式及其產生的原因，從其影響因素中分析針刺工藝，達到增強碳/碳復合材料堝幫力學性能的要求。 此外針對性的設計了一臺整體堝幫成型機，根據不同需求，該針刺機可調節不同的針刺深度、針刺密度以增強預制體的各方面性能。該針刺機采用全自動的控制系統， 將人工手動針刺方式變為自動化制造方式，提高了工作效率，且有效解決了產品各部分密度不均勻、織物型面尺寸準確性差、堝幫整體力學性能薄弱等技術問題。