變角度牽引鋪縫技術(shù)用縫合紗的研究

燕春云，呂凱明，劉婷，王永利，張坤，高志成

(江蘇恒神股份有限公司，江蘇 丹陽 212300)

0 前言

變角度牽引鋪縫技術(shù)(VAT：Variable Angle Tow Placement，亦稱TFP：Tailored Fiber Placement)是當(dāng)前預(yù)制體成型領(lǐng)域的一種先進(jìn)的制備工藝，其基本原理是將主體纖維絲束在基材上變角度鋪放并用特殊紗線縫合固定成纖維預(yù)制體，如圖1所示[1-2]。預(yù)制體纖維角度不受限定，可按主應(yīng)力方向鋪放，并可同時(shí)實(shí)現(xiàn)三維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。不僅強(qiáng)化纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能短板(層間剪切強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度低)和補(bǔ)償結(jié)構(gòu)荷載反應(yīng)惡化(開口應(yīng)力集中)，而且制品質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率大幅提高[4-5]。

圖1 變角度牽引鋪縫技術(shù)制備原理

國(guó)內(nèi)外對(duì)此研究較多，如Mattheij P[6]等人針對(duì)不同縫合紗對(duì)復(fù)合材料斷裂韌性的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)滌綸紗的效果最佳。德累斯頓聚合物研究所開發(fā)出量身定制的VAT技術(shù)，可將應(yīng)力和應(yīng)變計(jì)算結(jié)果有效地轉(zhuǎn)移到織物增強(qiáng)結(jié)構(gòu)中[7]。中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所針對(duì)VAT對(duì)多種變剛度復(fù)合材料制品開孔補(bǔ)強(qiáng)性能的影響進(jìn)行了大量的研究[8-11]。江蘇恒神股份有限公司的王怡敏[14]研究了預(yù)制體制備過程中機(jī)針刺傷對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明針距為8mm時(shí)，刺傷對(duì)拉伸性能和壓縮性能影響較小，且可以保證設(shè)備的生產(chǎn)效率；秦永利[12]研究表明采用玻璃纖維作為預(yù)制體基材時(shí)，復(fù)合材料層間剪切性能和彎曲性能最優(yōu)；謝莉婷[13]等通過有限元軟件模擬纖維沿主應(yīng)力分布狀態(tài)設(shè)計(jì)鋪放層合板并進(jìn)行開孔層合板單軸拉伸的仿真對(duì)比試驗(yàn)，表明按主應(yīng)力設(shè)計(jì)法生成的曲線鋪放層合板比直線鋪放有更優(yōu)異的力學(xué)性能等。但對(duì)VAT工藝中出現(xiàn)的缺陷形式、檢測(cè)與表征卻鮮有報(bào)導(dǎo)。本文對(duì)比研究了芳綸、錦綸、滌綸三種不同材質(zhì)的縫合紗對(duì)碳纖維預(yù)制體制備的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料

主體纖維：HF10-3K，江蘇恒神股份有限公司。

基布：EW100A玻璃纖維基布，中材科技股份有限公司。

滌綸縫合紗：200D，無捻，耐圣紡織科技有限公司。

錦綸縫合紗：200D，無捻，材質(zhì)為錦綸6，諸暨市諸富針紡有限公司。

芳綸縫合紗：200D，無捻，材質(zhì)為芳綸1414，廣東特維隆新材料應(yīng)用有限公司。

樹脂體系：TF1890環(huán)氧樹脂體系，江蘇恒神股份有限公司。

2 樣品制備

2.1 預(yù)制體的制備

分別采用三種不同材質(zhì)縫合紗在玻璃纖維基布上制備碳纖維預(yù)試件，預(yù)制件形狀尺寸為30 cm×25 cm的矩形，鋪層層數(shù)為6層，每層纖維沿矩形長(zhǎng)度方向(規(guī)定為0 °方向)來回鋪放，預(yù)制體編號(hào)見表1。其中，上縫合紗和下縫合紗材質(zhì)保持一致。

表1 預(yù)制體編號(hào)

2.2 復(fù)合材料的制備

采用VARI工藝制備復(fù)合材料板材，成型工藝控制：樹脂體系黏度<0.3 Pa·s，固化工藝為90 ℃/2 h。再按相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)切割成規(guī)定尺寸的試樣[14-16]。

3 測(cè)試

3.1 超聲C掃描測(cè)試

采用日本奧林巴斯超聲相控陣探傷儀對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行超聲C掃描(C掃)檢測(cè)，設(shè)備型號(hào)Omni Scan MX2,探頭型號(hào)5L64-A2。

3.2 力學(xué)性能測(cè)試

沿0°方向裁樣，采用美國(guó)Inston3382型萬能試驗(yàn)機(jī)按照ASTM D 3039-17《聚合物基復(fù)合材料拉伸性能標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》測(cè)試3種試樣的拉伸性能，并采用S-4000掃描電子顯微鏡觀察斷裂截面微觀形貌。按照 ISO 14130—1997《用短梁法測(cè)定纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度》測(cè)試試樣的層間剪切性能。以上測(cè)試每組有效數(shù)據(jù)不少于5個(gè)，取平均值作為最終結(jié)果。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 工藝操作性

在變角度鋪縫設(shè)備上分別采用錦綸、滌綸和芳綸縫合紗制備碳纖維預(yù)制體如圖2所示。為了保證設(shè)備穩(wěn)定工作，碳纖維能夠隨機(jī)頭平穩(wěn)鋪放，需要根據(jù)縫合紗材質(zhì)的不同選擇相應(yīng)的上下縫合紗張力，由于不同的縫合紗回彈性及強(qiáng)度的區(qū)別，碳纖維在鋪放過程中出現(xiàn)浮紗、漏縫，停機(jī)的頻次差異較大。用其表征不同縫合紗的可操作性，見表2。結(jié)果表明，錦綸和滌綸均具有很好的鋪縫工藝操作性，芳綸最差。滌綸紗相比錦綸紗彈性高導(dǎo)致最后預(yù)制體成型裁剪完基布后有輕微翹曲。

圖2 不同縫合紗預(yù)制體表觀圖

表2 預(yù)制體編號(hào)

4.2 C掃圖分析

對(duì)三種復(fù)合材料進(jìn)行超聲無損檢測(cè)，結(jié)果如圖3所示。由圖3(a)和3(b)可知，分別采用錦綸和滌綸縫合紗制備的鋪縫預(yù)制體經(jīng)VARI工藝制成復(fù)合材料后，C掃圖截面均趨于白色且均勻，制件內(nèi)部幾乎不含孔隙，成型質(zhì)量?jī)?yōu)良，且板材結(jié)構(gòu)一致性良好。芳綸縫合紗制件C掃呈現(xiàn)淡藍(lán)色，說明聲波在制件內(nèi)部因孔隙損耗偏多，材料成型比另外兩種較差。

圖3 不同縫合紗預(yù)制體表觀圖

4.3 力學(xué)性能分析

4.3.1 拉伸性能

本文研究了不同縫合紗對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和拉伸模量的影響，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，錦綸紗作為縫合紗引入時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度：錦綸>滌綸>芳綸，其中錦綸相比滌綸大7%，而芳綸拉伸強(qiáng)度最小，比錦綸低12%。結(jié)合圖2分析可知，由于芳綸作為縫合紗織造性差，碳纖維在鋪放過程中無法平行順直排列，沿拉伸方向纖維分布減少，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度明顯減小。從圖4還可以看出，三種不同縫合紗在相同制備工藝條件下對(duì)復(fù)合材料抗拉伸變形影響明顯不同。其中芳綸紗縫合制備的復(fù)合材料拉伸模量最小，抵抗拉伸變形最差。

圖4 不同材料拉伸性能

圖5為不同試驗(yàn)件拉伸斷裂截面SEM圖。由圖5(a)可知，錦綸作為縫合紗時(shí)，復(fù)合材料拉伸斷面較為平齊，纖維與樹脂結(jié)合較好，較少的纖維被抽拔，斷裂處仍有部分錦綸紗與碳纖維界面結(jié)合；滌綸作為縫合紗時(shí)，復(fù)合材料拉伸斷裂截面處的碳纖維裸露在外，斷面纖維順直但參差不齊，纖維被縱向抽拔明顯，這可能是由于縫合紗對(duì)碳纖維捆綁不均勻?qū)е拢鐖D5(b)所示。由圖5(c)可知，當(dāng)縫合紗采用芳綸時(shí)，由于可制造性差，碳纖維平行順直度低，拉伸斷裂端面碳纖維排列散亂，樹脂與碳纖維結(jié)合狀態(tài)差。

圖5 不同材料拉伸斷裂截面SEM

4.3.2 層間剪切性能

由于縫合紗與主承力纖維的性質(zhì)有差異，不同材質(zhì)縫合紗的引入必然會(huì)對(duì)復(fù)合材料界面強(qiáng)度造成影響。縫合線對(duì)層間強(qiáng)度的影響主要來自3個(gè)耗能過程[17-18]：縫合線的拉伸、縫合線的脫膠及拔出以及縫合線的斷裂。本實(shí)驗(yàn)對(duì)比了三種縫合紗對(duì)鋪縫預(yù)制體增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度，結(jié)果如圖6所示。由圖 6可知，在三種不同縫合紗中，錦綸縫合紗對(duì)應(yīng)試樣的層間剪切強(qiáng)度最高；在制造性均良好的條件下，滌綸紗對(duì)應(yīng)試樣的層間剪切強(qiáng)度相比錦綸試樣，下降了6.3%，這可能是由于滌綸紗相比錦綸紗剛度大[19]，隨著纖維鋪層增加，穿刺過程中縫合紗對(duì)碳纖維損傷要高于錦綸，會(huì)形成更多弱結(jié)，導(dǎo)致層剪強(qiáng)度降低。從圖6還可以看出，芳綸層間剪切強(qiáng)度最低，這可能是由于工藝性差，縫合不佳，大量碳纖維準(zhǔn)直性差，在制成復(fù)合材料后會(huì)形成大量富樹脂區(qū)和弱結(jié)，使材料在層間受力時(shí)過早失效破壞。

圖6 不同材料層間剪切性能

5 結(jié)論

(1)當(dāng)線密度相同時(shí)，錦綸紗和滌綸紗作為縫合紗可操作性要優(yōu)于芳綸，且預(yù)制體表觀良好。

(2)不同材質(zhì)縫合紗對(duì)復(fù)合材料VARI板材成型質(zhì)量有不同程度的影響，其中錦綸和滌綸縫合紗制件內(nèi)部幾乎不含孔隙，成型質(zhì)量?jī)?yōu)良，且板材結(jié)構(gòu)一致性良好。

(3)相同線密度時(shí)，不同材質(zhì)的縫合紗的引入對(duì)復(fù)合材料的拉伸性能和層間剪切性能造成不同程度的影響。含三種不同縫合紗的試樣的拉伸力學(xué)性能：錦綸紗>滌綸紗>芳綸紗；層間剪切性能：錦綸紗>滌綸紗>芳綸紗。

(4)對(duì)于相同線密度的三種縫合紗，考慮縫合可操作性并兼顧拉伸及層間剪切等力學(xué)性能，優(yōu)先選擇錦綸紗作為變角度牽引鋪縫技術(shù)用縫合紗。