碳纖維立體穿刺預(yù)制體成型技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與思考

李彥璋,賀辛亥,2,程 攀,魏宇博,梁軍浩,2,劉 菲,2,王 強

(1.西安工程大學(xué) 材料工程學(xué)院,西安 710048;2.西安紡織復(fù)合材料國家省級重點試驗室,西安 710048;3.陜西美蘭德新材料股份有限公司,西安 710600)

1 概論

碳纖維復(fù)合材料由碳纖維預(yù)制體和基體組成,具有低密度、高強度、高剛度、耐腐蝕等特點,能有效提升產(chǎn)品性能,減小產(chǎn)品的質(zhì)量和能耗,在航空航天、汽車工程、建筑等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景[1-2]。

碳纖維預(yù)制體是指在制備碳纖維復(fù)合材料時使用的一種材料形式[3],其性質(zhì)決定最終復(fù)合材料的性能。近年來,碳纖維立體穿刺預(yù)制體成型技術(shù)因其高效性和精準(zhǔn)性得到廣泛關(guān)注。碳布整體穿刺預(yù)制體是制備C/C復(fù)合材料的增強體,最先由美國AVCO公司研制成功,并獲得應(yīng)用[4]。這一技術(shù)通過將穿刺桿插入預(yù)制體內(nèi)部,使其在穿刺壓力和溫度條件下發(fā)生塑性變形,從而改善預(yù)制體的性能。穿刺技術(shù)可以有效改善預(yù)制體的浸漬質(zhì)量和密實性,提高基體的均勻性和一致性。另外,穿刺技術(shù)還可以改善預(yù)制體的界面性能,增強纖維與基體的結(jié)合力,提高碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱力學(xué)性能[5]。圖1為碳纖維預(yù)制體立體穿刺工藝流程示意。

圖1 碳纖維預(yù)制體立體穿刺工藝流程

研究發(fā)現(xiàn),與傳統(tǒng)工藝相比,碳纖維立體穿刺預(yù)制體成型技術(shù)具有更高的生產(chǎn)效率和質(zhì)量穩(wěn)定性。然而在實際應(yīng)用中,這項技術(shù)也面臨一些挑戰(zhàn)和限制。因此,筆者通過對碳纖維立體穿刺預(yù)制體成型技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的研究與思考,全面了解該技術(shù)的最新進展和應(yīng)用前景,分析關(guān)鍵特點和存在問題,提出相應(yīng)解決方案和改進建議,為穿刺方向的研究學(xué)者提供一定的借鑒及參考;并展望其發(fā)展方向,以促進該項技術(shù)及相關(guān)領(lǐng)域的進步。

2 碳纖維立體穿刺預(yù)制體成型技術(shù)研究進展

2.1 穿刺機性能優(yōu)化研究進展

張琳等[6]針對液壓驅(qū)動的穿刺機系統(tǒng)穩(wěn)定性以及重復(fù)定位的精度問題易受到油溫影響的這些不足,對穿刺與壓實機構(gòu),傳動機構(gòu)以及工作臺進行設(shè)計,提高了鋼針定位精度,實現(xiàn)了穿刺和加壓密實的自動化生產(chǎn),提高了生產(chǎn)效率。喬志煒等[7]針對實際穿刺過程中鋼針陣列與機織布間存在的問題,對鋼針陣列進行優(yōu)化設(shè)計,合理選擇鋼針陣列參數(shù),最終改進穿刺工藝優(yōu)化織物結(jié)構(gòu)。董九志等[8]在實際穿刺過程中,針對人工逐根更換鋼針和傳統(tǒng)夾持器存在問題,設(shè)計了適用于鋼針置換的專用鋼針夾持器。喬志煒等[9]針對穿刺過程中鋼針矩陣與碳布之間產(chǎn)生的相互作用,會導(dǎo)致鋼針產(chǎn)生有害變形,同時會對布層造成永久性損傷這一問題進行研究,為解決這一問題首次提出鋼針矩陣整體剛度的優(yōu)化。

以上主要針對穿刺機穩(wěn)定性、穿刺精度及穿刺過程中對材料帶來的損傷等問題進行改進,但沒有將這些部分優(yōu)化整合在一起、形成一個功能完備的穿刺裝置,同時各部分的研究不夠深入,只針對相應(yīng)結(jié)構(gòu)的材料進行了研究優(yōu)化,不具有普適性。

2.2 穿刺成型材料性能研究進展

解惠貞等[10]研究了穿刺間距、穿刺束纖維根數(shù)這兩個結(jié)構(gòu)參數(shù)對C/C復(fù)合材料拉伸性能的影響,發(fā)現(xiàn)隨著穿刺間距的減少,穿刺束纖維根數(shù)的增加,C/C復(fù)合材料Z向的纖維含量增加,最終材料的Z向拉伸強度增加。李陽等[11]的研究表明,不同編織工藝參數(shù)對復(fù)合材料微觀組織有著顯著影響,而穿刺紗線的規(guī)格對Cf/Al復(fù)合材料微觀組織的影響并不明顯。董九志等[12]針對Z向鋼針陣列穿刺立體織物在進行鋼針置換時,內(nèi)外層鋼針置換摩擦力分布不均勻的問題進行研究;同時對立體織物的細觀結(jié)構(gòu)建立模型發(fā)現(xiàn),纖維擠緊程度由織物外層向內(nèi)層逐漸增大,導(dǎo)致了鋼針置換摩擦力從外側(cè)向內(nèi)側(cè)逐漸增大的現(xiàn)象。王寶來等[13]對三維細編穿刺復(fù)合材料的Z方向與X,Y方向的拉伸壓縮強度進行了研究,同時研究了斷口形貌以及破壞模式,為進一步進行該材料的剛度和強度預(yù)報以及強度準(zhǔn)則的建立奠定了必要的實驗基礎(chǔ)。

以上對穿刺成型材料的性能研究覆蓋面很廣,從穿刺纖維根數(shù)、纖維規(guī)格以及鋼針等多方面對材料性能影響進行研究,為以后的穿刺成型提供了理論依據(jù),但是并未形成完整的理論體系,不能廣泛適用于各類穿刺成型材料,同時對于影響因素的探討并沒有上升到理論層面,更多的是定性分析。

2.3 高溫下穿刺成型技術(shù)研究進展

陳衛(wèi)軍等[14]針對高溫下復(fù)合材料的拉伸性能,拉伸失效機理進行了研究,研究發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高,復(fù)合材料的拉伸變形越大,呈現(xiàn)的韌性斷裂特征也越明顯。石友安等[15]為了深入了解復(fù)合材料的多尺度傳熱特性,預(yù)測材料的宏觀熱物性參數(shù),其進行的跨尺度關(guān)聯(lián)傳熱特性分析有利于復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計。韓杰才等[16]針對高溫下(3000 ℃)細編穿刺復(fù)合材料的氧化和燒蝕進行研究,建立相應(yīng)的非平衡燒蝕模型,提出碳氧化的微觀機理,探討了擴散控制和反應(yīng)動力控制對C/C復(fù)合材料氧化與燒蝕規(guī)律的影響。張巍等[17]針對細編穿刺復(fù)合材料在高溫下的斷裂機理,研究了細編穿刺碳碳復(fù)合材料的組分微結(jié)構(gòu)形態(tài)內(nèi)部微缺陷產(chǎn)生的原因以及隨溫度升高的演化規(guī)律。

因目前穿刺成型技術(shù)更多應(yīng)用于航空航天以及軍事領(lǐng)域,所以其在高溫下的表現(xiàn)至關(guān)重要。研究者們針對高溫下穿刺成型材料的拉伸性能、傳熱尺度以及氧化燒蝕規(guī)律等方面進行研究,完善了高溫條件下穿刺成型材料的性能研究。

2.4 穿刺成型技術(shù)仿真模擬研究進展

沈高峰等[18]根據(jù)復(fù)合材料織物實際結(jié)構(gòu),以及紗線截面形態(tài)進行建模,構(gòu)建了復(fù)合材料細觀力學(xué)的有限元模型,并且最終模型對材料的彈性模量、極限強度和斷裂應(yīng)變的預(yù)測誤差均在10%以內(nèi)。楊景朝等[19]針對整體穿刺加壓密實過程中碳布回彈導(dǎo)致平均層高波動范圍較大,影響立體織物性能的問題,提出一種基于機器學(xué)習(xí)理論的加壓參數(shù)預(yù)測方法。朱建勛[20]針對穿刺過程中碳纖維繞針彎曲的問題,探究碳布在鋼針穿刺下移運動中的力學(xué)行為,分析了不同鋼針高度,碳布材質(zhì)以及預(yù)制體結(jié)構(gòu)參數(shù)對碳布力學(xué)行為的影響。方國東等[21]針對細編穿刺復(fù)合材料的周期性特點,提取單胞結(jié)構(gòu)進行有效性能的有限元分析,根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料及不同外部加載條件,對三維細編穿刺復(fù)合材料的內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)進行分析。周鈺博等[22]針對細編穿刺織物,采用具有參數(shù)連續(xù)性的樣條線作為纖維絲束的軌跡特性函數(shù),建立了三維立體織物結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)抽象與三維建模方法。

研究者們針對材料結(jié)構(gòu)、穿刺過程中的鋼針與布層間的動力學(xué)分析以及材料不同的性能研究等進行建模分析,建立了一系列三維模型和函數(shù)模型,為穿刺技術(shù)的研究作出貢獻。研究過程中主要選用的建模方式為提取材料單胞結(jié)構(gòu)進行建模,模型只能適用于單一結(jié)構(gòu)材料,無法廣泛應(yīng)用。

3 碳纖維立體穿刺預(yù)制體成型技術(shù)的不足

3.1在穿刺過程中,由于穿刺鋼針與布層間相互作用,導(dǎo)致鋼針陣列出現(xiàn)移動,造成穿刺精度下降;同時由于鋼針陣列移動,也會對布層造成額外的損傷。

3.2由于碳纖維復(fù)合材料的高性能和高成本,其加工過程需要較長時間和復(fù)雜的工藝流程,同時由于自動化程度低而導(dǎo)致生產(chǎn)效率較低。

3.3目前對于穿刺成型材料的性能研究主要還是針對單一性能的研究,并沒有建立起穿刺成型材料整體的性能理論體系,這就導(dǎo)致對于不同要求的預(yù)制體,在加工過程中很難做到針對性生產(chǎn),可能會導(dǎo)致最終成品無法達到要求。

3.4面對一些立體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的復(fù)合材料,穿刺成型較為困難,無法做到一體成型。

3.5目前穿刺成型技術(shù)主要應(yīng)用于航空航天、軍事領(lǐng)域,應(yīng)用范圍相對較小。

4 碳纖維立體穿刺預(yù)制體成型技術(shù)的思考

4.1 減少鋼針與布層間的相互損傷

穿刺過程中,鋼針與布層在加工時中相互作用,會對鋼針造成不可逆的有害變形,同時對布層也會造成永久性損傷,進而影響產(chǎn)品性能。對此,研究者可以進行鋼針矩陣的優(yōu)化設(shè)計,減少穿刺過程中鋼針與布層的相互作用;同時對鋼針夾持裝置進行設(shè)計升級,保證穿刺過程中鋼針不會因外力而產(chǎn)生不必要的移動,進而減少與布層間的相互作用,降低損傷。

4.2 提高穿刺效率

傳統(tǒng)穿刺方法需手動操作,效率較低。為提高穿刺效率,研究者們提出自動化穿刺設(shè)備和技術(shù)思路,開發(fā)基于機器視覺和機器人技術(shù)的自動穿刺系統(tǒng),可實現(xiàn)對預(yù)制體自動定位和穿刺,可大大提高生產(chǎn)效率,減少人力成本。研究者可以針對鋼針排布陣列較大、數(shù)量較多、人工布針不足等問題對鋼針陣列的布放進行研究,提高穿刺效率;同時可以設(shè)計和開發(fā)立體織物穿刺鋼針的置換裝置,替代人工更換刺針,提高穿刺效率。

4.3 深入理論研究

理論研究方面,目前研究者們主要還是針對材料單一的性能,如拉伸、壓縮、斷裂等進行理論研究,并未對材料的綜合性能進行研究討論,進而形成完整的理論體系?？梢試L試針對三維紡織、2.5 D編織、層疊交錯排布等不同的織物結(jié)構(gòu)建立模型,為實際穿刺成型提供數(shù)據(jù)參考和生產(chǎn)依據(jù)。

4.4 針對異型立體織物的穿刺工藝優(yōu)化

目前的穿刺工藝主要加工結(jié)構(gòu)較為簡單的織物,對異型立體織物,無法做到一體穿刺成型。研究者們可以進行穿刺機的優(yōu)化升級,如針板的結(jié)構(gòu)設(shè)計,穿刺機的運動方式,甚至更進一步的機械手臂輔助穿刺,使異型立體織物的穿刺成型成為可能。

4.5 拓展穿刺工藝的應(yīng)用領(lǐng)域

目前穿刺工藝主要應(yīng)用于航空航天和軍事領(lǐng)域,在其他領(lǐng)域如體育、建筑以及日常生活中應(yīng)用較少,所以穿刺技術(shù)從業(yè)者要積極與其他領(lǐng)域建立聯(lián)系,使穿刺技術(shù)能有更廣闊的發(fā)展空間,更好地促進穿刺技術(shù)的更新與進步。

5 結(jié)語

筆者通過對碳纖維立體穿刺預(yù)制體成型技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的研究和思考,為進一步推動該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供了一定的參考和指導(dǎo),為相關(guān)研究者提供進一步探索的方向和實踐建議。未來研究可以在現(xiàn)有基礎(chǔ)上深入探索碳纖維立體穿刺預(yù)制體成型技術(shù)的具體應(yīng)用場景和改進方法,為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展作出更大貢獻。