碳化硅纖維預制體編織損傷特性研究

郭偉娜，辛三法，胡文鋒，高彥濤

(上海工程技術大學 紡織服裝學院，上海 201620)

連續SiC纖維增韌SiC基體(SiCf/SiC)復合材料因具有低密度、高強度、高模量、耐腐蝕、耐沖擊、高溫性能穩定、氚滲透率低和輻照穩定性優異等優勢，在航空、航天、核能等領域具有廣闊的應用前景[1-3]。連續SiC纖維是高性能SiCf/SiC復合材料的重要增強體，其性能直接決定了復合材料制備工藝的選擇和創新，以及材料整體性能的提升[4-6]，但SiC纖維模量高，斷裂伸長率低，在編織過程中極易起毛、斷絲，制約了SiCf/SiC復合材料的發展[7-9]。

目前，針對高模量纖維制備復合材料預制件可加工性的研究，主要集中在玻璃纖維、碳纖維等高性能纖維的針織或織造加工性等方面[10-12]。Lan等[13]通過研究紗線拉伸強度、鉤接強度、摩擦因數和針織工藝參數對針織結構織物加工的影響，探討了玻璃纖維的可編織性，并從纖維性能、設備角度出發，提出了改善高模量紗線可織性的建議；Savci等[14]探索了針織設備參數、紗線性能與玻璃纖維可織性的關系，通過紗線對設備部件的摩擦損傷程度以及成型后預制體外觀表征，評價紗線的可織性；陳南梁等[15-16]研究了紗線性能、成型后紗線拉伸強度損失率、預制體疵點、預制體加工對設備部件損傷等對玻璃纖維、芳綸針織可加工性能的影響，并對其進行評價。

與針織工藝加工高模量纖維預制體研究類似，國內外學者[17-19]對織造工藝加工高模量纖維也進行了一些研究。研究表明：在織造的各階段，紗線和織機因接觸產生摩擦引起纖維的斷裂，造成織造困難或預制體中纖維損傷嚴重；紗線摩擦行為直接決定了碳纖維等高模量纖維的可織性，通過碳纖維束摩擦行為的研究，為高模量纖維可織性提高提供了思路。可見，目前的研究在一定程度上對高模量纖維可加工性有一定認識[20-22]。對于SiC纖維可加工性研究而言，僅有的少量相關研究還停留在對其上漿改性、上漿工藝對SiC纖維束基本性能影響及纖維可織造性的評價方面[23-25]。魯祥勇等[26]采用對SiC纖維上漿的方式提高SiC纖維的可織造性，結果表明，SiC纖維上漿后纖維的集束性和毛絲的聚攏性都有所提高。趙玉芬等[27]研究了二次上漿對國產SiC纖維可織造性的影響，研究表明，經9%的E-15水性環氧上漿劑上漿后，SiC纖維束的耐磨性能更好且柔軟度也更高。

燃料包殼等以管狀結構為預制體的SiCf/SiC復合材料是SiC纖維的應用之一，管狀結構是編織工藝制備的典型預制體結構，然而近年來對SiC纖維編織管狀結構的可編織性研究卻是少之又少。在SiC纖維編織管狀結構預制體的過程中，纖維束與織機部件之間的摩擦速度、摩擦次數以及纖維束上所承受的法向載荷等上機參數的變化，都會使SiC纖維束產生不同程度的起毛、斷頭等磨損現象，這些磨損會對SiC纖維束的可編織性產生極大的影響。為此，本文通過模擬編織管狀結構預制體過程中SiC纖維束與編織機之間的接觸狀態，來研究SiC纖維束和織機部件之間的磨損行為。在此過程中通過改變摩擦速度、纖維束所受法向載荷等上機參數，研究編織過程中SiC纖維束的磨損程度與上機參數之間的關系。之后，在一定次數的作用循環后觀察纖維束的外貌特征并測試殘余拉伸強力，進一步研究SiC纖維的可編織性以及編織損傷機制。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

本文采用的SiC纖維束(500根/束)由廈門大學第二代SiC纖維制備得到，單根纖維平均直徑為15.24 μm[28]。18.2 tex純棉紗線、20 tex羊毛/腈綸混紡紗線和滌綸長絲(1 350 tex(96 f))，均為常規紗線。

1.2 測試與表征

力學性能測試：在XS(08)F2系列電子織物強力機上測試SiC纖維束的拉伸力學性能。拉伸隔距為30 mm，拉伸速度為10 mm/min。

形貌觀察：采用LEO 1530VP掃描電子顯微鏡對SiC纖維束斷口處的表面形貌進行觀察，并從微觀結構角度對SiC纖維束的力學性能進行探索。

1.3 編織損傷過程探究

由于SiC纖維束在編織過程中接觸的機械部件都非完全光滑且帶有一定的溝槽，因此，在模擬實驗中，用來模擬該部件的道具需具有溝槽形狀，從而使模擬實驗盡可能與實際編織過程相似，而抱合力機的上下夾具分別具有多個刀片，刀片與刀片之間的空隙使其呈現溝槽狀，符合模擬實驗的需求。同時，抱合力機所具備的可控速度以及可控摩擦次數等特性，使其能夠更好地模擬編織過程中工藝參數的改變。除此之外，在編織過程中由于紗線張力、編織速度等工藝參數的改變，都會使SiC纖維束與機械部件之間的法向載荷發生變化，因此，模擬實驗用的抱合力機還需具有調控法向載荷的能力。

基于以上原因，本文最終采用Y731D型抱合力機結合自制的法向載荷可控的上下抱合夾具，進行SiC纖維束與編織部件之間的仿真摩損實驗模擬，如圖1所示。實驗過程中，纖維束在左右掛鉤處固定不動，摩擦夾具通過往復運動實現SiC纖維束與織機部件的循環摩擦。法向載荷通過在如圖1(b)所示的抱合力機原始夾具上安裝不同質量的法碼盒來調控，摩擦速率通過圖1(c)中的旋鈕來改變。為有效控制SiC纖維束的預加張力，實驗中抱合力機掛鉤處一端固定，在另一端懸掛一定質量的重物。在整個實驗過程中SiC纖維束一直處于被夾持狀態，如圖2所示。

圖1 模擬實驗裝置示意圖

圖2 纖維束摩擦過程示意圖

除研究法向載荷、摩擦速率等參數對SiC纖維磨損特性影響外，本文還對其磨損過程進行探討。首先通過抱合力機的暫停鍵來獲得不同摩擦循環次數下的纖維束樣品，借助WV-CP700/CH彩色閉路監控攝像機觀察不同摩擦循環次數下纖維束的形貌。之后，將不同摩擦循環次數下的纖維束在XS電子織物強力機上進行拉伸力學性能測試，拉伸隔距為30 mm，拉伸速度為10 mm/min，不同摩擦次數下的纖維束分別制作5個樣品進行測試，結果取平均值。為避免測試過程中樣品出現滑脫，確保實驗數據的準確性，實驗專門設計了一種樣卡來增加纖維束與拉伸機上下夾具的摩擦力(見圖3)。

圖3 拉伸測試示意圖

法向載荷的確定：為模擬編織過程中SiC纖維束所承受的法向載荷對纖維束磨損程度的影響，模擬實驗前先進行了探索性實驗，結果顯示纖維在 2 N 以上的法向載荷下會出現起毛、斷絲等現象。故而本文設定法向載荷為3.75、4.75、5.75 N，研究法向載荷對SiC纖維束與編織部件間摩擦性能的影響，實驗中SiC纖維束的預加張力為3.50 N，摩擦速度為156循環/min。每組試樣測試3次，取平均值。

摩擦速度的確定：在編織過程中編織機速率一般為1周期/(3 s)～3周期/s，本文設定摩擦速度為24、84、156 循環/min，研究摩擦速度對SiC纖維束與編織部件間摩擦性能的影響，該實驗中SiC纖維束的法向載荷為5.75 N，預加張力為3.50 N。每組試樣測試3次，取平均值。

摩擦次數的確定：為模擬編織過程中摩擦次數對SiC纖維束磨損程度的影響，模擬實驗前先進行了一些探索性實驗，結果顯示摩擦次數間隔為30～40次時，SiC纖維束表面狀態的差異較為顯著，因此，本文選定摩擦次數為0、40、70和100次，研究摩擦次數對SiC纖維束與編織部件間摩擦性能的影響。實驗中SiC纖維束的摩擦速度為 156 循環/min，法向載荷為5.75 N，預加張力為3.50 N。每組試樣測試5次，取平均值。

2 結果與討論

2.1 SiC纖維束的力學性能分析

為對比分析SiC纖維束的可編織性，本文除測試SiC纖維束的拉伸強力和斷裂伸長率外，還獲取了棉紗、羊毛/腈綸混紡紗和滌綸長絲的拉伸強力和斷裂伸長率[29]，結果如表1所示。可以發現，SiC纖維束與傳統服裝用紗線相比，具有較高的斷裂強度，但是其斷裂伸長率卻非常小，說明SiC纖維束的彈性和延伸性可能較差，其預制體加工時會更加困難。

表1 幾種紗線的相關參數

圖4示出SiC纖維的斷口形貌圖。可知，SiC纖維的斷面產生了放射狀的條紋。這可能是由于SiC纖維在承載時，易在溝槽的尖端產生應力集中，再加上SiC的彈性小、塑性變形小，應力不易緩和釋放，只能以裂紋的形式迅速傳播和擴展，致使纖維破壞；且斷面處還包含霧狀區、鏡面區和羽狀區等脆性斷裂的典型特征。以上分析表明，SiC纖維的脆性使SiC纖維束的斷裂伸長率非常低，且不耐扭折，編織性較差。

圖4 SiC纖維斷口形貌圖

2.2 SiC纖維束的摩擦損傷分析

2.2.1 法向載荷對SiC纖維磨損的影響

在不同法向載荷下，SiC纖維束與編織部件之間的仿真摩損實驗結果為：當法向載荷為3.75、4.75和5.75 N時，SiC纖維束的平均摩擦斷裂循環次數分別為260、54和8次。可以發現，SiC纖維束的摩擦斷裂循環次數與附加的法向載荷存在明顯的反比關系。

通過Cornelissen[30]提出來的絲束-金屬摩擦實驗的接觸力學模型，分析法向載荷對SiC纖維束摩擦性能的影響。假設單根纖維為理想的圓柱體，并忽略夾具表面的粗糙度，即將纖維與夾具的接觸視為圓柱體與光滑平面的接觸，不計二者間摩擦力。實驗中單根SiC纖維與夾具間的接觸面積的推導公式為

A=2ab

式中：a為接觸區域的半寬值；Nfil為作用在單根纖維上的法向載荷，N/m；Rm為接觸體的曲率半徑，μm；E*為材料的等效彈性模量，GPa；A為接觸區域的面積，m2；b為接觸區域長度，m。

SiC纖維束與夾具間的接觸面積為單根SiC纖維與夾具間的接觸面積與SiC纖維根數的乘積，計算公式為

An=Anfil

式中：An為SiC纖維束的接觸面積，m2；nfil為SiC纖維束根數。

從上述公式可知，法向載荷的增加會引起區域半寬值的增加，最終導致SiC纖維束與夾具間的接觸面積增加。然而，纖維束的摩擦力與接觸面積呈近似正比關系，接觸面積的增加使摩擦力也逐漸增大，從而導致SiC纖維束在摩擦過程中法向載荷越大越易斷裂。

2.2.2 摩擦速度對SiC纖維磨損的影響

在不同摩擦速度下，SiC纖維束與編織部件之間的仿真磨損實驗結果為：當法向摩擦速度為24、84、15循環/min時，SiC纖維束的平均摩擦斷裂循環次數分別為80、47、8次。可知，SiC纖維束摩擦斷裂的循環次數隨著摩擦速度的增大呈現減小的趨勢。其原因主要是SiC纖維束拉伸和屈曲的周期會隨著摩擦速度的增大而變短，纖維束承受的張力會隨著摩擦速度的增大而增大，這增加了上下夾具與纖維束間的摩擦效果。同時，纖維束在受到一次屈曲、拉伸或其他作用后，纖維束及纖維束內部纖維產生的形變若不能及時恢復，就極易發生疲勞和塑性變形積累[31]，纖維束就會在高度集中的應力作用下發生斷裂，摩擦力和摩擦系數也逐漸增大，從而導致在實驗過程中摩擦速度越大，SiC纖維束越易斷裂。除此之外還有一個關鍵因素是，在摩擦實驗過程中，SiC纖維束中的纖維在法向載荷作用下會先進行重新排列過程，之后纖維之間會相互纏結，使纖維束表面產生毛羽引起纖維束厚度增加，從而導致SiC纖維束法向力的增加。當摩擦速度增加時，絲束中纖維相互纏結的根數增加，纖維束表面毛羽的厚度會變得更厚，進而法向力也會隨之增加。由上述分析可知，法向力的增加也會加快SiC纖維束在摩擦過程中的斷裂。

2.2.3 摩擦次數對SiC纖維磨損的影響

圖5示出不同摩擦次數下SiC纖維束損傷形貌。可知，SiC纖維束形態呈現扁平狀，其主要原因是SiC纖維束中的纖維在法向力的驅動下發生相互滑移，之后形成新的摩擦接觸面。圖5(b)中沒有纖維束發生斷裂，相對于圖5(a)纖維束較為松散，形成了新的摩擦接觸面，圖5(c)中可以發現少量纖維斷裂的現象。之后，隨著實驗摩擦次數的增加，SiC纖維束內斷裂的纖維數量也逐步增加。圖5(d)中觀察到的纖維斷裂根數明顯多于前3次實驗，且雜亂的分布在最大位移處。該現象的主要原因是，在摩擦過程中SiC纖維束會出現應力集中現象，且纖維束內的某些纖維在循環應力的作用下會超出疲勞極限而被破壞。除此之外，摩擦次數的增加使循環應力次數也逐漸增加，但SiC纖維束的斷裂抵抗力會隨著循環應力次數的增加而減小，因此，隨著摩擦循環次數的增加，SiC纖維束的損耗程度會更加嚴重。對于最大位移處呈現雜亂分布而言，這是因為夾具具有一定的厚度，SiC纖維束和夾具之間的摩擦作用所形成的毛羽會被夾具阻擋到夾具的兩側位置處，并會隨著SiC纖維束和夾具之間的正交往復運動逐漸移動至最大位移處。

圖5 不同摩擦次數下SiC纖維束的摩擦形貌圖

不同磨損程度的SiC纖維束的力學性能測試結果如表2所示。可知，摩擦次數的增大會導致摩擦后SiC纖維束的拉伸斷裂強力和斷裂伸長率減小。當摩擦次數為100次時，與原樣相比，SiC纖維束的拉伸斷裂強力減少了73%，斷裂伸長率減少了53%。由圖5可觀察到，隨著摩擦次數的增加，SiC纖維束表面毛羽也逐漸增多。SiC纖維束在循環彎曲、壓縮、拉伸、滑移、剪切等作用下發生斷裂，隨著越來越多的纖維發生斷裂，能夠承受拉伸應力的纖維也就隨之減少，進而使摩擦之后的SiC纖維束拉伸斷裂強力降低。在摩擦實驗過程中，SiC纖維束中的纖維在法向載荷作用下會先進行重新排列過程，隨著實驗的進行SiC纖維束中纖維發生拉伸伸長變化，纖維的斷裂伸長率隨著摩擦次數的增多逐漸減小，因此，摩擦之后的SiC纖維束斷裂伸長率也隨之下降。

表2 不同摩擦次數下SiC纖維束的力學性能

3 結 論

SiC纖維的斷裂伸長率低，斷裂時呈明顯脆性斷裂的特征使其可編織性成為一個研究重點。SiC纖維在編織過程中與機械部件之間的摩擦行為對SiC纖維的可編織性有著極大的影響。通過模擬編織管狀結構預制件過程中SiC纖維束與編織機之間的摩擦實驗發現，隨著法向載荷的增加，纖維與編織部件間摩擦力增大，SiC纖維束的摩擦斷裂循環次數明顯減少。摩擦斷裂循環次數同時受摩擦速度影響，隨著摩擦速度的增加，摩擦斷裂循環次數逐漸減少。說明SiC纖維束的可編織性與法向載荷、摩擦速度成反比，即SiC纖維束的可編織性隨著法向載荷、摩擦速度的增大而逐漸變弱。

除此之外還發現，隨著摩擦次數的增加，SiC纖維束的表面形貌逐漸出現扁平、松散、毛羽、纖維斷裂等現象。SiC纖維束的拉伸強力和斷裂伸長率隨著摩擦次數的增加表現出明顯降低趨勢，當摩擦次數增加到100次時，SiC纖維束的拉伸斷裂強度和斷裂伸長率與未經摩擦的SiC纖維束相比分別減小了73%和53%。這些現象表明當SiC纖維束承受的摩擦次數越多時，其可編織性也會隨之下降。