Cf/Mg復(fù)合材料異形纖維預(yù)成形體制備方法*

西北工業(yè)大學機電學院 房 鑫 齊樂華 周計明 衛(wèi)新亮 關(guān)俊濤 張麗丹

碳纖維增強鎂基復(fù)合材料（Cf/Mg）具有高比強度、比模量、低熱膨脹系數(shù)以及良好的阻尼性能，已在航空航天和汽車工業(yè)中得到應(yīng)用[1-3]，主要用于制造大型的、質(zhì)量輕的構(gòu)件，如光學系統(tǒng)反射鏡[4]、衛(wèi)星和雷達天線、波導(dǎo)管[5]、航天站的安裝板[6]等。隨著Cf/Mg復(fù)合材料應(yīng)用范圍的擴展，成本問題成為制造業(yè)日益關(guān)注的焦點。在復(fù)合材料成本構(gòu)成中制造成本約占60%～70%，其中纖維預(yù)成形體占制造成本的25%[7]左右，高的預(yù)成形體制造成本已成為限制Cf/Mg復(fù)合材料構(gòu)件廣泛應(yīng)用的瓶頸。

碳纖維預(yù)成形體的現(xiàn)有制備技術(shù)主要包括纖維鋪放、纏繞、縫合、編織[8]。Alliant Techsystems公司采用纖維鋪放工藝成功制備出風扇機匣和Atlas5型運載火箭的預(yù)成形體[9]。美國宇航局和空軍材料研究室采用纖維纏繞工藝成功研制出北極星A3導(dǎo)彈發(fā)動機殼預(yù)成形體[10]。道格拉斯公司采用縫合工藝制備的預(yù)成形體已在機翼和機身蒙皮上得到應(yīng)用[11]。Boeing公司采用三維編織工藝研制了“J”形機骨架預(yù)成形體[12]。然而，以上工藝需要昂貴的配套設(shè)施支持，存在工藝投資大、成本附加值高的問題，不適于制備異形纖維預(yù)成形體。

本文結(jié)合現(xiàn)有制備技術(shù)提出了復(fù)合式制備工藝，采用已開發(fā)的成形裝置制備了4種纖維預(yù)成形體，通過研究纖維預(yù)成形體的成形性及其影響因素，為Cf/Mg復(fù)合材料異形纖維預(yù)成形體制備提供理論基礎(chǔ)。

1 纖維預(yù)成形體制備方法

1.1 試樣結(jié)構(gòu)及原材料

Cf/Mg復(fù)合材料異形預(yù)成形體包括錐筒段和直筒段2部分，其中錐筒段上部帶有內(nèi)凸緣，直筒段下部帶有外凸緣，如圖1所示，試樣尺寸如下：試樣總高160mm，直筒段高80mm，外徑90mm，錐筒段錐度為18°，試樣壁厚2mm，內(nèi)外凸緣寬度為6mm。

圖1 異形預(yù)成形體剖視圖Fig.1 Cutaway view of shaped preform

試驗原材料預(yù)選用東麗T300-12k單向布，東麗T300-3k碳纖維布，東邦ST3-3k碳纖維束，具體參數(shù)[13]如表1所示。

表1 試驗原材料參數(shù)

1.2 纖維預(yù)成形體制備方案

預(yù)成形體為對稱結(jié)構(gòu)，應(yīng)用過程中承受壓縮載荷，本文考慮增強纖維沿構(gòu)件軸向（90°）排布，以充分利用復(fù)合材料纖維方向承載能力高的優(yōu)勢；但受壓時，考慮到構(gòu)件的局部可能會發(fā)生屈曲變形，其環(huán)向（0°）也需增強。從降低纖維預(yù)成形體應(yīng)力水平、提高軸壓承載能力的角度而言，軸向鋪層比例控制在60%～80%比較合適[14]。本文結(jié)合相關(guān)工藝成形條件，提出了4種不同的纖維預(yù)成形體復(fù)合式成形方案。

（1）纖維0°/90°等比例鋪放工藝。

纖維鋪放是將纖維直接鋪放在芯模表面，壓實加固形成預(yù)成形體。其優(yōu)點是操作簡便，成本低，生產(chǎn)周期短[15]。纖維預(yù)成形體的制備材料選用東麗T300-12K單向布。將單向布按尺寸剪裁，以便于錐筒段及凸緣部分成形；單向布沿0°/90°正交排列，然后逐層鋪放在芯模表面；上凸緣向內(nèi)翻折固定，下凸緣同理；如此反復(fù)直至規(guī)定厚度；整個預(yù)成形體徑向縫合增強。環(huán)向纖維受剪裁，規(guī)則排布約束消失，斷口處纖維易變形、脫落，需在鋪放的同時浸潤乙醇和酚醛樹脂的混合溶液固化定型。制備的纖維預(yù)成形體實物如圖2所示。

（2）纖維0°/90°不等比例鋪放工藝。

纖維預(yù)成形體的制備材料選用東麗T300-12K單向布、T300-3K碳纖維布。將單向布按尺寸剪裁，然后按90°單向排布鋪放在芯模表面，依次固定上下凸緣；用碳纖維布包覆單項布提供環(huán)向增強相；如此反復(fù)直至規(guī)定厚度；整個纖維預(yù)成形體沿徑向縫合增強。實物如圖3所示。

（3）纖維纏繞定型工藝。

圖2 0°/90°等比例鋪放工藝制備的預(yù)成形體（試樣1）Fig.2 Shaped preform fabricated by 0°/90° equal proportion fiber placement

圖3 0°/90°不等比例鋪放工藝制備的預(yù)成形體（試樣2）Fig.3 Shaped preform fabricated by 0°/90° unequal proportion fiber placement

纖維纏繞是將連續(xù)纖維按一定規(guī)律纏繞在芯模上制備預(yù)成形體的方法。其優(yōu)點是能保證纖維的連續(xù)完整，結(jié)構(gòu)效率高，技術(shù)相對成熟，制件力學性能優(yōu)良[16]。纖維預(yù)成形體的制備材料選用東麗T300-3K碳纖維布、T300-12K單向布和東邦ST3-6K碳纖維束。單向布沿軸向依模鋪覆，用碳纖維布包覆單項布提供環(huán)向增強相，有效避免了環(huán)向纖維破壞帶來的性能損失，而且可以防止纖維脫落、變形；每兩層鋪覆完成后，使用碳纖維束周向固定一層，如此反復(fù)直至規(guī)定厚度；纖維預(yù)成形體徑向縫合增強。實物如圖4所示。

（4）纖維編織加固工藝。

編織工藝是將增強纖維織造成整體織物的方法。其優(yōu)點是制件損傷容限和抗拉伸破壞能力強，可以織造復(fù)雜形狀預(yù)成形體，進而減少連接，提高構(gòu)件的整體性能[17]。在依模鋪覆-纏繞定型的基礎(chǔ)上加入編織工藝，用以實現(xiàn)制件的整體成形。纖維預(yù)成形體的制備材料選用東麗T300-12K單向布和東邦ST3-6K碳纖維束。單向布沿軸向依模鋪覆，碳纖維束環(huán)向纏繞定型，單向布和纖維束層合式織物堆疊直至規(guī)定厚度；利用縫合工藝對二維纖維預(yù)成形體進行厚度方向的增強；采用已開發(fā)的纖維預(yù)成形體成形裝置完成外層編織加固，提供高的環(huán)向強度和剛度，抵抗復(fù)合材料制備過程中合金液的沖擊。實物如圖5所示。

圖4 纖維纏繞定型工藝制備的預(yù)成形體（試樣3）Fig.4 Shaped preform fabricated by filament winding stereotype

圖5 纖維編織加固工藝制備的預(yù)成形體（試樣4）Fig.5 Shaped preform fabricated by weaving reinforcement

2 試驗測試及結(jié)果分析

2.1 異形預(yù)成形體體積分數(shù)

測定纖維體積分數(shù)的方法有顯微鏡法、化學消化法、電阻率法和計算法等。本文采用方法簡單、成本低廉的計算法測定。其計算公式為：

式中，Vf為纖維體積分數(shù)；Wf為纖維質(zhì)量（g）；ρf為纖維密度；Vc為纖維制件體積。

采用電子稱、全自動激光掃描儀分別對4個試樣的纖維質(zhì)量Wf和纖維制件體積Vc進行測量，纖維密度ρf為1.8g/cm3，將測量數(shù)據(jù)帶入計算公式（1）中，測量結(jié)果與纖維體積分數(shù)如表2所示。

2.2 異形預(yù)成形體成形尺寸

異形預(yù)成形體成形尺寸包括外形尺寸、圓度誤差、錐度和環(huán)/軸向鋪層比例。采用千分尺分別對4個試樣外形尺寸進行測定，比較儀測量直筒段任意截面圓度誤差，三坐標法測量錐筒段錐度，根據(jù)試樣選用的不同鋪層材料、鋪層方法計算環(huán)/軸向鋪層比例。測量結(jié)果與標準試樣成形尺寸進行對比，如表3所示。

表2 試樣纖維質(zhì)量Wf 和纖維制件體積Vc

表3 試樣成形尺寸

2.3 異形預(yù)成形體尺寸穩(wěn)定性

尺寸穩(wěn)定性是衡量紡織品成形性的重要指標。使用洗衣機對異形預(yù)成形體反復(fù)水洗，通過測量試樣在洗滌后整體變形程度及局部纖維紋理的變化來判斷尺寸穩(wěn)定性。將試樣分別放入水平轉(zhuǎn)鼓型前裝料式洗衣機中，在旋轉(zhuǎn)速度為（179±2）r/min條件下，洗滌10min并干燥，測試結(jié)果如圖6所示。

試樣1表層纖維大量脫落，上下凸緣變形量較大，錐筒段纖維扭曲，直筒段纖維發(fā)生明顯變化；試樣2表層纖維少量脫落，上下凸緣變形量大，錐筒段纖維扭曲，直筒段纖維未發(fā)生明顯變化；試樣3纖維無脫落，上下凸緣變形量小，直筒段纏繞層纖維部分滑移，錐筒段纖維未發(fā)生明顯變化；試樣4纖維無脫落，上下凸緣變形量較小，錐筒段、直筒段纖維未發(fā)生明顯變化。

2.4 結(jié)果分析

試樣1、2均采用了纖維鋪放工藝制備，不同之處在于其環(huán)向性能分別由單向布、碳纖維布提供。測量結(jié)果顯示：試樣1體積分數(shù)為31%，試樣2為33%，說明單向布受剪裁變形量較碳纖維布大，織物更加蓬松，體積分數(shù)較低；試樣3、4均采用了纖維鋪放加纏繞工藝制備，不同之處在于其環(huán)向性能分別由碳纖維布、碳纖維束提供。體積分數(shù)測量結(jié)果顯示試樣3為38%，試樣4為40%，說明碳纖維布受剪裁變形量較碳纖維束大，織物相對蓬松，體積分數(shù)較低。

圖6 試樣尺寸穩(wěn)定性測試結(jié)果Fig.6 Test results of specimens dimension stability

試樣成形尺寸的測量結(jié)果顯示，試樣1、2與標準試樣尺寸相差甚大，其中，試樣1直筒段壁厚超出規(guī)定壁厚的25%，錐筒段壁厚超出65%；試樣3、4與標準試樣的尺寸接近。分析認為，試樣1、2均采用纖維鋪放工藝制備，相鄰鋪層間預(yù)緊力不足，導(dǎo)致整個異形預(yù)成形體成形尺寸存在較大偏差；試樣3、4成形過程中加入纏繞工藝，纏繞張力使相鄰鋪層緊密貼合，試樣成形尺寸得到充分保證。

通過尺寸穩(wěn)定性測試，4個試樣的損傷程度各不相同。分析認為，試樣1、2環(huán)向纖維剪裁破壞，整體結(jié)構(gòu)蓬松，不足以抵抗水流的沖刷造成破壞；試樣3纏繞層纖維約束少且鋪排于外側(cè)，受載易發(fā)生變形；試樣4采用編織工藝整體加固，有效抵抗水流沖刷，效果明顯。

3 結(jié)論

（1）單向布、碳纖維布受剪裁局部排列不規(guī)律，纖維變形量大，織物蓬松，異形預(yù)成形體體積分數(shù)低，采用碳纖維束作為環(huán)向性能增強相，織物密實，體積分數(shù)提高至40%左右。

（2）纖維纏繞可以提高相鄰鋪層間預(yù)緊力，織物排列規(guī)律，組織緊密，試樣成形誤差比未包含纏繞工藝的降低65%，尺寸精度得到保證。

（3）外側(cè)采用編織工藝整體加固，可以有效抵抗擠壓浸滲過程中液態(tài)金屬的沖刷，尺寸穩(wěn)定性明顯優(yōu)于未加固的的異形預(yù)成形體，成形性良好。

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