碳纖維立體穿刺預制體成型技術發展現狀與思考

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 材料工程學院,西安 710048;2.西安紡織復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

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

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

圖1 碳纖維預制體立體穿刺工藝流程

研究發現,與傳統工藝相比,碳纖維立體穿刺預制體成型技術具有更高的生產效率和質量穩定性。然而在實際應用中,這項技術也面臨一些挑戰和限制。因此,筆者通過對碳纖維立體穿刺預制體成型技術發展現狀的研究與思考,全面了解該技術的最新進展和應用前景,分析關鍵特點和存在問題,提出相應解決方案和改進建議,為穿刺方向的研究學者提供一定的借鑒及參考;并展望其發展方向,以促進該項技術及相關領域的進步。

2 碳纖維立體穿刺預制體成型技術研究進展

2.1 穿刺機性能優化研究進展

張琳等[6]針對液壓驅動的穿刺機系統穩定性以及重復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,傳動機構以及工作臺進行設計,提高了鋼針定位精度,實現了穿刺和加壓密實的自動化生產,提高了生產效率。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,對鋼針陣列進行優化設計,合理選擇鋼針陣列參數,最終改進穿刺工藝優化織物結構。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夾持器存在問題,設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生的相互作用,會導致鋼針產生有害變形,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化。

以上主要針對穿刺機穩定性、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,只針對相應結構的材料進行了研究優化,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、穿刺束纖維根數這兩個結構參數對C/C復合材料拉伸性能的影響,發現隨著穿刺間距的減少,穿刺束纖維根數的增加,C/C復合材料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,不同編織工藝參數對復合材料微觀組織有著顯著影響,而穿刺紗線的規格對Cf/Al復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構建立模型發現,纖維擠緊程度由織物外層向內層逐漸增大,導致了鋼針置換摩擦力從外側向內側逐漸增大的現象。王寶來等[13]對三維細編穿刺復合材料的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報以及強度準則的建立奠定了必要的實驗基礎。

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、纖維規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,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研究進展

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

因目前穿刺成型技術更多應用于航空航天以及軍事領域,所以其在高溫下的表現至關重要。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 穿刺成型技術仿真模擬研究進展

沈高峰等[18]根據復合材料織物實際結構,以及紗線截面形態進行建模,構建了復合材料細觀力學的有限元模型,并且最終模型對材料的彈性模量、極限強度和斷裂應變的預測誤差均在10%以內。楊景朝等[19]針對整體穿刺加壓密實過程中碳布回彈導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習理論的加壓參數預測方法。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行為,分析了不同鋼針高度,碳布材質以及預制體結構參數對碳布力學行為的影響。方國東等[21]針對細編穿刺復合材料的周期性特點,提取單胞結構進行有效性能的有限元分析,根據不同結構的復合材料及不同外部加載條件,對三維細編穿刺復合材料的內部應力狀態進行分析。周鈺博等[22]針對細編穿刺織物,采用具有參數連續性的樣條線作為纖維絲束的軌跡特性函數,建立了三維立體織物結構的數學抽象與三維建模方法。

研究者們針對材料結構、穿刺過程中的鋼針與布層間的動力學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模型,為穿刺技術的研究作出貢獻。研究過程中主要選用的建模方式為提取材料單胞結構進行建模,模型只能適用于單一結構材料,無法廣泛應用。

3 碳纖維立體穿刺預制體成型技術的不足

3.1在穿刺過程中,由于穿刺鋼針與布層間相互作用,導致鋼針陣列出現移動,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由于碳纖維復合材料的高性能和高成本,其加工過程需要較長時間和復雜的工藝流程,同時由于自動化程度低而導致生產效率較低。

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,這就導致對于不同要求的預制體,在加工過程中很難做到針對性生產,可能會導致最終成品無法達到要求。

3.4面對一些立體結構較為復雜的復合材料,穿刺成型較為困難,無法做到一體成型。

3.5目前穿刺成型技術主要應用于航空航天、軍事領域,應用范圍相對較小。

4 碳纖維立體穿刺預制體成型技術的思考

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,進而影響產品性能。對此,研究者可以進行鋼針矩陣的優化設計,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計升級,保證穿刺過程中鋼針不會因外力而產生不必要的移動,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備和技術思路,開發基于機器視覺和機器人技術的自動穿刺系統,可實現對預制體自動定位和穿刺,可大大提高生產效率,減少人力成本。研究者可以針對鋼針排布陣列較大、數量較多、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;同時可以設計和開發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構建立模型,為實際穿刺成型提供數據參考和生產依據。

4.4 針對異型立體織物的穿刺工藝優化

目前的穿刺工藝主要加工結構較為簡單的織物,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化升級,如針板的結構設計,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 拓展穿刺工藝的應用領域

目前穿刺工藝主要應用于航空航天和軍事領域,在其他領域如體育、建筑以及日常生活中應用較少,所以穿刺技術從業者要積極與其他領域建立聯系,使穿刺技術能有更廣闊的發展空間,更好地促進穿刺技術的更新與進步。

5 結語

筆者通過對碳纖維立體穿刺預制體成型技術發展現狀的研究和思考,為進一步推動該技術的發展和應用提供了一定的參考和指導,為相關研究者提供進一步探索的方向和實踐建議。未來研究可以在現有基礎上深入探索碳纖維立體穿刺預制體成型技術的具體應用場景和改進方法,為相關領域的發展作出更大貢獻。