石英纤维准三维结构针刺预制体性能分析

2021-02-14胡健明缪云良钱淑云张诚李媛琪

高科技纤维与应用 2021年6期

胡健明，缪云良，钱淑云，张诚，李媛琪

(江苏天鸟高新技术股份有限公司，江苏宜兴 214205)

0 引言

天线罩的作用是保护内部天线以及相关联的电子设备免受外界环境的影响。由于空气动力学的原因，天线罩需拥有气动外形，减小电磁能量的失真，同时保证天线性能稳定。目前高性能天线罩已采用石英纤维准三维针刺预制体为骨架的陶瓷基复合材料，该材料具有良好的防热、透波和力学性能，同时具有膨胀系数小、耐腐蚀等优点。石英纤维预制体增强的陶瓷基复合材料已成功应用于战术导弹天线罩[1-2]。

准三维结构石英纤维预制体是采用针刺工艺对石英纤维网毡、石英纤维织物进行接力针刺成型，石英纤维针刺预制体制备过程如图1所示。

图1 石英纤维针刺预制体制备过程示意图[3]

利用刺针将平面层中的短纤维引入并迁移至Z向或法向，使石英纤维网毡和石英纤维织物产生连接，逐层叠加，逐层针刺直至达到所需的尺寸，形成一种准三维结构的针刺预制体。

石英纤维准三维结构针刺预制体具有整体性好，不易分层，孔隙分布均匀、面内及层间强度高等优异性能[4-5]。石英纤维准三维结构针刺预制体内部结构与针刺工艺参数的多样性，使预制体具有极佳的可设计性。但石英纤维准三维结构针刺预制体性能研究未见报道，因此本文研究了石英纤维准三维结构针刺预制体内部结构对针刺预制体力学性能的影响。其力学性能包括X-Y向拉伸强度、Z向连接强度、T型剥离强度，可为针刺成型工艺技术的设计与优化以及复合材料设计提供参考和依据。

1 实验

1.1 原材料

石英纤维，湖北菲利华石英玻璃股份有限公司，B型，线密度：195 tex。

采用机织工艺织造石英纤维织物，石英纤维织物性能见表1；采用非织造工艺制得石英纤维网毡，石英纤维网毡性能见表2。

表1 石英纤维织物性能

表2 石英纤维网毡性能

1.2 实验过程

在针刺工艺参数相同的状态下，制备针刺预制体试样，每种试样制备6件。针刺成型工艺参数和试样内部结构如下。

针刺工艺参数：针刺密度为30针/cm2；针刺深度为12 mm。

试样1内部结构：石英纤维网毡逐层铺层、逐层针刺。

试样2内部结构：一层石英纤维织物(6.0根/cm×6.0根/cm，后面织物规格只写数字，不标注单位)和一层石英纤维网毡逐层铺层、逐层针刺。

试样3内部结构：一层石英纤维织物(7.3×7.3)和一层石英纤维网毡逐层铺层，逐层针刺。

试样4内部结构：两层石英纤维织物(7.3×7.3)和一层石英纤维网毡逐层铺层、逐层针刺。

试样制备后按Q/320282KLN014—2020《石英纤维预制体》进行测试，测试结果见表3。

表3 石英纤维预制体性能

试样照片见图2-图4。

图2 X-Y向拉伸试验试样

图3 Z向拉伸试验试样

图4 T型剥离试验试样

1.3 性能测试

采用电子万能试验机参照标准GJB 1867—94《整体炭毡试验方法》[6]进行石英纤维预制体力学性能测试，试验测试参数见表4。

表4 试验测试参数

2 结果与分析

2.1 预制体X-Y向性能分析

预制体X-Y向拉伸性能见表5。

表5 预制体X-Y向拉伸性能

从表4可知，X-Y向拉伸强度随预制体长纤维占有率的增大而增大。全网毡预制体由于平面方向无连续纤维增强，X-Y向拉伸强度最小，仅为0.17 MPa。

比较两种单层织物结构试样2和试样3。试样2织物经纬密为6.0×6.0，试样3织物经纬密为7.3×7.3，试样3比试样2拉伸强度增大约70.2%。可见，石英纤维织物经纬密度增加，预制体内长纤维占有率和体积密度增大，预制体的X-Y向拉伸强度随之增大。

采用7.3×7.3双层织物结构试样4，相比7.3×7.3单层织物预制体试样3，试样4的X-Y向拉伸强力是试样3的2.08倍。预制体X-Y向拉伸性能与长纤维占有率成正比，预制体长纤维占有率由织物的经纬密度和体积密度决定，预制体的长纤维占有率决定了预制体X-Y向拉伸性能。

2.2 预制体Z向性能分析

预制体Z向拉伸性能和T型剥离性能见表6。

从表6和图5、图6可见，全网毡试样Z向拉伸强度、T型剥离强度最低，全网毡预制体的体积密度为0.15 g/cm3，长纤维占有率为0%，针刺后短纤维迁移至Z向，由于无长纤维相互连接，短纤维的相互连接较弱，其Z向拉伸性能和T型剥离性能最低。试样2～4是含石英纤维织物的预制体，这三种预制体随长纤维占有率的增加，预制体Z向拉伸强度和T型剥离强度随之减小。网毡中的短纤维是针刺过程中Z向纤维迁移的源头，也是预制体层间结合力的关键。网毡比例少，针刺过程刺针捕捉的Z向短纤维迁移的比例降低，短纤维和长纤维相互连接比例减少，所以Z向性能降低。

表6 预制体Z向拉伸及T型剥离性能

图5 预制体Z向拉伸性能

图6 预制体T型剥离性能

2.3 结构分析与优化

前期研究表明，影响石英纤维准三维仿形针刺预制体力学性能的主要因素有长纤维占有率、体积密度、针刺深度、针刺密度等工艺参数。其中：石英纤维织物中的长纤维占有率可增加预制体X-Y向拉伸强度，同时也可增加预制体的体积密度，石英纤维网毡的比例将直接影响针刺过程短纤维Z向的迁移。在针刺工艺过程中，针刺密度和针刺深度将直接影响Z向纤维的迁移量，从而影响预制体的综合性能[7-8]。

根据2.1-2.2不同预制体X-Y向拉伸强度、Z向拉伸强度、T型剥离强度分析可知，预制体Z向拉伸强度、T型剥离强度由石英纤维网毡中迁移的短纤维贡献，预制体X-Y向拉伸强度主要由石英纤维织物中的长纤维贡献。石英纤维织物经纬密和长纤维占有率的增加，可提高预制体X-Y向拉伸强度，同时也可增加预制体的体积密度，提高预制体纤维体积密度。

在预制体结构设计时，可根据材料的最终使用要求设计长纤维占有率。层间性能要求较高的预制体，可减少长纤维占有率；平面方向性能要求较高的预制体，则可增加长纤维占有率。而全网毡预制体，由于体积密度低，长纤维占有率为0%，在隔热材料中将发挥其优势。

在针刺成型工艺中，为增加层间性能，可提高针刺密度或针刺深度。但过高的针刺密度和针刺深度，会导致网毡和织物损伤量增加，反而引起预制体性能的降低[9-10]，即X-Y向拉伸强度和Z向拉伸强度会存在极大值。因此，在实际研制过程中，需根据预制体内部结构设计最优的针刺密度及针刺深度。