變結(jié)構(gòu)疊層針刺碳纖維預(yù)制體力學(xué)性能研究

胡健明，梁運興，李 鵬，張 誠

（江蘇天鳥高新技術(shù)股份有限公司，江蘇 宜興 214205）

C/C復(fù)合材料憑借優(yōu)異的性能成為一種高性能新型材料，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。制備C/C復(fù)合材料的化學(xué)氣相滲透（Chemical Vapor Infiltration，CVI）工藝是目前國內(nèi)外的研究熱點之一。碳纖維預(yù)制體是C/C復(fù)合材料的增強骨架，不僅決定了C/C復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和形狀，而且會影響基體炭的制備和最終復(fù)合材料的性能[1]。

疊層針刺工藝主要以短纖維網(wǎng)胎、連續(xù)長纖維基布為原材料，通過刺針往復(fù)運動，將短纖維由平面方向遷移至垂直方向，并通過疊層累加，形成具有層間連接結(jié)構(gòu)的三維預(yù)制體[2]，見圖1。

圖1 針刺預(yù)制體制備過程示意

由于針刺預(yù)制體結(jié)構(gòu)中分布有短纖維網(wǎng)胎，疊層針刺碳纖維預(yù)制體各向同性好，垂直方向?qū)岷蛯娱g性能也較好，是理想的C/C復(fù)合材料增強體[3]。傳統(tǒng)的均勻結(jié)構(gòu)針刺碳纖維預(yù)制體經(jīng)CVI沉積過程制備C/C復(fù)合材料時，容易產(chǎn)生瓶頸效應(yīng)，后期致密化速度慢，預(yù)制體表面沉積較快，易形成閉孔，需要在沉積一定時間后通過機加工消除這種缺陷，導(dǎo)致制備周期長、成本高。隨后，變結(jié)構(gòu)（或稱“三明治”型預(yù)制體結(jié)構(gòu)）在底層和頂層設(shè)計低體積密度層，預(yù)制體表面孔隙率增大使CVI致密化過程表面狀態(tài)良好，可繼續(xù)增密，同時縮短了CVI生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本[4]。但是，變結(jié)構(gòu)針刺碳纖維預(yù)制體性能研究未見報道。因此，本研究探索了變結(jié)構(gòu)和均勻結(jié)構(gòu)針刺碳纖維預(yù)制體的平面和Z向力學(xué)性能，為針刺成型工藝技術(shù)的設(shè)計與優(yōu)化、C/C復(fù)合材料的設(shè)計與應(yīng)用提供參考和依據(jù)。

1 試驗

1.1 試樣制備

將T700-12K碳纖維裁切為5～9 cm的短纖維，后經(jīng)干法成網(wǎng)工藝制得均勻的碳纖維網(wǎng)胎。

采用HTS-12K碳纖維無緯布，按0°/90°鋪層與一層網(wǎng)胎針刺復(fù)合，逐層連續(xù)針刺，制得厚度為13.0 mm、體積密度為0.53 g/cm3的均勻結(jié)構(gòu)無緯布網(wǎng)胎針刺預(yù)制體，如圖2所示。

圖2 均勻結(jié)構(gòu)針刺預(yù)制體

將預(yù)制體底層采用全網(wǎng)胎針刺結(jié)構(gòu)，逐層連續(xù)針刺，針刺復(fù)合制得底層厚度為1.5 mm、體積密度為0.20 g/cm3的變結(jié)構(gòu)針刺預(yù)制體。中間層采用HTS-12K碳纖維無緯布按0°/90°鋪層與一層網(wǎng)胎復(fù)合，逐層連續(xù)針刺，中間層厚度為10.0 mm、體積密度為0.61 g/cm3。頂層與底層同為全網(wǎng)胎結(jié)構(gòu)，厚度為1.5 mm、體積密度為0.20 g/cm3，最終制得底層和頂層為全網(wǎng)胎結(jié)構(gòu)、中間層為無緯布網(wǎng)胎結(jié)構(gòu)的變結(jié)構(gòu)針刺預(yù)制體，見圖3。變結(jié)構(gòu)針刺預(yù)制體整體體積密度為0.52 g/cm3。

圖3 變結(jié)構(gòu)針刺預(yù)制體

均勻結(jié)構(gòu)和變結(jié)構(gòu)預(yù)制體的長纖維占有率和體積密度見表1。

表1 預(yù)制體長纖維占有率和體積密度

1.2 性能測試

采用電子萬能試驗機，按照GJB 1867—1994《整體炭氈試驗方法》進行變結(jié)構(gòu)和均勻結(jié)構(gòu)預(yù)制體力學(xué)性能測試，測試參數(shù)見表2。

表2 測試參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)制體X-Y向性能分析

預(yù)制體X-Y向拉伸性能見表3。

表3 預(yù)制體X-Y向拉伸性能

從表3可知，變結(jié)構(gòu)預(yù)制體X-Y向拉伸強度高于均勻結(jié)構(gòu)。雖然變結(jié)構(gòu)預(yù)制體底層和頂層有低密度全網(wǎng)胎結(jié)構(gòu)，但是變結(jié)構(gòu)中間層的長纖維占有率為82%，主要起承力作用，隨著預(yù)制體長纖維占有率的提升，預(yù)制體X-Y向拉伸性能逐漸提升，可見，預(yù)制體X-Y向拉伸性能與長纖維占有率成正比。

2.2 預(yù)制體Z向性能分析

預(yù)制體Z向拉伸性能和T型剝離性能見表4。

表4 預(yù)制體Z向拉伸及T型剝離性能

從表4可知，變結(jié)構(gòu)預(yù)制體T型剝離強度高于均勻結(jié)構(gòu)預(yù)制體，而Z向拉伸強度較低。這是由于T型剝離在試樣的中間向兩側(cè)拉開測試，變結(jié)構(gòu)中間層為高體積密度區(qū)域，無緯布中的長纖維占有率高，網(wǎng)胎中的短纖維經(jīng)刺針倒刺遷移至垂直的厚度方向，和層與層之間產(chǎn)生連接，長纖維與短纖維相互連接是提高T型剝離強度的關(guān)鍵。變結(jié)構(gòu)預(yù)制體Z向拉伸強度低于均勻結(jié)構(gòu)是因為Z向拉伸是在預(yù)制體底層和頂層表面做拉伸測試，Z向拉伸拉脫位置在底層或頂層區(qū)域，變結(jié)構(gòu)預(yù)制體底層和頂層為全網(wǎng)胎結(jié)構(gòu)，體積密度僅為0.20 g/cm3，長纖維占有率為0%。雖然網(wǎng)胎中的短纖維經(jīng)針刺遷移至厚度方向，但無長纖維相互連接，僅是短纖維相互連接，連接力小于有長纖維的無緯布和網(wǎng)胎結(jié)構(gòu)。均勻結(jié)構(gòu)預(yù)制體底層至頂層均為無緯布與網(wǎng)胎結(jié)構(gòu)，長纖維占有率為71%，長纖維與遷移的短纖維連接較緊密，所以變結(jié)構(gòu)預(yù)制體的Z向拉伸強度低于均勻結(jié)構(gòu)預(yù)制體。

2.3 預(yù)制體性能分析

前期研究表明，影響針刺碳纖維預(yù)制體力學(xué)性能的主要因素有長纖維占有率、體積密度以及針刺工藝參數(shù)等。其中，預(yù)制體的長纖維占有率可提高預(yù)制體X-Y向拉伸強度，同時也可增大預(yù)制體的體積密度。在針刺工藝中，針刺密度和針刺深度將直接影響Z向纖維的遷移量，從而影響預(yù)制體的綜合性能[5]，但過大的針刺密度和針刺深度會加重預(yù)制體的損傷，降低預(yù)制體的性能。

根據(jù)不同預(yù)制體的X-Y向拉伸強度、Z向拉伸強度、T型剝離強度可知，預(yù)制體Z向拉伸性能包括Z向拉伸強度和T型剝離強度，由網(wǎng)胎中遷移的短纖維貢獻。由于變結(jié)構(gòu)預(yù)制體的底層和頂層均為全網(wǎng)胎結(jié)構(gòu)，中間層為含長纖維的無緯布和網(wǎng)胎結(jié)構(gòu)，僅以Z向拉伸強度判定變結(jié)構(gòu)預(yù)制體的Z向拉伸性能是不準確的，需要將Z向拉伸強度和T型剝離強度相結(jié)合，判斷變結(jié)構(gòu)預(yù)制體的Z向力學(xué)性能。合理設(shè)計針刺預(yù)制體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可優(yōu)化疊層針刺碳纖維預(yù)制體的各項性能。

3 結(jié)論及展望

（1）在疊層針刺預(yù)制體中，長纖維占有率是影響預(yù)制體X-Y向拉伸強度的主要因素。

（2）在疊層針刺過程中，網(wǎng)胎短纖維遷移是影響預(yù)制體Z向拉伸性能的關(guān)鍵，變結(jié)構(gòu)預(yù)制體Z向拉伸性能應(yīng)將Z向拉伸強度和T型剝離強度相結(jié)合判斷。

（3）變結(jié)構(gòu)疊層針刺碳纖維預(yù)制體許多方面的研究還有待完善。由于新型復(fù)合材料快速發(fā)展，漸變結(jié)構(gòu)將成為疊層針刺預(yù)制體一個新的發(fā)展方向，其結(jié)構(gòu)與性能需進一步研究。