碳纤维立体穿刺预制体成型技术发展现状与思考

李彦璋,贺辛亥,2,程 攀,魏宇博,梁军浩,2,刘 菲,2,王 强

(1.西安工程大学 材料工程学院,西安 710048;2.西安纺织复合材料国家省级重点试验室,西安 710048;3.陕西美兰德新材料股份有限公司,西安 710600)

1 概论

碳纤维复合材料由碳纤维预制体和基体组成,具有低密度、高强度、高刚度、耐腐蚀等特点,能有效提升产品性能,减小产品的质量和能耗,在航空航天、汽车工程、建筑等领域有广泛的应用前景[1-2]。

碳纤维预制体是指在制备碳纤维复合材料时使用的一种材料形式[3],其性质决定最终复合材料的性能。近年来,碳纤维立体穿刺预制体成型技术因其高效性和精准性得到广泛关注。碳布整体穿刺预制体是制备C/C复合材料的增强体,最先由美国AVCO公司研制成功,并获得应用[4]。这一技术通过将穿刺杆插入预制体内部,使其在穿刺压力和温度条件下发生塑性变形,从而改善预制体的性能。穿刺技术可以有效改善预制体的浸渍质量和密实性,提高基体的均匀性和一致性。另外,穿刺技术还可以改善预制体的界面性能,增强纤维与基体的结合力,提高碳纤维复合材料的力学性能和热力学性能[5]。图1为碳纤维预制体立体穿刺工艺流程示意。

图1 碳纤维预制体立体穿刺工艺流程

研究发现,与传统工艺相比,碳纤维立体穿刺预制体成型技术具有更高的生产效率和质量稳定性。然而在实际应用中,这项技术也面临一些挑战和限制。因此,笔者通过对碳纤维立体穿刺预制体成型技术发展现状的研究与思考,全面了解该技术的最新进展和应用前景,分析关键特点和存在问题,提出相应解决方案和改进建议,为穿刺方向的研究学者提供一定的借鉴及参考;并展望其发展方向,以促进该项技术及相关领域的进步。

2 碳纤维立体穿刺预制体成型技术研究进展

2.1 穿刺机性能优化研究进展

张琳等[6]针对液压驱动的穿刺机系统稳定性以及重复定位的精度问题易受到油温影响的这些不足,对穿刺与压实机构,传动机构以及工作台进行设计,提高了钢针定位精度,实现了穿刺和加压密实的自动化生产,提高了生产效率。乔志炜等[7]针对实际穿刺过程中钢针阵列与机织布间存在的问题,对钢针阵列进行优化设计,合理选择钢针阵列参数,最终改进穿刺工艺优化织物结构。董九志等[8]在实际穿刺过程中,针对人工逐根更换钢针和传统夹持器存在问题,设计了适用于钢针置换的专用钢针夹持器。乔志炜等[9]针对穿刺过程中钢针矩阵与碳布之间产生的相互作用,会导致钢针产生有害变形,同时会对布层造成永久性损伤这一问题进行研究,为解决这一问题首次提出钢针矩阵整体刚度的优化。

以上主要针对穿刺机稳定性、穿刺精度及穿刺过程中对材料带来的损伤等问题进行改进,但没有将这些部分优化整合在一起、形成一个功能完备的穿刺装置,同时各部分的研究不够深入,只针对相应结构的材料进行了研究优化,不具有普适性。

2.2 穿刺成型材料性能研究进展

解惠贞等[10]研究了穿刺间距、穿刺束纤维根数这两个结构参数对C/C复合材料拉伸性能的影响,发现随着穿刺间距的减少,穿刺束纤维根数的增加,C/C复合材料Z向的纤维含量增加,最终材料的Z向拉伸强度增加。李阳等[11]的研究表明,不同编织工艺参数对复合材料微观组织有着显著影响,而穿刺纱线的规格对Cf/Al复合材料微观组织的影响并不明显。董九志等[12]针对Z向钢针阵列穿刺立体织物在进行钢针置换时,内外层钢针置换摩擦力分布不均匀的问题进行研究;同时对立体织物的细观结构建立模型发现,纤维挤紧程度由织物外层向内层逐渐增大,导致了钢针置换摩擦力从外侧向内侧逐渐增大的现象。王宝来等[13]对三维细编穿刺复合材料的Z方向与X,Y方向的拉伸压缩强度进行了研究,同时研究了断口形貌以及破坏模式,为进一步进行该材料的刚度和强度预报以及强度准则的建立奠定了必要的实验基础。

以上对穿刺成型材料的性能研究覆盖面很广,从穿刺纤维根数、纤维规格以及钢针等多方面对材料性能影响进行研究,为以后的穿刺成型提供了理论依据,但是并未形成完整的理论体系,不能广泛适用于各类穿刺成型材料,同时对于影响因素的探讨并没有上升到理论层面,更多的是定性分析。

2.3 高温下穿刺成型技术研究进展

陈卫军等[14]针对高温下复合材料的拉伸性能,拉伸失效机理进行了研究,研究发现随着温度的升高,复合材料的拉伸变形越大,呈现的韧性断裂特征也越明显。石友安等[15]为了深入了解复合材料的多尺度传热特性,预测材料的宏观热物性参数,其进行的跨尺度关联传热特性分析有利于复合材料的优化设计。韩杰才等[16]针对高温下(3000 ℃)细编穿刺复合材料的氧化和烧蚀进行研究,建立相应的非平衡烧蚀模型,提出碳氧化的微观机理,探讨了扩散控制和反应动力控制对C/C复合材料氧化与烧蚀规律的影响。张巍等[17]针对细编穿刺复合材料在高温下的断裂机理,研究了细编穿刺碳碳复合材料的组分微结构形态内部微缺陷产生的原因以及随温度升高的演化规律。

因目前穿刺成型技术更多应用于航空航天以及军事领域,所以其在高温下的表现至关重要。研究者们针对高温下穿刺成型材料的拉伸性能、传热尺度以及氧化烧蚀规律等方面进行研究,完善了高温条件下穿刺成型材料的性能研究。

2.4 穿刺成型技术仿真模拟研究进展

沈高峰等[18]根据复合材料织物实际结构,以及纱线截面形态进行建模,构建了复合材料细观力学的有限元模型,并且最终模型对材料的弹性模量、极限强度和断裂应变的预测误差均在10%以内。杨景朝等[19]针对整体穿刺加压密实过程中碳布回弹导致平均层高波动范围较大,影响立体织物性能的问题,提出一种基于机器学习理论的加压参数预测方法。朱建勋[20]针对穿刺过程中碳纤维绕针弯曲的问题,探究碳布在钢针穿刺下移运动中的力学行为,分析了不同钢针高度,碳布材质以及预制体结构参数对碳布力学行为的影响。方国东等[21]针对细编穿刺复合材料的周期性特点,提取单胞结构进行有效性能的有限元分析,根据不同结构的复合材料及不同外部加载条件,对三维细编穿刺复合材料的内部应力状态进行分析。周钰博等[22]针对细编穿刺织物,采用具有参数连续性的样条线作为纤维丝束的轨迹特性函数,建立了三维立体织物结构的数学抽象与三维建模方法。

研究者们针对材料结构、穿刺过程中的钢针与布层间的动力学分析以及材料不同的性能研究等进行建模分析,建立了一系列三维模型和函数模型,为穿刺技术的研究作出贡献。研究过程中主要选用的建模方式为提取材料单胞结构进行建模,模型只能适用于单一结构材料,无法广泛应用。

3 碳纤维立体穿刺预制体成型技术的不足

3.1在穿刺过程中,由于穿刺钢针与布层间相互作用,导致钢针阵列出现移动,造成穿刺精度下降;同时由于钢针阵列移动,也会对布层造成额外的损伤。

3.2由于碳纤维复合材料的高性能和高成本,其加工过程需要较长时间和复杂的工艺流程,同时由于自动化程度低而导致生产效率较低。

3.3目前对于穿刺成型材料的性能研究主要还是针对单一性能的研究,并没有建立起穿刺成型材料整体的性能理论体系,这就导致对于不同要求的预制体,在加工过程中很难做到针对性生产,可能会导致最终成品无法达到要求。

3.4面对一些立体结构较为复杂的复合材料,穿刺成型较为困难,无法做到一体成型。

3.5目前穿刺成型技术主要应用于航空航天、军事领域,应用范围相对较小。

4 碳纤维立体穿刺预制体成型技术的思考

4.1 减少钢针与布层间的相互损伤

穿刺过程中,钢针与布层在加工时中相互作用,会对钢针造成不可逆的有害变形,同时对布层也会造成永久性损伤,进而影响产品性能。对此,研究者可以进行钢针矩阵的优化设计,减少穿刺过程中钢针与布层的相互作用;同时对钢针夹持装置进行设计升级,保证穿刺过程中钢针不会因外力而产生不必要的移动,进而减少与布层间的相互作用,降低损伤。

4.2 提高穿刺效率

传统穿刺方法需手动操作,效率较低。为提高穿刺效率,研究者们提出自动化穿刺设备和技术思路,开发基于机器视觉和机器人技术的自动穿刺系统,可实现对预制体自动定位和穿刺,可大大提高生产效率,减少人力成本。研究者可以针对钢针排布阵列较大、数量较多、人工布针不足等问题对钢针阵列的布放进行研究,提高穿刺效率;同时可以设计和开发立体织物穿刺钢针的置换装置,替代人工更换刺针,提高穿刺效率。

4.3 深入理论研究

理论研究方面,目前研究者们主要还是针对材料单一的性能,如拉伸、压缩、断裂等进行理论研究,并未对材料的综合性能进行研究讨论,进而形成完整的理论体系。可以尝试针对三维纺织、2.5 D编织、层叠交错排布等不同的织物结构建立模型,为实际穿刺成型提供数据参考和生产依据。

4.4 针对异型立体织物的穿刺工艺优化

目前的穿刺工艺主要加工结构较为简单的织物,对异型立体织物,无法做到一体穿刺成型。研究者们可以进行穿刺机的优化升级,如针板的结构设计,穿刺机的运动方式,甚至更进一步的机械手臂辅助穿刺,使异型立体织物的穿刺成型成为可能。

4.5 拓展穿刺工艺的应用领域

目前穿刺工艺主要应用于航空航天和军事领域,在其他领域如体育、建筑以及日常生活中应用较少,所以穿刺技术从业者要积极与其他领域建立联系,使穿刺技术能有更广阔的发展空间,更好地促进穿刺技术的更新与进步。

5 结语

笔者通过对碳纤维立体穿刺预制体成型技术发展现状的研究和思考,为进一步推动该技术的发展和应用提供了一定的参考和指导,为相关研究者提供进一步探索的方向和实践建议。未来研究可以在现有基础上深入探索碳纤维立体穿刺预制体成型技术的具体应用场景和改进方法,为相关领域的发展作出更大贡献。