一种碳纤维埚帮自动成型机的关键技术研究

刘泠杉， 胡学涛， 林富生， 黄丰毅， 徐钊钊

（武汉纺织大学； 三维纺织湖北省工程研究中心； 湖北省数字化纺织装备重点实验室，湖北 武汉430200）

0 引言

碳/碳复合材料具有密度低、导热性能好、高强度、高模量、热膨胀系数低等优点，是最具有发展前途的高温复合材料之一。在太阳能光伏领域，随着单晶硅直拉炉的迅速发展，其热场结构尺寸不断升级扩大，碳/碳复合材料埚帮、外导流筒、加热器、保温筒、内撑筒及紧固件等热场部件由于其质量轻、 抗侵蚀能力强、 使用寿命长、高性价比及节能效应等突出特点，得到广泛应用[1]，特别是碳/碳复合材料埚帮，已经得到大批量应用。

1 针刺工艺及其对材料性能的影响因素

针刺工艺通过对碳纤维织物的叠层针刺， 以各种纤维布和短切纤维网胎为复合原材料， 利用一种带有反向钩刺的特殊刺针对纤维复合材料铺层进行针刺， 引入层间纤维，达到增强预制体层间性能的目的，是制造碳/碳复合材料预制体的重要技术，如图1 所示。 目前，国内发展出三种碳纤维针刺预制体制备技术：整体针刺毡、碳纤维布预氧丝网胎预制体和碳纤维布/碳纤维网胎预制体[2]。

图1 针刺预制体制备过程示意图[3]Fig.1 Schematic diagram for the needling process[3]

影响针刺工艺的主要参数包括针刺密度和针刺深度。 针刺密度受植针密度、针刺频率和织物输出速度等因素的影响。 针刺密度作为重要的针刺工艺参数，对织物的体积密度和孔隙结构也有重要影响， 然而增强体织物的这些性能会直接影响到复合材料的最终性能。

刘建军等[4，5]研究了针刺参数，包括针刺深度和密度对织物力学性能的影响。 结果发现，在一定范围内随着针刺密度的增加，针刺织物的密度逐渐増大，层间拉伸强度逐渐增加，而面内拉伸强度下降，如图2 所示。

图2 针刺预制体拉伸强度与针刺密度的关系[4]Fig.2 The relationship between tensile strength and needling density for needled preform[4]

李飞等[6]发现针刺密度、深度对针刺预制体面内拉伸强度和层间剥离强度均有显著影响。针刺工艺中，针刺深度取决于刺针工作段的长度， 随着预制体针刺深度的增加，预制体的z 向拉伸强度和层间剥离强度显著增加，但达到定针刺深度后（12～14mm）逐渐下降，如图3 所示。 这是因为随着针刺深度的增加，z 向纤维束的形态发生了变化，纤维发生了损伤和断裂。

图3 针刺预制体的拉伸强度与针刺深度的关系[6]Fig.3 The relationship between tensile strength and needling depth for needled preforms[6]

2 埚帮常见故障分析及其影响因素

埚帮是单晶硅直拉炉中最重要的结构损耗件，主流单晶硅制造企业已经大批量采用碳/碳复合材料埚帮替代石墨埚帮。 这种碳/碳复合材料埚帮在单晶硅的制备过程中，会和其内部的硅料有一定的接触。 在升温时，硅料所释放的大量二氧化硅和硅蒸汽与碳/碳复合材料埚帮接触时极易发生硅化反应而产生侵蚀。硅化侵蚀无法彻底根除，侵蚀积累到一定程度后引起埚帮破坏失效，如图4 所示。

图4 碳/碳复合材料埚帮失效图Fig.4 Failure mode of carbon/ carbon composite crucible

综上所述，提高碳/碳复合材料埚帮的力学性能能够有效延长其使用寿命。 从复合材料的生产工艺分析，碳/碳复合材料的密度、环向碳纤维含量都是影响碳/碳复合材料埚帮使用寿命的重要因素。结合这些影响因素，提高埚帮强度及保温性能，实现对薄弱埚托的重点加固，大幅提高埚帮使用寿命，设计一台碳纤维埚帮自动成型机。

3 碳/碳复合材料整体埚帮成型机的设计

设计一台埚帮成型机， 该机通过改变针刺臂刺针排布、调节针刺角度并增加针刺密度以提高碳/碳复合材料纤维体积含量， 增加埚托厚度并加以涂层的方式来提高埚托的保温性、耐磨性同时增加其强度。

3.1 关键技术及其创新点

该机的关键技术在于改变针刺臂刺针排布、 调节针刺角度并增加针刺密度以提高碳/碳复合材料纤维体积含量，增加埚托厚度并加以涂层的方式来实现。

这台设备的主要创新点包括：①采用新型碳/碳复合材料整体埚帮成型方式，有效提高埚帮强度及保温性能，并可以实现对薄弱埚托的重点加固，大幅提高埚帮使用寿命；②解决手工针刺生产埚帮效率低、产品品质波动大等问题，设计国内首台自行研发、全自动连续生产碳/碳复合材料整体埚帮的设备。

3.2 碳/碳复合材料整体埚帮成型机的设计方案

该设备主要包括五个部分： 芯模组件、 圆筒针刺组件、圆弧针刺组件、顶部针刺组件、控制柜，如图5 所示。

图5 针刺机整体结构示图Fig.5 Diagram of the overall structure of needle punching machine

工作时，在芯模上铺好网胎，完成准备工作。控制芯模底部电机的转动，通过齿轮传动带动芯模以一定的速度转动。 相对应的，所有针刺组件开始同时运动；圆弧针刺部分通过控制系统调节气缸的伸缩频率，完成圆弧部分的针刺；同时，圆筒针刺电机转动经过同步带带动轴上的凸轮转动，由此使推动针刺组件进行有规律的往复运动，完成针刺过程；顶部针刺部分通过芯模方向轨道运动到芯模顶部的正上方，然后带有气缸的针刺板通过竖直方向轨道运动到芯摸顶部指定位置，调节气缸的伸缩频率，完成顶部的针刺。 这样通过控制系统控制各针刺组件协调运行，完成对胎网的碳纤维针刺。

现对该机器的主要五大组件进行分析：

（1）芯模组件。 芯模组件中，芯模可以按照需求装配不同的大小尺寸。芯模下方设有转动机构，可根据需要，调节电机的参数，通过齿轮传动带动芯模转动，如图6 所示。

图6 芯模组件示图Fig.6 Diagram of core die assembly

（2）圆弧针刺组件。 圆弧针刺组件中，由丝杆传动控制竖直方向针刺部分的运动， 而针刺部分在芯模方向和弧形部分方向通过轨道运动， 且弧形部分针刺采用气缸连接针刺板完成针刺过程，如图7 所示。

图7 圆弧针刺组件示图Fig.7 Diagram of arc needling assembly

（3）顶部针刺组件。顶部针刺组件跨越芯摸顶部的机架和针刺部分组成， 其中针刺部分设置在芯模顶部正上方，且针刺部分在芯模方向和竖直方向通过轨道运动，如图8 所示。

图8 顶部针刺组件示图Fig.8 Top needle assembly diagram

（4）圆筒针刺组件。圆筒针刺组件中的针刺部分由电机通过同步带传动带动凸轮转动，由此完成针刺的运动。刺针可根据需要调节深度和密度。 如图9 所示。

（5）控制台。 该机采用PLC 控制，有上位机作为人机界面与PLC 通讯，通过上位机修改参数，以便于机器运行调试。

图9 圆筒针刺组件示图Fig.9 Diagram of cylinder needle assembly

该机器可以调节各项针刺参数， 实现对任意针刺工艺数值设置。通过调节步进量、针板与预制体之间的相对位置以及针板上的植针密度（12～40 针/cm2）可以实现预制体针孔的不同排布形式，调节铺层厚度和针刺深度（3～17mm） 可以模拟针刺纤维束在z 向的不同引入深度。 在不同铺层设置不同的针刺次数； 还可以得到变针刺密度的预制体。

4 总结

本文分析了碳/碳复合材料埚帮的失效形式及其产生的原因，从其影响因素中分析针刺工艺，达到增强碳/碳复合材料埚帮力学性能的要求。 此外针对性的设计了一台整体埚帮成型机，根据不同需求，该针刺机可调节不同的针刺深度、针刺密度以增强预制体的各方面性能。该针刺机采用全自动的控制系统， 将人工手动针刺方式变为自动化制造方式，提高了工作效率，且有效解决了产品各部分密度不均匀、织物型面尺寸准确性差、埚帮整体力学性能薄弱等技术问题。