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针刺技术在C/C复合材料增强织物中的应用
  2006-11-07  中国航天科技集团四院四十三所 西北工业大学   [收藏该文章]
 针刺技术在C/C复合材料增强织物中的应用
刘建军1，李铁虎2，郝志彪1，李飞1，嵇阿琳1
(1．中国航天科技集团四院四十三所， 西安  710025）
2． 西北工业大学   材料科学与工程学院，西安  710072)
摘要： 本文在介绍刺针功能的基础上，对针刺技术用于C/C复合材料增强织物成型的原材料特点、工艺与应用等进行了论述，对针刺技术应用的发展趋势进行了分析。
关键词：针刺；纤维；增强织物   
1 前言
    针刺技术是利用纺织工业的非织造布技术，用截面为三角或其它形状的棱边上带倒钩的刺针对纤维布、网胎或复合叠层材料进行接力针刺，从而制备炭/炭（C/C）复合材料准三维织物预制体的方法。由于针刺C/C复合材料增强织物的特殊结构，使其具有孔隙分布均匀、易致密成型、较高的面内和层间强度等特点，已成为一种具有广泛应用前景的C/C复合材料预制体，并可用做其它复合材料增强预制体[1-4]。
    从二十世纪七十年代以生产炭纤维的原丝作为针刺的材料开始，因低制作成本、易于制作复杂型面制品的强技术适应能力，原材料和针刺工艺不断得到改进，目前已发展到利用炭纤维作为针刺的材料。由于针刺增强织物中材料构成成分、刺针和工艺的多样性，使得针刺增强织物具有相当的可设计性，是一种多用途的织物成型技术，可成型平板、锥体、圆筒等，应用领域不断拓展，如飞机刹车盘、固体火箭发动机喉衬、扩散段以及其它高温领域用C/C复合材料增强预制体。
2刺针的结构与作用
2.1刺针的结构
    常见刺针的结构如图1所示。
    针尖的主要作用是协助工作段更容易刺入制品中。针叶是刺针的主要工作部位，针叶直[1]径(截面高度)、针叶长度，针叶截面形状是针叶的重要参数。针叶的直径决定了刺针的强度并影响针体弹性。针叶的长度取决于钩刺间距和钩刺数目，同时对针体的弹性产生影响。针叶的截面形状一般为等边三角形或等边三角形的改进形、圆形等，它对刺针是否能够均匀承受来自各个方向的扰曲力，在针刺过程中提供最佳工作条件非常重要。渐缩锥的主要作用是增加针体弹性。渐缩锥个数越多、长度越长，针体弹性越好。常见刺针有单渐缩锥针和双渐缩锥针两种。从断针率方面来看，由于针刺过程中刺针所承受的来自各方向应力不平衡，使用弹性较好的针体可以降低断针率。

图1 刺针的结构

    钩刺是刺针携带纤维的部位，是刺针最重要的部位。依据钩刺间距大小，刺针可分为R、M、C、F、S型，间距大小决定了纤维相互缠结程度和阻力大小。钩刺形状主要采用三维成形的HL和RF形，在加工时修圆边缘，以减少对纤维的损伤，延长刺针寿命。钩槽深度、钩槽长度、齿突高度和下切角度是钩刺的重要参数，它决定了钩刺每次针刺所能握持的纤维数量，进而决定了针刺时引入纤维束中纤维的数量，它对于预制体的力学性能起决定作用，同时也影响预制体的平整度。

图2 钩刺结构
    因此，刺针的选用应确保针体具有足够的刚性，同时应兼具一定的韧性和弹性，合理的棱边齿数、齿距以及合理的钩刺几何形状及参数。
2.2 刺针的作用
    刺针经过反复穿刺，把部分水平纤维通过钩刺的“携带”作用引入到垂直方向上，这些纤维与水平方向上的纤维相互缠结、相互约束，形成了具有一定强度和独特结构的预制体。
    钩刺穿刺网胎时首先接触的是网胎表面层纤维，此时钩刺的抓取、容纳能力最强，随着针刺深度的增加，钩槽逐步为网胎表面层纤维所充满，继续下刺，钩刺的握持能力便明显下降。对于针叶上各钩刺，由于位置关系，进入网胎的次序有先有后，所面对的网胎结构也因前面钩刺对网胎的作用而不同，接触各层次纤维的机率不同，在一定针刺深度下，先进入纤网的钩刺到达的位置较深，所携带的纤维转移程度也较大[5-6]。
    刺针钩刺在对网胎中纤维抓取、携带的过程中同时存在着对纤维的损伤。钩刺将直接切断、划伤与之接触的平面内纤维。对于所引入的纤维，随针刺深度的增加，钩刺所握持的纤维受到的牵拉力、挤压力不断增大，钩刺的棱角、毛刺对纤维也出现较大的损伤。纤维过多的损伤甚至断裂，直接影响预制体的结构和性能，在提高纤维转移数量的同时应尽量避免纤维损伤。一般来讲，针叶粗、钩刺大的刺针对纤维损伤较大；制品密度大，刺针穿刺时阻力大，纤维损伤也会增加；针刺深度过大，被握持纤维的断裂会增多；针刺频率过大，纤维受到的冲击力大而易被损伤。
3 纤维的特性、针刺工艺与应用
     纤维本身性能决定了其针刺工艺性能，纤维本身强度越高、断裂伸长率越大、纤维表面越光滑、截面形状越规则，纤维承损能力就相对越高。针对纤维原材料的特性，应合理选用刺针及工艺，以减少对纤维的损伤。
以生产炭纤维的原丝，即有机类化纤如粘胶丝、聚丙烯睛等作为针刺C/C复合材料增强织物的原材料，因较高的强度、断裂伸长、抗摩擦等而在针刺过程中具有较高的抗损伤容限能力，针刺工艺性较好，但由于在后续的炭化过程中织物的收缩形变较大，织物性能的可控性较差，目前主要在保温炭毡材料中应用之外，很少作为针刺C/C复合材料增强织物的原材料。
    聚丙烯睛预氧化纤维具有适中的强度、断裂伸长和抗针刺损伤能力，因而作为针刺技术的原材料目前被广泛应用，技术相对成熟，预氧化纤维物理机械性能如表1所示。
    聚丙烯睛预氧化纤维应用主要包括短切纤维和预氧化纤维布的应用。纤维短切的工艺包括纤维短切、梳理成网以及叠层（铺层、缠绕）接力针刺，必要时在纤维制备时可对纤维进行卷曲处理以提高针刺的工艺性能。叠层的方式可以是网胎叠层、也可以是网胎和炭布的复合叠层，主要取决于制品的功能应用。炭布可以根据不同的需要来选用，如3K、6K，平纹、斜纹、无纬布等。聚丙烯睛预氧化纤维整体毡性能见表2。
表1 聚丙烯睛预氧化纤维的物理机械性能
技术参数
单位
指标
单纤维线密度
dtex
1.00-1.25
单纤维直径
μm
9.5-11.5
断裂强度
cN/ dtex
≥2.00
断裂强度Cv值
%
≤15
断裂伸长
%
≥13.0
断裂伸长Cv值
%
≤20.0
碳化指数
%
43-47

表2 聚丙烯睛预氧化纤维整体毡性能
技术参数
方向
单位
指标
体积密度
/
g/cm3
≥0.20
拉伸断裂强力
X-Y向

N
≥250
Z向
N
≥13
    预氧化纤维布以法国NOVELTEX针刺技术为代表，为法国SEP公司专利，发展于上世纪八十年代末期，主要是为了解决2D SEPCARB产品的各向异性、低层间剪切强度、厚壁制品的分层和裂纹缺陷等问题[7-8]。其预制体成型方法是采用PAN预氧化纤维缎纹布，利用倒钩针将层面纤维挂入垂直方向，而在退针时纤维停留在原位。NOVOLTEX针刺技术突出优点表现在以下几个方面：
    能制造低成本的C/C复合材料；
    易于工业化；
    适用于生产厚度方向变化大、复杂形状和需要敏感机加的部件；
    使C/C复合材料各个方向具有良好的力学性能，包括螺纹连结需要的高剪切强度。
    基于上述优点和预制体的成型工艺，Noveltex的这种织物也被称作超细3D非编织炭织物，在平板和锥形预制体上大量应用。
    由于预氧化纤维本质上仍属于有机纤维系列，因此使用预氧化纤维制作的预制体需进行炭化处理，在炭化处理过程中产生的收缩可能导致严重形变，特别是对内型面复杂，不易加工的制品，型面要依靠碳化芯模或机加保证，技术上难度较大；由于纤维炭化是在无张力的情况下进行，最终形成的炭纤维强度较低；受炭化产率的影响，最终制品的纤维体积含量较低，一般为8-15%，因此，寻求使用炭纤维直接针刺成型是针刺技术新的进展[9]。
    炭纤维的应用也包括短切纤维和纤维布的应用，使用的原理和方法与预氧化纤维相同。炭纤维针刺增强织物具有纤维强度高、可省去高温炭化工艺、高温处理后收缩变形小、制品纤维体积含量高等优点，但由于断裂伸长较低使得网胎梳理和针刺的工艺性较差，表现在纤维抗针刺损伤能力较低、纤维导入的长度较短。为解决上述问题，需在针刺前对纤维进行增韧处理，提高梳理和针刺性能。
    无论选用任何一种原材料，为提高增强性能，针刺工艺如刺针、针刺密度、针刺深度、铺层设计等因素的选择均需要通过具体的工艺试验来确立，合理的工艺参数是提高增强织物性能可靠性和稳定性的关键。
4结束语
    针刺技术在C/C复合材料增强织物中已成为重要的成型技术，并已显示其广阔的发展和应用前景。各类针刺C/C复合材料作为一种较为先进的材料技术，已在固体火箭发动机C/C喉衬、C/C扩张段、飞机C/C刹车盘上等广泛应用，并占有主导的产业地位。此外，针刺C/C复合材料技术可用以成型C/C复合材料发热体、隔热屏、异性支架及其它结构和功能件，但在针刺及后续复合工艺研究的深度和广度上，特别是炭纤维作为原材料的针刺上存在需突破的关键点。

参考文献：
[1] 曹云海.飞机炭刹车盘用针刺毡的研究.航空精密制造技术，1995，31（2）：32-34
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[4] 苏君明，崔红，李瑞珍等.新型针刺炭布C/C复合材料的结构与性能.新型炭材料，2000，15（2）：11-15
[5] 王幼农.刺针的选择与使用.产业用纺织品，1999（1）：33-36
[6] 张瑜.针刺机理研究.纺织学报，1996，17（5）：49-53
[7] M.Montaudon,F.Fenoy,F.christin and J.J.choury.Novoltex textures for thermostructural materials. AIAA91-1848
[8] D.Boury,L.Filipuzzi.SepcarbTM materials for solid rocket booster nozzle components.AIAA01-3438
[9] 王忠.针刺碳纤维毡生产工艺初探.新型炭材料，1996，11（4）：35-36

APPLICATION OF NEEDLING TECHNOLOGY ON REINFORCED FABRICS OF CARBON-CARBON COMPOSITE MATERIALS
LIU Jian-jun1 , LI Tie-hu2，HAO Zhi-biao1 , LI Fei1,JI A-lin1
（1. The 43rd institute of the fourth academy of CASC,xi’an ,710025 China)
2.College of materials science and engineering,NPU,xi’an,710072 China）

ABSTRACT: In this paper, needle function is introduced; raw material property, process and application of needled C/C composite fabrics are discussed, the  developing trend is also analysized.

KEY WORDS:  needling; fiber; reinforced fabric