三維四向碳/碳預制件微孔板壓實致密關鍵技術

梅寶龍， 董九志， 楊 濤， 蔣秀明， 任洪慶

(1. 天津工業大學 機械工程學院， 天津 300387；2. 天津工業大學 天津市現代化機電裝備技術重點實驗室， 天津 300387)

碳/碳復合材料具有低密度、高強度、抗熱沖擊性能好等優點，被廣泛應用于航空航天領域。三維四向碳/碳復合材料由于整體力學性能優越，纖維鋪層方向與氣流沖擊方向垂直，是理想的抗沖擊復合材料，該復合材料特別適用于高壓強、高溫環境，是固體火箭發動機喉襯的理想材料[1]。碳/碳復合材料最早在歐美研究成功并且投入應用，我國在碳/碳復合材料研究方面起步相對較晚，西安復合材料研究所最先提出了碳/碳復合材料喉襯發展計劃，隨后蘇君明等[2]發現三維四向編織結構比三維編織結構能更有效地提高碳/碳復合材料在高度方向上的纖維含量和體積密度，從而降低了復合材料的燒蝕率，同時Farhan等[3]證明四維織物Z向具有良好的耐燒蝕性，是固體火箭發動機喉襯的首選材料。

碳/碳復合材料由預制體通過化學氣相滲透(CVI)或熱固性樹脂浸漬、 瀝青浸漬經炭化后完成制備[4-5]。侯曉等[6]通過優化預制體成型設計和致密化工藝，制備三維四向碳纖維增強結構的新型碳/碳復合材料，預制體成型工藝采用70%左右的碳纖維布置于垂直碳棒的水平面上，水平纖維呈60°、120°、180°排列。孫樂等[7]介紹了軸棒編織織物成型工藝，其預制體密度約為0.6 g/cm3，同時證明提高預制體纖維體積含量有助于提高碳/碳復合材料抗燒蝕等力學性能[8]。胡培利等[9]對三維織造復合材料構件進行壓實特性研究，揭示了纖維體積含量與壓縮應力的關系，對預制體加壓密實控制體積分數提供理論依據。綜上所述，目前國內外主要研究了三維四向碳/碳預制體成型工藝與材料力學性能，其成型工藝多采用手工方式，壓實致密工藝關鍵技術與自動化、數字化成型壓實設備還鮮有報道。

本文根據三維四向碳/碳復合材料預制件成型技術，對預制件壓實致密工藝關鍵技術進行研究。建立碳纖維鋪放高度與預制件密度映射關系，設計等距密排微孔板并提出適用于該孔板的加工工藝，并對等距密排微孔板結構進行優化設計。基于位移-壓力雙閉環控制策略，研制數字化壓實裝置，以期實現預制件纖維體積含量在線動態調控。

1 碳/碳復合材料預制件成型技術

三維四向碳/碳復合材料預制件采用碳纖維和碳棒軟硬混編成型方式，碳棒垂直于X-Y平面鋪放，以提高碳/碳復合材料耐燒蝕性能；為保證材料具有良好的整體性能和各向同性，碳棒可按規定的形狀和尺寸鋪放且呈等距密排方式布放。碳纖維在碳棒間疊層鋪放，X-Y平面內分別與水平方向呈0°、120°、240°，三維四向碳/碳預制件成型工藝如圖1所示。

圖1 三維四向碳/碳復合材料預制件成型工藝Fig.1 Process of 3-D four-direction C/C composite preform.(a)Laying 0°of carbon fiber；(b)Laying 120° of carbon fiber；(c)Laying 240°of carbon fiber；(d)Compaction and densification of single-cycle；(e)Compaction and densification of multiple-cycle；(f)Completion of compaction and densification process

由圖 1(a)～(c)可知，碳棒垂直于X-Y平面按預定的尺寸要求呈正六邊形等距密排排列，碳纖維在碳棒間先后完成0°、120°、240°鋪放；隨后對碳纖維進行加壓密實，如圖1(d)所示，上述碳纖維三向鋪放、加壓密實定義為單工作周期，重復單工作周期至Z向高度達到尺寸要求，即完成三維四向預制件編織，如圖1(e)、(f)所示。

2 壓實工藝設計

2.1 碳纖維鋪層高度和預制件密度映射關系

根據三維四向碳/碳復合材料預制件成型工藝，為保證預制件成型質量，更好地控制預制件層間密度，楊彩云等利用稱重法[10]計算預制件纖維體積分數，但無法實現在成型過程中監測預制件密度。為實現在線動態調控，需建立碳纖維鋪放高度和預制件密度關系，利用現代傳感與控制技術在線監測預制件密度。選定相同K數碳纖維鋪層，根據式(1)確定預制件纖維體積含量Vf：

(1)

式中：Vw為碳纖維體積，mm3；Vm為預制件體積，mm3。

為建立碳纖維鋪層高度與預制件密度映射關系，對式(1)進一步推導：

(2)

式中：ρf分別為碳纖維線密度，tex；ρm為碳纖維密度，g/cm3；lb為碳纖維長度，mm；n為碳纖維鋪層數；S為預制件X-Y平面截面面積，mm2；H為碳纖維鋪層高度，mm。

通過式(2)可知預制件纖維體積含量與碳纖維鋪層數和碳纖維鋪層高度之間的關系，因此控制相同鋪層數預制體的高度即可實時獲得預制件纖維體積分數。

2.2 碳棒微孔板壓實工藝

為保證鋪層碳纖維得到充分壓實，設計采用面接觸方式的等距密排微孔板，其微孔與Z向碳棒排列一致，在壓實致密過程中與鋪層碳纖維得到充分接觸，有助于提高預制件密度，微孔板壓實纖維模型如圖2所示。

圖2 等距密排微孔板壓實模型Fig.2 Compaction model of equal-distance and density micro-porous plates

在壓實致密過程中，微孔板受集中載荷，為保證鋪層碳纖維受力均勻，特別是微孔板邊緣受力均勻且一致，所受壓實載荷滿足工藝需求，故將微孔板視為剛體，建立模型進行受力分析。選取預制件外接圓半徑R為受力邊緣，將微孔板邊緣等分成N個受力點，受力圖如圖3(a)所示。

圖3 微孔板受力圖Fig.3 Force for micro-porous plate. (a)Force for top view of micro-porous plate；(b)Force for front view of micro-porous plate

微孔板受邊緣力為F1，F2，…，Fn，集中載荷力F為

F=F1+F2+…+Fn

(3)

(4)

通過公式(4)計算得出F1=F2=F3=…=Fn。

為使微孔板所受彎矩最小，加壓機構輸出集中載荷力最優，在邊緣壓實力滿足加壓致密要求的同時，取微孔板俯視圖任意方向建立滾珠絲杠直徑φ與壓實力力學模型，如圖3(b)所示。假設滾珠絲杠任意一點輸出力均為F′≈F，對中心點O取距，由公式(5)可知滾珠絲杠直徑φ與邊緣力Fn的關系：

φ=2FnR/F′

(5)

為驗證理論可行性，選用MDS-500型壓力傳感器搭配WD200-4型數字變送器進行等距密排微孔板受力情況實驗驗證，壓力傳感器檢測量程最大為500 N，精度為0.02%，滿足使用要求。取等距密排微孔板邊緣0°、90°、180°、270° 4點，分別記為A、B、C、D。在微孔板中心逐漸施加載荷，記錄集中載荷與2個微孔板間距離變化，見表1所示。

表1 微孔板受力與位移Tab.1 Force and displacement of micro-porous plates

由表1可知，隨著微孔板受集中載荷逐漸增加，2個微孔板間的距離逐漸減小，微孔板邊緣受力均勻，4個點受力最大誤差不超過4%。微孔板受力均勻可保證壓實過程中碳纖維受力一致，滿足預制件壓實整體性好的工藝需求。

2.3 等距密排微孔板工藝設計

等距密排微孔板為數字化壓實裝備關鍵核心部件，其設計與加工精度決定預制件成型質量。首先確定微孔直徑，假設碳棒直徑為d，長度為h，碳棒在微孔內擺動的角度為α，建立微孔直徑數學模型，如圖4所示。

圖4 微孔直徑模型Fig.4 Model of micro-pore diameter

圖5 微孔板加工工藝模型Fig.5 Process model of micro-porous plate

(6)

式中：ES為上偏差，mm；EI為下偏差，mm；ESp為距離孔板圓心O的上偏差，mm；EIq為距離微孔圓心p的下偏差,mm；EIp為距離孔板圓心O的下偏差,mm；ESq為距離微孔圓心p的上偏差,mm；k，m分別為距離圓心O和圓心p的微孔數量。

通過式(6)計算得孔間距為

(7)

由式(7)可知，當n=2時滿足工藝需求，因此采用n和n+1 2個單元的加工工藝，有效地避免孔間距累計加工誤差。

3 等距密排微孔板壓實裝置

3.1 等距密排微孔板優化設計

微觀條件下將碳纖維離散成纖維單絲，纖維單絲在壓實致密過程中與其他纖維單絲發生黏連或滑移，以填充預制件孔隙，因此采用含有助劑的碳纖維避免纖維間相互作用力過大而使其損傷。壓實致密過程主要分為3個階段，首先微孔板與碳纖維接觸時，鋪層碳纖維逐漸由彎曲狀態變成平直，纖維間摩擦力視為流體摩擦；隨著壓力不斷增大助劑不斷被擠出，纖維間作用力逐漸轉變為邊界摩擦，此時壓力小于纖維單絲間的摩擦力，碳纖維之間的空間被擠占，預制件層間高度迅速被壓縮；當壓力進一步增大后，纖維產生橫向擴散，較前一階段碳纖維壓縮變形量減少；當壓力增大到一定值后，碳纖維壓縮量不再變化，即完成致密過程。

第1階段纖維彎曲是唯一重要的纖維運動形式，此階段將纖維看成是支撐點跨距為ε的桿，支撐點即為相鄰層纖維的接觸點，如果壓實力以dF增加，碳纖維撓度以dy增加，其關系為

(8)

式中：ε為相鄰接觸點間纖維單元長度，mm；I為截面慣性矩，mm4；Y為彈性模量，GPa；k為系數。

第2階段將碳纖維離散成單絲，隨著壓力逐漸增大，此時壓力小于纖維單絲間摩擦力，纖維單絲間發生粘連；第3階段隨著壓力大于纖維單絲間的摩擦力，纖維單絲間發生滲透、滑移等現象。

假設碳纖維各向同性，壓縮過程纖維長度和截面不變，取相鄰碳棒間單位面積的體積為V0，碳纖維包含在單元體內，碳纖維所占高度(體積)為V。在單元體內取1個單位的截面面積，令c為碳纖維所占單元體的垂直高度，纖維長度為δ，則纖維層的單元數量為cδ/(Vε)，單元體模型如圖6所示。

圖6 單元體模型Fig.6 Element model

由于單元體纖維高度為V,面積為定值，因此增量壓力dP為每個單元上增量壓力dF與單元體數量的乘積，即：

(9)

聯立公式(8)得增量壓力dp與碳纖維撓度dy關系:

(10)

每層高度為c的纖維在高度上按比例dy減小，因此體積dV為

(11)

結合公式(10)和(11)得：

(12)

對公式(11)積分得到壓力P與體積V的關系：

(13)

由公式(13)可知，當V=V0時表示碳纖維未被壓縮，此時P=0；在壓實致密工藝過程中，碳纖維表現出流動性且不斷填充預制件孔隙，隨著碳纖維體積V被壓縮，壓力P逐漸增大，預制件纖維體積含量逐漸增加；隨著壓力增加，碳纖維被壓縮表現為高度減小，寬度增加；當預制件壓縮程度過高時，導致碳纖維在兩側的碳棒上重疊程度增加，從而使預制件纖維體積含量降低。為獲得更好的纖維體積分數，需要對壓縮體積空間做出調整，故對等距密排微孔板進行結構優化，優化前后微孔板壓實模型如圖7所示。

圖7 優化前后微孔板壓實模型Fig.7 Compaction model of micro-porous plate before (a) and after (b) optimization

由圖7可知采用優化后微孔板壓實碳纖維體積較優化前增大2εΔlΔt。

假設預制件壓實高度一致，則優化前后的體積分別為V1和V2，此時的壓力為P1和P2，根據式(13)可知采用優化前后微孔板壓實壓力的關系為：

P1-P2=2y*z*εΔlΔt

(14)

由式(14)可知P1>P2，當壓縮高度一致時，采用優化后的微孔板壓力較小，同時不會因為體積空間不足導致碳纖維重疊程度增加，碳纖維在兩側碳棒處具有更好的流動性。選用更小的壓力P2進行預制件壓實，優化前后微孔板壓實體積分別為V3和V2，壓實高度分別為h3和h2，為保證壓力P2相等，需滿足條件V3=V2，故：

h3=h2+2ΔlΔt/l

(15)

由式(15)可知h3>h2，故當壓力相等時，采用優化后的微孔板壓實高度更低，故預制件壓實致密程度高，可獲得更好的纖維體積分數。

綜上所述，壓力與壓實高度相互調節可獲得預定的預制件纖維體積含量,通過優化等距密排微孔板Δl與Δt可減小壓實壓力同時獲得更好的纖維體積含量。

3.2 壓實裝置設計

由3.1節可知優化等距密排微孔板可減少碳纖維在壓實過程中在兩側的碳棒上重疊程度，為約束垂直排列的碳棒同時又增大纖維壓縮空間，設計了與微孔同心的柱形沉孔，優化后等距密排微孔板如圖8所示。

圖8 優化前后微孔板Fig.8 Micro-porous plate before (a) and after (b) optimization

由圖8可知，優化后微孔板在結構方面較優化前微孔板每個微孔都加工了柱形沉孔，柱形沉孔直徑為d+2Δl，深度為Δt。為保證各纖維壓縮空間基本相等，壓實致密過程纖維在碳棒上的堆砌程度均勻，故要求柱形沉孔與微孔同心度較高。

由于等距密排微孔板在壓實致密工藝過程中受集中載荷，為保證精確輸出壓力值，壓實裝置采用伺服電動機驅動的滾珠絲杠-滑塊系統，等距密排微孔板由4根垂直于下微孔板的導向柱定位，保證2微孔板平行且可沿Z向往復移動，孔板可隨鋪放碳纖維高度的變化而變化，實現變厚度編織，如圖9所示。

注：1—伺服電動機; 2—絲杠-滑塊; 3—等距密排微孔板; 4—壓力傳感器。圖9 壓實裝置Fig.9 Compaction device

由圖9可知，預制件加壓致密方式為上微孔板固定不動且安裝有壓力傳感器，隨著下微孔板的上升逐漸對鋪層碳纖維施加壓力，待壓實后下微孔板不再上升，伺服電動機保持輸出力進入保持壓力階段；壓實致密后在伺服電動機的驅動下，下微孔板進入下降階段，2微孔板之間的距離滿足纖維鋪層所需空間后停止。

為滿足工藝需求，根據碳纖維鋪放高度和預制件密度映射關系，設計預制件密度控制的雙閉環控制系統，選用距離傳感器與壓力傳感器，記錄預制件高度和壓力大小，雙閉環控制原理如圖10所示。

圖10 雙閉環控制原理Fig.10 Control principle of double closed loop

由于碳纖維具有黏彈性，預制件在加壓密實過程中高度逐漸降低，密度逐漸增大，隨著鋪層碳纖維高度的增加，壓力隨層高變化而變化，手工壓實較難控制壓力大小。采用雙閉環控制原理，在控制系統中預先設定滿足預制件密度的高度值與壓力值，利用傳感器在加壓密實過程中采集工作數據并將高度值與壓力值反饋至控制器，控制器根據偏差值控制加壓機構輸出值。該控制原理的應用可輸出最優壓力值，保證碳纖維在壓實過程中不受損傷，亦可更好地控制預制件密度。

4 驗證實驗

為驗證理論的正確性，以更好地滿足實際生產需求，優化前后等距密排微孔板參數見表2。

表2 微孔板參數Tab.2 Parameters of micro-porous plates mm

將表2工藝參數帶入式(15)求得采用優化后的微孔板在壓實相同體積下高度減少0.64 mm；優化后的微孔板在壓實致密過程中有更好的體積空間；采用優化前后的微孔板利用數字化壓實裝置對預制件進行壓實致密實驗。通過奧林巴斯SZX16顯微鏡搭配奧林巴斯DP27攝像頭觀察預制件壓實致密顯微形貌。預制件俯視圖顯鏡形貌如圖11所示。

圖11 預制件顯微形貌Fig.11 Microscopic morphology of the prefabricated parts. (a)Front view of compaction carbon fiber of micro-porous plate before optimization；(d)Front view of compaction carbon fiber of micro-porous plate after optimization；(c)Top view of compaction carbon fiber of micro-porous plate before optimization；(d)Top view of compaction carbon fiber of micro-porous plate after optimization

選用尺寸為98 mm×98 mm×20 mm的三維四向碳/碳織物進行壓實實驗，在壓實相同高度下，求得優化后微孔板單元體的體積較優化前增大約0.51 mm3，微孔板與纖維間有更好的體積空間；圖11(a)示出采用原微孔板壓實預制件由于壓實空間小，碳纖維在碳棒上發生堆疊；圖11(b)示出采用優化后的微孔板壓實碳纖維，碳纖維在碳棒上重疊程度降低，碳纖維排列較整齊。

在壓實致密最后階段，當壓實相同高度時，原微孔板與優化后微孔板所受壓力分別為719和435 N，由圖11(d)可知，采用優化后微孔板壓實預制件較優化前碳纖維平整、孔隙度均勻；利用CAD技術計算顯微形貌圖像預制件孔隙面積占截面面積的百分數，記為孔隙率，得出圖11(c)預制件孔隙率為14%,圖11(d)預制件孔隙率為7%。在壓力減少39.5%的情況下，通過對比得出采用優化前微孔板壓實預制件的孔隙率降低50%。通過實驗驗證了理論的正確性與可行性，為實際生產提供理論指導。

5 結 論

本文對壓實致密工藝關鍵技術進行研究，建立了碳纖維鋪層高度與預制件纖維體積分數映射關系，控制相同鋪層數的碳纖維高度即可實時獲得預制件纖維體積分數；設計了等距密排微孔板并提出適用于微孔板的加工工藝，同時為保證壓實工藝過程中纖維具有較好的流動性，提高預制件密度，對等距密排微孔板的每個微孔采用加工柱形沉孔處理；根據三維四向碳/碳復合材料預制件成型技術，研制了基于位移-壓力雙閉環控制策略的數字化壓實裝置，該裝置可實現預制件密度在線動態調控，保證層間密度均勻。采用等距密排微孔板，利用數字化壓實裝置進行預制件壓實致密實驗，驗證壓實工藝關鍵技術可行性，結果表明采用優化后等距密排微孔板壓實的預制件均勻性更好，壓實相同高度時壓力可減少39.5%，孔隙率較優化前降低50%。

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