碳化硅纤维2.5D增强预制体的研究.pdf

分析研究 高科技纤维与应用 年第 期 碳化硅纤维 增强预制体的研究董经经 荆云娟 韦鑫 张欢 杨燕宁(陕西省纺织科学研究院有限公司 西安)摘 要:碳化硅纤维增强碳化硅基体(/)复合材料其优异特性是航空发动机热端高温部件的理想材料 作为/复合材料的增强相 纤维预制体的设计与织造决定构件可靠性和承载效率的关键环节 结构由于可设计性强 成本低 成型简单 产业化可实现等特点而广泛应用于预制体织造 本文介绍了碳化硅纤维可织性研究 归纳了 角联锁的几种结构方法 阐述了 角联锁织造关键技术等问题 最后提出了在该领域应解决的问题和主攻方向关键词:陶瓷基复合材料 碳化硅纤维 结构 细观模型 织造方法中图分类号:文献标识码:文章编号:()作者简介:董经经()工程师 主要从事纺织复合材料预制体的制备方法研究 电子邮箱:():(/)/:分析研究 年第 期高科技纤维与应用 引言先进陶瓷基复合材料()具有优异的比强度、比模量、抗冲击性以及极端环境下的耐高温等优异性能 在航空航天、交通运输、海洋船舶等工程领域广泛应用 三维纺织复合材料具有多样化的预制体结构、大范围可调节纤维取向和纤维含量 且引入厚度方向的纤维可以提高预制体的层间性能 可作为先进陶瓷基复合材料的增强预制体 机织具有织造工艺简单、成型快、可设计性强、成本低等显著特点 在航天、航空等热端部件的应用逐步增强 因此深入研究 预制体结构工艺设计与织造方法为工程运用奠定基础 增强预制体由基本的经纱系统与纬纱系统构成 且通过经纱系统层层连接起来 预制体中的纱线不仅沿经纬向 而且厚度方向靠经向纱线层层连接起来 角联锁结构本身又是多种多样的 有斜交角联锁、疏松联锁、层层角联锁等这些结构再配合衬经、衬纬、法向纱又可变化出多种不同的结构 通过对纱线股数、不同位置加纱以及预制体变换方向等工艺设计 从而增强结构件的力学性能朱建华根据实际上机织造工艺参数并结合具体结构数据对三维角联锁结构、三维正交结构、三维变厚度结构、三维筒状结构等四种多层机织物结构进行建模与仿真 利用 编程语言调用 对三维机织物进行仿真 以纱线截面为椭圆形或圆形 纱线轨迹为三次 样条曲线并假设纱线直径不变 确定纱线所在的位置 唐逊以三维机织复合材料细观切片拍照 追踪材料内部纱线各个截面的形状和形心坐标 从而确定三维机织复合材料纱线真实细观形态和轨迹并据此建立了一个新的三维机织复合材料几何模型 计算了三维机织复合材料的纤维体积含量张艳红基于跑道形假设建立了较为符合真实情况的几何模型 该模型能够直接用来分析结构特征参数与 机织增强材料力学性能之间的关系 进一步了解了 机织增强材料细观结构对其经向拉伸性能的影响综上 对于 增强预制体细观几何结构的研究已较为深入 但对碳化硅纤维 增强预制体的研究还不够 因此了解碳化硅纤维 增强预制体的研究内容尤为重要 本文先阐述了碳化硅纤维可织性 其次探讨了碳化硅纤维 增强预制体结构细分 预制体细观模型建立 预制体织造技术方法等方面进行了探讨 并对其发展趋势进行了展望 碳化硅纤维碳化硅/碳化硅陶瓷基复合材料具有重量轻、耐高温、高强度、抗氧化、耐腐蚀、耐冲击等优点 克服了碳化硅()陶瓷材料断裂韧性低和抗冲击载荷性能差的缺陷 特别是在高温环境下保持其理化特性不退化的特点 在航空航天等领域具有广阔的应用前景 是先进材料领域的前沿性材料之一 碳化硅纤维作为多相陶瓷 纤维单丝直径较粗 柔韧性差 纤维集束性差 在预制体成型过程中纤维受到机械的反复拉伸、摩擦和弯曲 使碳化硅纤维束中的单丝发生断裂、松散、劈丝甚至断头 且当经纱密度较高时 引起纤维相互纠缠粘连 导致碳化硅纤维丝束表面被“原纤化”的频率较高 顺利织造难度加大 严重时会出现断纱 进而影响碳化硅预制体的质量而碳化硅纤维预制体作为先进复合材料的增强骨架 其结构及性能对复合材料的性能起至关重要的作用碳化硅纤维可织性是指碳化硅纤维束在承受织机复合应力作用下 所表现出织造适应性即抗织造损伤能力 如图 ()所示 上浆是高性能纤维生产工艺流程中的一个可选择性的关键步骤 纤维在上浆过程中 浆液在纤维表面被覆 在纤维表面形成柔软、坚韧、富有弹性的浆膜 使纤维表面光滑、毛羽贴伏 在纤维内部分析研究 高科技纤维与应用 年第 期 加强了纤维丝束之间的粘接抱和能力 改善纤维的力学性能 能使纤维织造性能得到提高 然而在生产实际操作过程中 通过对碳化硅纤维进行二次表面上浆处理 如图 ()所示 上浆剂的品种与纤维束表面的相容性 尤其是在与陶瓷基体复合时 对/陶瓷基复合材料的性能影响就不得而知 因此 提高碳化硅纤维的可织性可从预制体工艺设计合理性及织造设备适配性方面考虑图 纤维束上浆图图 四种增强预制体结构示意图 增强预制体结构 增强预制体一般采用角联锁结构 角联锁结构按照织造方法分为 个纱线系统 最基础是由经纱与纬纱 个纱线系统组成 如图()所示 衬纬系统、衬经系统、法向纱系统是可选择的预制体结构 增强预制体按照贯穿程度分为整体角联锁和层间角联锁 如图 所示通过改变 增强角联锁的经纱的交织方式 如斜交或者跨层交织的方式得到不同的结构 如斜交角联锁结构、疏松正交角联锁结构UBU5J3UCUK5J3图 两种变结构增强预制体结构示意图单胞是预制体重复的最小单元 是研究增强结构的基础 选取代表性结构单胞 建立合理细观几何模型可以精细化预测 增强预制体的工艺设计 如图 所示 虚线内为 角联锁结构最小单胞 通过观察纱线的截面形态和走向 建立单胞模型 可得到整个 预制体的排列规律 为了便于计算 假设经纬纱的横截面均为圆形 且沿长度方向是均匀的 没有卷曲经纱呈正弦曲线形式排布 编织工艺稳定 编织结构在计算长度范围内是一致的 通过分析单胞内经纬纱的走向 建立正弦曲线的经纱与垂直纬纱的单胞模型 在模型内分析经纬纱长度、高度、厚度等之间的关系 结合纤维体积含量计算工程化所需要的工艺图 结构示意图 分析研究 年第 期高科技纤维与应用 细观单胞模型建立几何法建立如图 所示的单胞结构示意图 结合图()结构走向与图 ()纱线在坐标系分布来分析单胞模型的几何关系 UBUUCUz3333ahdxcby图 结构单元体示意图根据图 ()中的几何关系 可以得出:织物的厚度()厚度方向的单元体数()(/纬密)(/经密)图 中 为单元厚度 为两根纬纱之间的距离 为两根经纱之间的距离 为预制体的厚度 为相邻的两纬的距离经纱在预制体中按正弦曲线排布 将经纱置于如图 所示的平面直角坐标系中YhaX图 经纱轨迹示意图()则接结经纱在 上的经纱弧长为:()()由图 可知 单元体内经纱的总长为 纬纱的总长为 细观单胞模型纤维体积分数方法纱线的线密度为一定长度的纱线具有的克重数 设 为 纱线具有的克重数(单位为/)则纱线的面积为:表示纱线面积是没有任何空隙的纯纤维面积 即由 根单纤维构成的纱线 经纱的截面面积为:经纱线密度经纱材料密度 纱线股数 其中 为经纱的纱线股数纬纱截面面积:纬纱线密度纬纱材料密度 纱线股数 其中 为经纱的纱线股数单元体内纤维的总体积为:纱线 经纱 经纱 经纱 纬纱单元体内的纤维体积含量为:纱线 经纱 纬纱 碳化硅纤维 增强预制体的织造方法与传统平面织造方式相比较 增强预制体最大特点采用多综眼织机 多综眼织机织造时 一般将交织规律相同的经纱穿入同一页综框 也可穿入不同页综框 通过织机的综框运动与动程相配合完成交织 对于 预制体综框每次上升 个综眼高度 一次运动形成多个梭口 手动连续引入层层纬纱 钢筘将纬纱以相同的角度、力度推入织口 卷曲辊带动预制体向前运动 根纬纱直径的距离 综框再次提升 又形成多个梭口 纬纱层层引入 个组织循环完成分析研究 高科技纤维与应用 年第 期 交织形成角联锁结构 设计工艺 列 层为例 基本的 角联锁织造结构(图)工艺实施过程如下:3333图 角联锁织造结构示意图在预制体中经纱、是平行的应穿在同一筘齿内和同一根综丝的不同综眼内 根据它们在织物中的上下位置 应按经纱、由上到下的顺序穿入同一根综丝 经纱、与经纱、相同 但运动规律相反 因此经纱、也按由上到下的顺序穿入另一片综的同一根综丝 图 为预制体织造过程图UBU/4UCU/4.UFU%M4,4/33 0404UDU0 3UEU0 3图 预制体织造过程图用碳化硅纤维织造预制件作为增强结构时因碳化硅纤维脆性大 织造过程中易出现起毛、断裂等问题 因此织造过程中控制点多、难度大目前国内碳化硅纤维预制体还是半机械式织造方式 织造方法没有统一的标准且还不成熟 存在以下问题:预制体的经纬密设计的合理性没有统一定论 外观质量要求不一 成型结构可靠性难以判断 上机经纱张力无法度量 控制均匀度欠佳 严重的可能导致断经 预制体的边纱不稳定 造成预制体边易脱边等不良现象 碳化硅纤维较其他高性能纤维开口不清的现象较严重 易造成织造断纱 预制体的卷取缠绕方式在目前的机器状态也很难实现 因此如何在织机上实现碳化硅纤维预制体的稳定生产 成为近年来陶瓷基复合材料研究领域的重要课题之一 结论航空航天和尖端武器的发展对高温结构材料提出了新的要求 连续碳化硅纤维的耐高温氧化、电性能可调等优异特性成为发展高技术武器装备、航空航天以及核工业的关键战略材料之一 然而对碳化硅纤维 增强预制件的织造方法的研究并没有系统的阐述 研究者们多采用力学性能对复合材料进行探索性研究 但距离指导工程实践还需要进行大量的工作 本文阐述了碳化硅纤维特性 研究了碳化硅纤维 增强预制体结构并对 预制体织造技术等方面进行了探讨 虽然碳化硅纤维 增强结构预制体性能研究取得了实质性的成果 但仍然有一些关键问题亟待解决()碳化硅纤维 增强预制体的可靠性研究不足 预制体在工程应用过程中静态力学行为研究较多 其热学、振动学、动态力学等多场耦合学相关领域需要进一步系统研究()碳化硅纤维 增强预制体材料与成型方法的特殊性 特别对于复杂结构成型 人工干预程度较高 编织结构的均匀性、张力稳定性 分析研究 年第 期高科技纤维与应用控制、产品质量一致性很难保证参考文献 邹武 张康助 张立同 陶瓷基复合材料在火箭发动机上的应用 固体火箭技术():朱民儒 三维纺织复合材料的结构特点和应用产业用纺织品 ():易洪雷 丁辛 三维机织复合材料力学性能研究进展 力学进展 ():陆慧中 孙颖 焦亚男 等 典型多向 机织预制体近净形编织结构设计 复合材料学报 ():聂建斌 卢士艳 角联锁织物的组织设计 纺织学报 ():蒋云 朱建勋 张建钟 等 维编织结构纤维体积含量的数值计算 纤维复合材料 ():杨彩云 刘海东 结构复合材料实体模型的参数化建模 天 津 工 业 大 学 学 报 ():杨彩云 李嘉禄 基于纱线真实形态的三维机织复合材料细观结构及其厚度计算 复合材料学报():陈利 焦伟 王心淼 等 三维机织复合材料力学性能研究进展 材料工程 ():朱建华 张瑞云 王伟 等 复杂组织多层机织物三维建模与仿真 玻璃钢/复合材料():唐逊 周光明 刘旭波 等 三维机织复合材料纱线观测与细观几何模型 南京航空航天大学学报():张艳红 维机织增强材料结构参数对经向拉伸性能的影响 江南大学 罗晰旻 碳化硅纤维的重要进展 高科技纤维与应用 ():吴宁 韩美月 焦亚男 等 高性能纤维的可织性研究进展 航空制造技术 ():杨明杰 韦鑫 张元 等 碳化硅纤维上浆技术探究 棉纺织技术 ():李金亮 高小茹 碳纤维上浆剂的研究进展 纤维复合材料 ():赵玉芬 李嘉禄 宋磊磊 等 上浆剂对国产碳化硅纤维表面及其织造性能的影响 纺织学报():佚名 三维斜交角联锁织物结构的快速设计 中原工学院学报 ():刘兰英 面内准各向同性纺织复合材料的研制天津工业大学 杨振宇 俸翔 苏洲 等 编织复合材料细观结构及 弹 性 性 能 宇 航 材 料 工 艺 ():邱睿 温卫东 崔海涛 基于细观结构的 维机织复合材料强度预测模型 复合材料学报():朱梦蝶 张立泉 郭洪伟 等 浅交弯联结构细观建模及验证的研究 李姗姗 维机织物典型力学特性实验研究天津工业大学 董伟锋 肖军 李勇 等 维编织复合材料弹性性能的理论研究 南京航空航天大学学报():张立泉 蒋云 郭洪伟 等 编织复合材料弹性性能的分析和实验验证 玻璃纤维():周红涛 赵磊 纺织结构复合材料预制件的设计及织造 纺织科技进展():刘海东 三维角联锁结构复合材料弹性性能有限元分析 天津工业大学 胡雨 裴鹏英 龚小舟 角联锁三维机织物在多综眼织机上的织造设计 纺织导报 ():刘健 黄故 多剑杆织机三维织造研究 上海纺织科技 ():胡雨 三维机织物在多综眼织机上的设计与织造 武汉纺织大学 柳宝琴 基于多剑杆织机的三维织物织造工艺研究 东华大学 崔俊芳 三维机织物织造方法的研究 三维多剑杆织机的研制及其控制 天津工业大学 田秀梅 马晓东 张博 等 碳化硅纤维长丝机织预制件织造关键技术 航空制造技术():