針刺技術在復合材料預成型體中的研究進展

劉昱君，劉希艷，黨藝旋

(西安工程大學 協同創新中心，陜西 西安 710048)

在非織造技術中，比較常用的是針刺加固技術和水刺加固技術，其中，針刺加工技術是干法非織造布最重要的加工方法，而非織造預制體大多采用針刺成型的方式，這種方式可根據需求調整預制體的參數，相關研究表明，三維針刺復合材料在性能上具有較高的層間斷裂韌性和層間損傷容限，在實際應用上具有自動化程度高且易于成型的優點。

1 針刺工藝概況

針刺技術在國外最早是由法國歐洲動力裝置公司(sep公司)發明，稱作“Novoltex”，它的預制體是采用預氧絲布/預氧絲網胎復合料針刺而成[1]。國內的碳纖維預制體針刺技術是在20世紀70年代開始發展的。

1.1 針刺工藝原理

針刺工藝是在非織造布的基礎上發展起來的，由于金屬刺針硬度大，因此針刺技術僅適用于彈性好，長度長的纖維。針刺預制體是一種復合材料預制體，源于紡織短切纖維制氈工藝，基本原理是將一個空間分為XYZ三個維度，將基布和短纖維在XY平面內隨機鋪層，使用帶有鉤刺的刺針在Z方向上穿刺纖維網胎，將XY平面內的部分短纖維轉移到Z方向，從而形成X、Y、Z三個方向上均有纖維增強的準三維網狀預制體。針刺成型可設計性及平面方向利用率高，降低了制造成本，簡化了制造工藝，縮短了制造周期。針刺預制體主要有兩種結構：基布/氈結構和整體氈結構。基布/氈結構由基布層和短切纖維層構成，而整體氈結構只包括短切纖維層。基布/氈結構的示意圖如圖1所示。

圖1 基布/氈結構的針刺工藝圖

國外將針刺技術應用于液體助推火箭喉襯、C/C延伸錐、剎車盤等。國內將此項技術運用于整體氈喉襯、保溫氈、剎車盤、熱場材料、噴管延伸錐、液體火箭燃燒室的制備，圖2中的四張圖片分別表示剎車盤(圖2a)、喉襯(圖2b)、針刺氈(圖2c)、光伏熱場構件(圖2d)。

1.2 刺針簡介

刺針是在針刺過程中，用來引入纖維的工具，它對針刺復合材料成型發揮著重要的作用。刺針主要由四部分構成，包括針尖、針葉、漸縮錐、中間段針桿、減縮錐、針柄、彎柄。圖3由左至右分別是針尖、工作部位、減縮錐、針柄、彎柄,一般的刺針大致由這幾個部分構成。

圖3 刺針

針尖的主要作用是讓刺針刺入待制品。針葉是刺針的主要工作部位，主要有三角形、三頁形和水滴形三種形狀，如圖4所示。

圖4 工作部位的三種形狀

針葉的主要參數有針葉直徑、針葉截面形狀、針葉長度，其中針刺的截面形狀一般為等邊三角形、等邊三角形的改進型、圓形等[1]，針葉上的鉤刺是刺針最重要的部位，它的主要參數有溝槽深度、溝槽長度、凸尺高度和下切角度，對于制成的預制體的力學性能和平整度起到了決定性的作用[1]。刺針能否均勻地承受來自各個方向的饒曲力主要取決于針葉截面形狀的選取。漸縮錐主要影響的是針體的彈性。選用刺針時，盡量選擇剛性、韌性、彈性足夠的針體。刺針不同部位的直徑用機號來表示，其中針葉的機號表示剖面的高度。

刺針在工作時，會對纖維產生一定的損傷，針葉粗、鉤刺大的刺針會對纖維產生較大的損傷，因此在選用刺針的時候，一定要考慮多方面的因素以達到最優的使用效果。

1.3 針刺基本設備簡介

在非織造的生產工藝流程中，按照針刺法工藝的工序，完成針刺的整個過程，通常包括成網、預針刺、針刺三個部分，其中，成網有機械式、氣流式、紡黏法三種，氣流成網機(如圖5所示)的優點是設備簡單，生產效率較高，產品的透氣性較好，且操作、維修簡便，產品的性能也較好，因此應用相對廣泛。

圖5 氣流式成網機

預針刺機的作用是盡可能減少成型纖網的牽伸，保證原纖網的纖網方向不變，如圖6所示。

圖6 雙滾筒預針刺機

主針刺機的形式有單針板、雙針板雙針區、雙針板單針區、四針板雙針區，同時按針刺方向分類有上刺式、下刺式、上下同位對刺式和上下異位對刺式。

2 針刺技術的研究現狀

近年來，針刺工藝在復合材料增強體中的應用研究主要有C/C復合材料、玄武巖復合材料以及石英纖維復合材料。利用軟件仿真、數學建模計算以及重復實驗的方法，篩選出拉伸性能、壓縮性能、剪切性能、彎曲性能等力學性能的最優工藝參數。

2.1 力學性能實驗研究

以C/C復合材料為例，針刺C/C復合材料的制備主要有兩個過程，分別為預制體成型、樹脂炭增密，兩者是類似于骨架與填充物的關系。研究者通常的思路是：先選用設備，設計出針刺復合材料的工藝，在此基礎上改變工藝參數(針刺密度、深度、針刺方向等)，再經多次實驗，以拉伸強度、斷裂強度、彎曲性能、穿刺阻力等指標來確定使復合材料性能達到最優的工藝參數，預估其未來的應用前景及發展方向。

針對工藝參數以及其他因素對針刺復合材料力學性能的影響，李娜[2]利用針刺工藝和其他模塑工藝相結合，成功制備了以碳纖維、玄武巖纖維、石英纖維為增強纖維的三維針刺復合材料，對材料進行了彎曲測試和高溫壓縮實驗，得出溫度對材料的彎曲和壓縮性能均有顯著影響，且碳纖維復合材料的彎曲性能優于其他兩種材料。通過霍普金森壓桿實驗得出，抗沖擊性能碳纖維增強復合材料要低于玄武巖纖維增強復合材料，而碳纖維材料的損傷模式表現為脆性特征。樊凱[3]以酚醛樹脂為浸漬劑，同時利用針刺工藝制備了一種碳復合材料，研究了不同針刺密度預制體力學性能之間的差異。黃喜鵬等人[4]研究了三維針刺C/Si材料的損傷演化機理。楊莉、徐珍珍[5]制備了一種玄武巖針刺復合材料并研究了其力學性能。

2.2 模型建立及數值仿真

鄒佳俊[6]除研究了C/C復合材料的力學性能之外，還建立了火箭發動機噴管的有限元模型。張波等人[7]研究了C/C復合材料的高溫剪切強度，通過實驗得出了溫度和剪切強度的關系圖，并找到剪切強度最大時的溫度值，同時對剪切強度測試的方法及其使用范圍做了詳細研究。林志遠等人[8]通過實驗測試了力學性能，將已有的模型改進，建立了C/C復合材料高溫本構關系模型，并與實驗結果對比，最終得出了溫度對復合材料各項力學性能的影響。蘇君明等人[9]利用一種工藝和石墨化處理，制備出了一種高密度的C/C復合材料，并通過各項分析證明了這是一種燃氣舵材料。王建恒等人[10]利用二氧化硅氣凝膠料漿，通過噴涂工藝和針刺復合工藝得到了氣凝膠玻纖針刺氈保溫材料，同時通過實驗得出了氣凝膠摻量、改良劑摻量、穩定劑摻量以及氣凝膠層數對材料導熱系數的影響，并最終得出了制備這種材料的最佳配比。張希等人[11]利用一種干燥方法制備出了二氧化硅氣凝膠玻纖復合材料，除了研究原料配比之外，還研究了老化時間對材料性能的影響。劉宇峰等人[12]制備了一種高纖維體積含量的針刺C/C復合材料,降低了高性能熱結構材料預制體的生產成本，層疊式的復合結構有雙層梯度結構、漸變梯度結構、三明治結構和多層結構。閆夢雪等人[13]制備了一種具有類似三明治結構的芳綸針刺包裝復合材料，同時研究了其拉伸、防刺性能。趙文硯[14]利用針刺工藝結合其他簡單工藝制成了長碳纖維增強聚醚醚酮復合材料，整個制造過程簡單、成本低、未使用溶劑，最后評估了四個工藝參數對其力學性能的影響。戚云超等人[15]利用BP神經網絡和生物學上的遺傳算法建立了C/C復合材料預制體的模型，目的是為了實現工藝參數的優化，其中BP神經網絡用來表征復合材料的剛度性能。

3 結語

提高生產效率、實現節能環保是目前國家對非織造產業發展的基本要求。針刺技術的研發是非織造材料未來的研究重點之一，針刺技術雖具有工藝簡單、成本低、應用范圍廣以及高自動化的優點，但針刺技術在增強層間性能的同時，刺針會對纖維造成損傷，影響其力學性能。因此，關于針刺復合材料的損傷演化機理還需要做進一步深入研究，以提高其使用性能。