三维六向锥管形预制件细观结构研究

李静东，蒋 云，李嘉禄

(天津工业大学，天津 300387)



三维六向锥管形预制件细观结构研究

李静东，蒋 云，李嘉禄

(天津工业大学，天津 300387)

研究了逐步全减细纤维束工艺，并利用该工艺实现了三维六向锥管形预制件的制备。通过分析纤维束的运动走向和位置分布，获得了锥管形预制件的6种单胞；根据不同单胞结构，将预制件分为5个区域，针对5个分区的不同单胞，逐一构建几何模型，从而得到各部分纤维束在单胞中的排列与分布规律，可视化地表征了逐步全减细纤维束预制件的内部细观结构。研究成果为预制件几何尺寸和纤维体积百分含量的计算奠定了基础，同时为三维六向锥管形预制件的研发提供了理论指导。

逐步全减细纤维束工艺；三维六向锥管形预制件；内部细观结构；可视化表征

0 引言

三维结构复合材料具有高比强度、比模量、高的损伤容限和断裂韧性、耐冲击、不易分层等一系列优点，已成为先进复合材料的研究热点。三维结构复合材料还具有优良的可设计性，一次成型复杂构件，减少二次加工量，通过改变预制件纤维束数量和编织角来达到理想结构和力学性能[1]。三维编织可制备矩形块状、圆管[2]或锥管形[3]等截面形状，也可整体制成其他多种异形截面[4]。高性能三维编织复合材料是发展航空、航天飞行器热防护系统和耐热结构件的理想材料[5]。

三维六向锥管形复合材料构件在几何形状方面有一定要求，一般采用不同纤维束阵列的圆形制备工艺[6]。对于尺寸较大、性能一致性要求高的锥管构件，采用传统等截面纤维束制备工艺，将存在无法避免的性能梯度效应[7-10]，应用受到影响。为充分发挥三维结构的整体优点，寻找合理的三维六向制备技术，是工程研究必须面对的课题。

目前，锥管形三维六向预制件制备与应用研究报道并不多[11-12]。为正确预测减细纤维束三维六向锥管形预制件的结构性能，必须对其内部复杂的结构进行详细研究，建立细观结构模型，优化制备工艺和整体结构性能。

1 三维六向锥管形预制件制备工艺

1.1 三维六向预制件结构

三维六向结构是在三维五向结构的每个单元中增加与第五向垂直方向的纤维束所获得的预制件结构形式。一般可通过在三维五向预制件成型平面内的运动阵列中横向引入纤维束获得。三维六向结构的第六向纤维束可视为是在三维五向结构的垂直方向增强，织物具有结构更稳定、力学性能更好的特点。通过试验研究，某航天飞行器热防护复合材料构件采用三维六向锥管形预制件作为增强相，获得了良好的使用效果。

1.2 三维六向锥管形预制件制备工艺

三维六向锥管形预制件可在三维五向圆形设备上制造。通过特定的工艺设计，在三维五向设备上，实现第六向纤维束的固定。因此，三维六向锥管形预制件的制备工艺与三维五向工艺加工方法基本相同，只是在设计尺寸时，须考虑第六向纤维束对三维五向预制件内部几何结构的影响。

当锥管形预制件由大端向小端成型时，要解决在保持结构和性能基本不变的情况下，使预制件尺寸均匀减小，而纤维体积百分含量保持基本不变。作者曾系统研究了各种减纱工艺[13]，通过理论分析和试验对比，减细纤维束制备工艺能够满足三维六向锥管形预制件外形尺寸和纤维体积百分含量的设计要求。

2 三维六向锥管形预制件的减细纤维束工艺

2.1 锥管形预制件减细纤维束工艺思想

三维预制件是基于携带纤维束的锭子，在设备上按设定的运动程序不断变化相互间位置，从而使纤维束互相交织，沿预制件长度方向形成预定结构。预定结构的形状尺寸除由运动程序决定外，还取决于纤维束的粗细。假设纤维束的截面尺寸可根据预制件截面尺寸的改变而改变，那么变截面的制备就会变得简单易行。然而，工业化生产的纤维束都是等截面的，均匀改变截面尺寸几乎无法实现，但可通过设计，在一定位置对纤维束进行等量减细(每次减细的纤维束细度相同)工艺操作。如三维四向、五向和三维六向锥管形预制件可采用此技术方案，参加运动的锭子都会至设备的最外侧。此时，可对外侧纤维束实施等量减细操作，携带减细纤维束的锭子改变运动方向后，向设备的内侧运动。三维六向锥管形预制件纤维束根据需要采用多束合股设计，在制备过程中，可进行减细操作，从而实现锥管形截面不断减小，而纤维体积百分含量又满足设计要求的目标。

2.2 三维六向锥管形预制件减细纤维束工艺

分析锥管形预制件制备工艺过程得到如下结果：制造设备上，每一个运动锭子都会由设备的最外侧顺时针(或逆时针)地一步步斜向运动到设备最内侧，再从最内侧顺时针(或逆时针)地一步步斜向运动到设备最外侧。也就是每一个锭子都会运动到设备的最外侧，只是时间先后不同而已，如图1所示。图中，“●，○”表示运动纱锭；“×”表示不参加运动的第五向固定纱锭；“—”表示第六向纤维束运动轨迹。除最外侧和最内侧锭子外，处于每个轴向固定纤维束锭子周围的4个运动锭子，有不同的运动状态，位于同一圈上的运动锭子按同一转向运动，位于同一列上的运动锭子按同一方向(向内或向外)运动穿过设备。因此，在任一时刻，设备上同时存在着4种运动状态的锭子：顺时针向内运动；顺时针向外运动；逆时针向内运动；逆时针向外运动，如图2所示。图中，a锭顺时针向内；b锭顺时针向外；c锭逆时针向内；d锭逆时针向外；“×”表示不参加运动的轴向固定纱锭；“→”表示第六向纤维束运动方向。

图1 三维六向锥管形预制件某纱锭运动轨迹示意图Fig.1 Schematic diagram of the trajectory of a spindle in 3D 6-Directional cone tube preform

图2 锥管形预制件某固定纱锭B周围的 4个运动纱锭运动示意图Fig.2 Schematic diagram of four movable spindles around a fixed spindle B in the cone tube perform

而第六向纤维线沿圆周方向分步进行：根据需要控制引入纤维线密度，每完成一个编织循环(二步或四步)进行。可分别获得如图3(a)所示的全阵列六向纤维线阵列，即四步法中每2步穿1次纬纤维，且每个间隔均布纤维线，简称全阵列三维六向编织工艺；图3(b)为半阵列六向纤维线阵列，即完成四步法中的所有步骤穿1次纬纤维，且每个间隔均布纤维线，简称半阵列三维六向编织工艺；图3(c)为交错阵列六向纤维线阵列，即完成四步法中每2步穿1次纬纤维，只间隔布置一半阵列，完成四步法中，其余2步再穿1次纬纤维，与前一次布置位置错开，简称半阵列三维六向编织工艺。

设定每一个锭子的纤维束都由更小单位的纤维束合股而成，当某锭子运动至设备最外侧时，减去其中1股纤维束，让其继续向设备的内侧运动，它携带的较细纤维束与从内侧向外侧运动的未减细的纤维束相遇，组成结构单元，从而形成了带有减细纤维束的单元。未减细的锭子当运动至最外侧时，也被减去一部分纤维束，并继续从最外侧向内侧运动，可能与从内侧向外侧运动的未减细的纤维束相遇，也可能与从内侧向外侧运动的已减细的纤维束相遇，组成其他形式的结构单元，如图4所示。

图3 第六向纤维束的不同阵列Fig.3 Different arrays of the 3D 6-directional fiber bundle

图4 预制件纤维束轨迹及其减细过程Fig.4 Fiber bundle trace and reducing process of the preform

上述减细纤维束的三维六向锥管形预制件的纤维束截面不断改变，预制件的截面和单胞尺寸也会随之改变。确定制备工艺的锥管体在不同轴向高度未减细纤维束与减纤维束所占比例不同，其单胞几何结构和在同一高度横截面上具有确定的分布规律。

3 减细纤维束三维六向锥管形预制件单胞构造

为方便研究，结合实际的三维六向预制件的具体情况，进行如下假设：

(1)运动纤维束可看成随单元几何形状变化的折线链，如图5所示；

(2)预制件轴线为一直线，打紧平面为垂直于预制件轴线的相互平行的平面簇；

(3)预制件制备过程中，打紧力均匀；

(4)预制件中纤维线形状相互挤压发生变形，但纤维线的横截面积不变；运动纤维束横截面形状等效视为可变六边形(如图6所示)，第五向及第六向纤维束截面可等效为可变四边形形状(如图7所示)；

(5)所有运动纤维束至最外层后，减去相同粗细纤维束，即采用逐步全减细纤维束工艺。

图5 三维编织物中单根纤维束链式模型Fig.5 Chain mode of a single fiber bundle in 3D braided perform

图6 织物单胞几何结构中4根编织纤维束Fig.6 Four braiding fiber bundles in geometrical structure of unit cell fabric

图7 单胞几何结构中的第五向及 第六向纤维束Fig.7 The fifth and sixth fiber bundles in geometrical structure of unit cell fabric

3.1 采用全减纤维束工艺的三维六向锥管形预制件区域划分

根据具有代表性的单胞几何结构内部纤维束是否减细和减细数量对预制件进行区域划分，除表面单胞外，不考虑纤维束横截面积的内部单胞几何结构的纤维束交叉方法，与其相邻单胞具有数学意义上的对称关系(反射对称和平移对称)。

根据不同纤维束组合结果，对三维六向锥管形预制件几何结构进行区域划分(图8)：未减纤维束区、未减纤维束与减纤维束过渡区、逐步减纤维束区、逐步减纤维束与完全减纤维束过渡区和完全减纤维束区。

图8 三维六向锥管预制件区域划分Fig.8 Zone division of 3D 6-Directional cone tube preform

3.2 三维六向锥管形预制件区域纤维束交织结构及单胞几何结构

(1)未减纤维束区

在该区域中，4个不同方向的起始运动和第五、六向纤维束交叉成为图9(a)所示的基础微单胞结构。通过对基础微单胞的对称变换，获得与其相邻的微单胞，如图9(b)所示。相邻的4个基础微单胞组成大单胞结构，预制件中两者的关系，如图9(c)所示。三维六向锥管形预制件未减纤维束区是由这些纤维线交织方法类似，但体积随坐标变化而变化的微单胞构成。纤维束采用横截面相同的组合纤维束组成。面部单胞与传统几何结构相同，这里不再赘述。

(a) 基础单胞A (b) 基础单胞的XOY

(c) 大单胞几何结构 (d) 单胞相邻关系

根据最外侧全减细纤维束工艺的逐步实施，未减纤维束区基础微单胞在径向的数量逐一递减。

(2)未减细纤维束与减细纤维束过渡区

在未减纤维束区与减细纤维束区交界处，沿轴向有一列单胞过渡区，如图10所示。

图10 未减细与减细纤维束工艺过渡区Fig.10 Transition zone of non-thinning and thinning fiber bundles

沿圆周方向，每个微单胞中有1根减细纤维束，如图11所示。减细纤维束为周向减细首次进入预制件内部的同向纤维束。

图11 工艺过渡区相邻2种结构单胞Fig.11 Two kinds of adjacent structural unit cell in transition zone

(3)逐步减纤维束区

在逐步减细纤维束区，每个单胞中有2段减细纤维束，微单胞几何结构有2种，如图12所示。每个单胞中，有2根起始纤维束和2根减细纤维束。

逐步减纤维束区在三维六向锥管形预制件几何结构中，呈轴剖面为三角形的环状结构。所有单胞中，减细纤维束方向由预制件外侧向预制件内侧倾斜，如图13 所示。

图12 逐步减细纤维束区2种结构单胞Fig.12 Two kinds of micro unit cell structure in gradually thinning fibers zone

图13 三维六向锥管预制件逐步减细纤维束区几何结构Fig.13 The geometric structure of the gradually thinning fibers zonein 3D 6-Directional cone preform

(4)逐步减细纤维束与完全减细纤维束过渡区

在逐步减纤维束与完全减纤维束交界处，有一层过渡区单胞，如图14所示。

图14 逐步减细与完全减细纤维束过渡区Fig.14 Transition zone of gradually thinning fibers and completely thinning fibers

该区域单胞几何结构有2种，如图15所示。每个单胞中有1根原始纤维束，3根减细纤维束。

(5)完全减细纤维束区

纤维束全减细后，预制件几何结构单胞如图16所示。

图15 过渡区相邻2种几何结构单胞Fig.15 Two kinds of adjacent structural unit cell in transition zone

图16 三维六向锥管预制件完全减纱区Fig.16 Completely thinning fibers zone in the 3D 6-Directional cone tube preform

预制件在完全减纤维区纤维束全部为减细纤维，轴向固定纤维及第六向纤维横截面积不变，只发生几何形状变化。

3.3 全减纤维工艺三维六向锥管形预制件几何结构特征

采用逐步全减纤维束三维六向制备工艺，可设计几何尺寸改变，而其他性能基本一致的三维六向锥管形预制件。根据纤维束组合方案不同，将锥管形预制件沿轴向(预制件编织成形方向)分为5个区，每个区呈现不同的环状几何结构。在不同的区内，有2种结构不同但具有对称性的相邻单胞，并在同一区内周期性重复(不包括其性能重复)。不同区域的单胞减细纤维束的根数不同，从锥管形预制件大端到小端分区中减细纤维束的根数依次为0、1、2、3和4。随减细纤维束根数的递增，不同区域单胞中交织方式不变，单胞的几何尺寸发生变化。在打紧状态一致的情况下，单胞体积随减细纤维束根数的增加呈递减趋势。通过调整编织花节的大小，即可对预制件的几何尺寸和纤维体积百分含量进行较精确的设计。表1列出了锥管形预制件区域划分及对应区域中不同单胞的几何结构特征。

表1 锥管预制件分区及对应不同分区单胞几何结构的特征Table 1 Zone division of cone tube perform and the characteristics of geometrical structure of unit cell in different zone

4 结论

(1)对三维六向锥管形预制件的单元结构研究得到，采用逐步全减纤维束工艺的锥管形预制件，可根据纤维束是否减细和减细数量不同，分为未减纤维束区、未减纤维束与减纤维束过渡区、逐步减纤维束区、逐步减纤维束与完全减纤维束过渡区和完全减纤维束区。各个区域呈现不同的环状几何结构，不同的区域纤维束交织状态未发生变化，但各个区域单胞中减细纤维束的根数不同，导致锥管形预制件在不同区域单胞体积发生变化，从而满足了构件的几何形状要求；针对5个分区的不同单胞，逐一构建几何模型，从而得到各部分纤维束在单胞中的排列与分布规律，为预制件几何尺寸和纤维体积百分含量计算奠定基础。

(2)本文研究了三维六向锥管形预制件在外侧逐步全减细纤维束技术，且只论述了在预制件外侧减细一次的纤维束减细工艺。在预制件尺寸变化较大时，可考虑二次减细或多次减细，还可采取非均匀减细等方法，以满足预制件几何尺寸和密度变化等方面的要求，这部分工作还有待今后进一步研究。

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(编辑：薛永利)

Microstructure research of 3D 6-directional cone tube preform

LI Jing-dong, JIANG Yun, LI Jia-lu

(Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

The gradually whole thinning fiber-bundles process was investigated, and this process was used to prepare 3D 6-Directional cone tube perform. By analyzing the movement and position of the fiber-bundles, six kinds of unit cells of the preform were acquired. According to the different structures of unit cells, the preform was divided into five zones. Several geometric models were constructed step by step for different unit cell in five zones. The rule of arrangement and distribution of the fiber bundle in unit cell of different zones were obtained. The inner microstructures of cone tube preform with gradually whole thinning fiber-bundles were visually characterized. The research lays the foundations for the analysis of geometrical dimensions and calculation of fiber volume percentage for the preform. At the same time, the research provides theoretical guidance for the research of 3D 6-Directional cone tube perform.

gradually whole thinning fiber-bundles process；3D 6-directional cone tube preform；inner microstructure；visually characterized

2015-01-05；

：2015-06-07。

李静东(1972—)，副教授，研究方向为三维编织结构。E-mail:lijingdong @tjpu.edu.cn

V258

A

1006-2793(2015)06-0882-06

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.06.025