变结构叠层针刺碳纤维预制体力学性能研究

2021-12-19胡健明梁运兴

纺织报告 2021年11期

胡健明，梁运兴，李鹏，张诚

（江苏天鸟高新技术股份有限公司，江苏宜兴 214205）

C/C复合材料凭借优异的性能成为一种高性能新型材料，被广泛应用于航空航天领域。制备C/C复合材料的化学气相渗透（Chemical Vapor Infiltration，CVI）工艺是目前国内外的研究热点之一。碳纤维预制体是C/C复合材料的增强骨架，不仅决定了C/C复合材料的结构和形状，而且会影响基体炭的制备和最终复合材料的性能[1]。

叠层针刺工艺主要以短纤维网胎、连续长纤维基布为原材料，通过刺针往复运动，将短纤维由平面方向迁移至垂直方向，并通过叠层累加，形成具有层间连接结构的三维预制体[2]，见图1。

图1 针刺预制体制备过程示意

由于针刺预制体结构中分布有短纤维网胎，叠层针刺碳纤维预制体各向同性好，垂直方向导热和层间性能也较好，是理想的C/C复合材料增强体[3]。传统的均匀结构针刺碳纤维预制体经CVI沉积过程制备C/C复合材料时，容易产生瓶颈效应，后期致密化速度慢，预制体表面沉积较快，易形成闭孔，需要在沉积一定时间后通过机加工消除这种缺陷，导致制备周期长、成本高。随后，变结构（或称“三明治”型预制体结构）在底层和顶层设计低体积密度层，预制体表面孔隙率增大使CVI致密化过程表面状态良好，可继续增密，同时缩短了CVI生产周期，降低了生产成本[4]。但是，变结构针刺碳纤维预制体性能研究未见报道。因此，本研究探索了变结构和均匀结构针刺碳纤维预制体的平面和Z向力学性能，为针刺成型工艺技术的设计与优化、C/C复合材料的设计与应用提供参考和依据。

1 试验

1.1 试样制备

将T700-12K碳纤维裁切为5～9 cm的短纤维，后经干法成网工艺制得均匀的碳纤维网胎。

采用HTS-12K碳纤维无纬布，按0°/90°铺层与一层网胎针刺复合，逐层连续针刺，制得厚度为13.0 mm、体积密度为0.53 g/cm3的均匀结构无纬布网胎针刺预制体，如图2所示。

图2 均匀结构针刺预制体

将预制体底层采用全网胎针刺结构，逐层连续针刺，针刺复合制得底层厚度为1.5 mm、体积密度为0.20 g/cm3的变结构针刺预制体。中间层采用HTS-12K碳纤维无纬布按0°/90°铺层与一层网胎复合，逐层连续针刺，中间层厚度为10.0 mm、体积密度为0.61 g/cm3。顶层与底层同为全网胎结构，厚度为1.5 mm、体积密度为0.20 g/cm3，最终制得底层和顶层为全网胎结构、中间层为无纬布网胎结构的变结构针刺预制体，见图3。变结构针刺预制体整体体积密度为0.52 g/cm3。

图3 变结构针刺预制体

均匀结构和变结构预制体的长纤维占有率和体积密度见表1。

表1 预制体长纤维占有率和体积密度

1.2 性能测试

采用电子万能试验机，按照GJB 1867—1994《整体炭毡试验方法》进行变结构和均匀结构预制体力学性能测试，测试参数见表2。

表2 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3。

表3 预制体X-Y向拉伸性能

从表3可知，变结构预制体X-Y向拉伸强度高于均匀结构。虽然变结构预制体底层和顶层有低密度全网胎结构，但是变结构中间层的长纤维占有率为82%，主要起承力作用，随着预制体长纤维占有率的提升，预制体X-Y向拉伸性能逐渐提升，可见，预制体X-Y向拉伸性能与长纤维占有率成正比。

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4。

表4 预制体Z向拉伸及T型剥离性能

从表4可知，变结构预制体T型剥离强度高于均匀结构预制体，而Z向拉伸强度较低。这是由于T型剥离在试样的中间向两侧拉开测试，变结构中间层为高体积密度区域，无纬布中的长纤维占有率高，网胎中的短纤维经刺针倒刺迁移至垂直的厚度方向，和层与层之间产生连接，长纤维与短纤维相互连接是提高T型剥离强度的关键。变结构预制体Z向拉伸强度低于均匀结构是因为Z向拉伸是在预制体底层和顶层表面做拉伸测试，Z向拉伸拉脱位置在底层或顶层区域，变结构预制体底层和顶层为全网胎结构，体积密度仅为0.20 g/cm3，长纤维占有率为0%。虽然网胎中的短纤维经针刺迁移至厚度方向，但无长纤维相互连接，仅是短纤维相互连接，连接力小于有长纤维的无纬布和网胎结构。均匀结构预制体底层至顶层均为无纬布与网胎结构，长纤维占有率为71%，长纤维与迁移的短纤维连接较紧密，所以变结构预制体的Z向拉伸强度低于均匀结构预制体。

2.3 预制体性能分析

前期研究表明，影响针刺碳纤维预制体力学性能的主要因素有长纤维占有率、体积密度以及针刺工艺参数等。其中，预制体的长纤维占有率可提高预制体X-Y向拉伸强度，同时也可增大预制体的体积密度。在针刺工艺中，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[5]，但过大的针刺密度和针刺深度会加重预制体的损伤，降低预制体的性能。

根据不同预制体的X-Y向拉伸强度、Z向拉伸强度、T型剥离强度可知，预制体Z向拉伸性能包括Z向拉伸强度和T型剥离强度，由网胎中迁移的短纤维贡献。由于变结构预制体的底层和顶层均为全网胎结构，中间层为含长纤维的无纬布和网胎结构，仅以Z向拉伸强度判定变结构预制体的Z向拉伸性能是不准确的，需要将Z向拉伸强度和T型剥离强度相结合，判断变结构预制体的Z向力学性能。合理设计针刺预制体内部结构，可优化叠层针刺碳纤维预制体的各项性能。