高溫射流沖擊大絲束碳纖維實(shí)驗(yàn)與仿真分析*

陳金良，牛雪娟，2，張 準(zhǔn)

(1.天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387；2.天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387)

0 引言

碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能及可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航天航空[1]、運(yùn)動(dòng)器材[2]、建筑橋梁[3]等領(lǐng)域。碳纖維絲束是碳纖維復(fù)合材料的重要組成部分。碳纖維絲束的大小是根據(jù)每束碳纖維中包含的纖維根數(shù)來(lái)劃分的，大絲束碳纖維是指每束碳纖維的根數(shù)等于或大于46 000～48 000根，(也即每束≥46K～48K的碳纖維)[4]。相對(duì)于小絲束而言，大絲束碳纖維應(yīng)用的主要技術(shù)問(wèn)題是在制造預(yù)浸料時(shí)，大絲束纖維間堆積緊密，絲束難以均勻展開(kāi)，單層厚度偏大導(dǎo)致難以均勻浸潤(rùn)，嚴(yán)重影響了大絲束碳纖維的產(chǎn)品化應(yīng)用。但使用功能性較好的大絲束碳纖維能逐步取代小絲束碳纖維，可使復(fù)合材料高效化和低成本化，使碳纖維這種優(yōu)良材料在各個(gè)領(lǐng)域逐步普及。因此，對(duì)大絲束進(jìn)行展寬研究具有重大的意義。目前，國(guó)內(nèi)外研究中展纖的主要方法有超聲波法[5]、機(jī)械展纖法[6]、氣流展纖法[7]、靜電法[8]等。其中氣流展纖法具有展纖效率高，對(duì)纖維絲束損傷小的優(yōu)點(diǎn)，因此采用射流對(duì)大絲束碳纖維進(jìn)行展寬。

Chen[9]采用平面氣流展纖方法，基于雷諾平均Naiver-Stokes方程模擬了展纖器的內(nèi)部流場(chǎng)，得到展纖器內(nèi)部的流場(chǎng)特征。從中得出氣流速度越大越有利纖維的展開(kāi)。Sihn[10]采用氣流負(fù)壓法，纖維絲束通過(guò)配備有風(fēng)道和真空泵的展纖器，通過(guò)空氣管道向下吸入空氣，纖維束可以很容易地?cái)U(kuò)散而不會(huì)損壞長(zhǎng)絲纖維。El-Dessouky[11]采用二級(jí)氣流展纖技術(shù)，纖維絲束首先通過(guò)Ⅰ型展纖器得到預(yù)展纖的絲束，預(yù)展纖的絲束再通過(guò)Ⅱ型展纖器得到最終的纖維帶。12K碳纖維絲束從原始寬度為5 mm增大至25 mm，使每單位面積的重量減少約500%。Ren[12]采用機(jī)械展纖和氣流展纖相結(jié)合的方法，通過(guò)在擴(kuò)展銷上加工氣槽，結(jié)合氣流展纖和傳統(tǒng)機(jī)械展纖裝置的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)果表明，當(dāng)氣流壓力為0.2 MPa時(shí)，纖維鋪展后碳纖維制備的預(yù)浸料具有良好的性能。黃博[13]采用多級(jí)氣流展纖系統(tǒng)對(duì)纖維束進(jìn)行了展寬，并結(jié)合有限元方法模擬了展纖器的內(nèi)部流場(chǎng)特征。獲得了有利于纖維鋪展的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使24K的碳纖維絲束展寬為原來(lái)的3倍。

到目前為止，大多數(shù)研究者分析氣流的速度、展纖器的結(jié)構(gòu)對(duì)小絲束碳纖維展開(kāi)的影響較多，而對(duì)大絲束在熱氣流沖擊展纖的機(jī)理卻很少研究。本文為研究高溫射流對(duì)大絲束碳纖維展纖的機(jī)理和效果，設(shè)計(jì)試制了高溫(363 K)空氣射流沖擊纖維試驗(yàn)裝置，并進(jìn)行高溫射流沖擊試驗(yàn)和數(shù)值模擬。研究結(jié)果可進(jìn)一步指導(dǎo)射流開(kāi)纖裝置的研制，進(jìn)一步擴(kuò)大大絲束碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用范圍。

1 射流展纖的機(jī)理

射流展纖的機(jī)理是通過(guò)射流噴嘴將熱氣流垂直于纖維壁面，使得碳纖維絲束在氣壓作用下逐漸分離。碳纖維絲束的初始狀態(tài)如圖 1(a)所示。由于受到碳纖維絲束的阻擋作用，空氣流動(dòng)速度v1應(yīng)小于纖維束兩側(cè)的空氣流動(dòng)速度v2。v1p2。在氣流壓力差的作用下，纖維束中外部的纖維先向外面移動(dòng)，如圖 1(b)所示。隨著碳纖維的展開(kāi)，同樣地，也由于纖維絲束的阻擋，v1p2>p3。因此，已展開(kāi)的纖維束將進(jìn)一步展開(kāi)，最終達(dá)到平衡狀態(tài)，如圖1(c)所示。從圖1可看出，在熱氣流氣壓的作用下，纖維單絲擺脫上漿劑的束縛向兩側(cè)迅速移動(dòng)，纖維絲束很容易就展寬，從而實(shí)現(xiàn)了大絲束碳纖維的展寬。

(a)初始狀態(tài) (b)發(fā)展?fàn)顟B(tài) (c)穩(wěn)定狀態(tài)

2 射流沖擊大絲束碳纖維的試驗(yàn)

2.1 試件的制備

試驗(yàn)用到的碳纖維為48K碳纖維，單絲直徑為6～7 μm，纖維的原始寬度為20 mm，厚度為0.12 mm。該碳纖維在生產(chǎn)過(guò)程中使用的上漿劑為環(huán)氧樹(shù)脂基膠劑，加熱溫度在80～150 ℃時(shí)上漿劑可充分軟化。如圖2所示，截取樣本的長(zhǎng)度為260 mm，在樣本的兩端10 mm處用膠帶把纖維絲束平整地粘起來(lái)以便于懸掛砝碼，為結(jié)果的準(zhǔn)確性，每個(gè)樣本制備6個(gè)試件，最后的結(jié)果取平均。

圖2 試驗(yàn)樣件的截取

2.2 試驗(yàn)方法

首先，將制作的纖維樣本懸掛在射流沖擊平臺(tái)上，調(diào)整纖維樣本位置，使得兩端下垂的長(zhǎng)度一致。在試驗(yàn)過(guò)程中，使用不同質(zhì)量的砝碼來(lái)代替纖維所受到的不同張力。在不同工況下進(jìn)行高溫射流沖擊大絲束碳纖維展寬正交試驗(yàn)，其正交因素為噴距(H)、跨度(D)、砝碼質(zhì)量(T)。使用熱敏式風(fēng)速儀(HT-9829)對(duì)不同噴距下中心軸線上的速度進(jìn)行測(cè)量，量程為0.1～25 m/s，分辨率為0.01 m/s。以噴嘴中心為基準(zhǔn)，沿著中心軸線的方向向下移動(dòng)熱敏式風(fēng)速儀的探頭，每隔10 mm為一個(gè)測(cè)點(diǎn)。為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量5次，最后將測(cè)得數(shù)據(jù)取平均值作為最終的實(shí)驗(yàn)值。其次，在射流沖擊試驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用FLUENT軟件模擬不同噴距條件下流場(chǎng)中心平面速度分布、射流沖擊碳纖維壁面溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)，來(lái)獲得適合的噴距，并與正交試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比，利用流場(chǎng)的可視化特性來(lái)分析纖維展開(kāi)的機(jī)理。最后，把纖維的展寬倍率作為纖維展寬的評(píng)判指標(biāo)，并對(duì)比分析展纖前后纖維絲束的厚度和均勻度，來(lái)初步確定纖維展寬的模型參數(shù)。

2.3 試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

高溫射流沖擊的試驗(yàn)平臺(tái)如圖3所示。該試驗(yàn)平臺(tái)由風(fēng)機(jī)支架、風(fēng)機(jī)、兩個(gè)移動(dòng)光軸三部分組成。通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)光軸距離試驗(yàn)平臺(tái)的高度來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)噴嘴到纖維壁面的距離，調(diào)節(jié)兩個(gè)光軸的距離則是改變纖維的跨度，纖維所受張力的調(diào)節(jié)則是通過(guò)改變纖維兩端懸掛的砝碼重量。風(fēng)機(jī)出口截面是長(zhǎng)為60 mm，寬為18 mm的矩形，噴距的長(zhǎng)度是噴嘴截面到纖維絲束表面的距離。

(a)高溫射流試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

(b)高溫射流試驗(yàn)平臺(tái)示意圖

2.4 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

在射流展寬試驗(yàn)中，影響碳纖維展寬的因素主要有噴距、纖維跨度和砝碼重量。為找到各因素之間的最佳組合方案以及展寬過(guò)程中的主要影響因素。在氣流溫度為363 K，壓降320 Pa的條件下，不考慮因素間的交互作用，設(shè)計(jì)了正交表如表1所示；對(duì)射流沖擊后的纖維進(jìn)行寬度測(cè)量，測(cè)量的結(jié)果如表2所示。

正交試驗(yàn)的結(jié)果如表2所示，表中Ki代表每個(gè)因素水平下的碳纖維展寬倍率之和，ki表示每個(gè)因素在同一水平時(shí)的展寬倍率的平均值。極差R表示各因素水平下取值的變化幅度，R=max(ki)-min(ki)，根據(jù)極差的大小，可以判斷出各因素之間的主次順序。極差R越大，代表該因素的水平對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，該因素對(duì)整個(gè)試驗(yàn)的影響作用越大。以噴距因素為例，k1=1.65，k2=2.25，k3=1.88，極差RH=k2-k1=0.60。同理，可以計(jì)算出跨度和砝碼質(zhì)量的極差：RD=0.14，RT=0.53。依據(jù)極差的大小，判斷因素的影響順序，由正交試驗(yàn)表2可得，RH>RT>RD，即噴距對(duì)展寬倍率的影響是最大的，說(shuō)明噴距是主要的影響因素，其次是砝碼的質(zhì)量，影響最小的因素為纖維的跨度。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

表2 正交表與試驗(yàn)結(jié)果

由表2可看出，各因素之間的最佳組合為：H2D1T2 ，即在噴距H= 80 mm，跨距D=100 mm，砝碼質(zhì)量T=15 g的條件下，進(jìn)行射流展寬試驗(yàn)的效果最佳，測(cè)得纖維展開(kāi)的寬度為50 mm，展寬倍率為2.50。

使用Leica DVM6顯微鏡對(duì)該條件下展寬后的纖維進(jìn)行表面觀察，如圖4所示。圖4(a)為纖維絲束表面的特征，可看出纖維絲束平行排列，表面幾乎沒(méi)有拉絲和斷頭現(xiàn)象，表面絲束均勻分布且有一定的光澤。圖4(b)為展纖后纖維的橫斷面，纖維在截面方向排列整齊，平均厚度為0.038 mm，約為原絲厚度的1/3。

(a)纖維絲束表面形貌

(b)纖維絲束橫斷面特征

通過(guò)正交試驗(yàn)分析可知，噴距是影響射流展纖的主要因素，同時(shí)射流噴距的變化也會(huì)影響纖維壁面的溫度和壓力分布。為研究不同噴距下高溫射流對(duì)大絲束碳纖維展開(kāi)的影響，在射流流場(chǎng)中改變噴距的大小進(jìn)行仿真分析。首先，通過(guò)仿真與試驗(yàn)對(duì)比分析不同噴距下中心軸線上的速度分布，來(lái)驗(yàn)證仿真的可靠性；其次，通過(guò)對(duì)不同噴距下中心平面速度的分布、纖維壁面壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布進(jìn)行分析，來(lái)更好地研究大絲束碳纖維展纖機(jī)理。

3 高溫射流沖擊大絲束碳纖維數(shù)值模擬

通過(guò)高溫射流沖擊大絲束碳纖維的試驗(yàn)，選取噴嘴壓降為320 Pa、噴嘴截為60 mm×18 mm、噴嘴進(jìn)口溫度為363 K作為不變量，利用FLUENT軟件建立射流沖擊纖維壁面的有限元模型，數(shù)值模擬不同噴距條件下中心平面速度的分布、纖維壁面的溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布。

3.1 射流流場(chǎng)CFD模型的建立

利用ICEM進(jìn)行射流流場(chǎng)的建模以及網(wǎng)格劃分，以射流噴嘴的截面為起始點(diǎn)進(jìn)行建模，在建模的過(guò)程中將噴嘴簡(jiǎn)化為長(zhǎng)是60 mm，寬是18 mm的矩形，流場(chǎng)簡(jiǎn)化為長(zhǎng)是400 mm，寬是300 mm，高為H的長(zhǎng)方體。其中流場(chǎng)域的底面為射流沖擊的纖維壁面。根據(jù)射流流場(chǎng)的特點(diǎn)對(duì)模型進(jìn)行分塊處理，使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)射流流場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為更好地觀察射流噴嘴附近及近纖維壁面的流場(chǎng)分布情況，在噴嘴和近壁面處進(jìn)行網(wǎng)格加密，高溫射流流場(chǎng)CFD模型如圖5所示。劃分后的網(wǎng)格總結(jié)點(diǎn)數(shù)為791 208個(gè)，總單元數(shù)為826 864個(gè)，其中HEXA_8單元個(gè)數(shù)為754 560個(gè)，QAUAD_4單元個(gè)數(shù)為72 304。

圖5 高溫射流流場(chǎng)CFD模型

3.2 求解器設(shè)置

該數(shù)值模擬過(guò)程中采用的是無(wú)纖仿真，當(dāng)空氣溫度363 K時(shí)，空氣的運(yùn)動(dòng)粘度為21.92×10-6m2/s。入口的平均速度20 m/s。對(duì)于矩形射流的雷諾數(shù)的計(jì)算如下：

(1)

(2)

式中u為流體相對(duì)于物體的速度，m/s；D為水力直徑；r為運(yùn)動(dòng)粘度；A為入口的橫截面積；C為入口截面濕周周長(zhǎng)；a為入口的長(zhǎng)度；b為入口的寬度。

由式(1)、式(2)計(jì)算得雷諾數(shù)Re=25 264.59，該數(shù)值大于23 000，由此可判斷出該射流屬于湍流。噴嘴的氣流與沖擊壁面之間存在自然對(duì)流換熱。

在模擬射流沖擊中，RANS湍流模型常用到RNGk-ε模型和Realizablek-ε模型，其中Realizablek-ε模型的計(jì)算精度要比RNGk-ε模型的計(jì)算精度高，因此在對(duì)射流流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析時(shí)選用的計(jì)算模型為壓力基湍流模型中的Realizablek-ε模型。入口邊界條件使用壓力入口作為邊界條件。入口溫度為363 K，入口總壓設(shè)置為101 645 Pa。沖擊的纖維壁面是沒(méi)有滑動(dòng)的邊界條件，選擇自然對(duì)流作為傳熱模型，自由流動(dòng)溫度為300 K。其余的壁面設(shè)置為壓力出口，表面壓力設(shè)置為101 325 Pa。采用隱式求解器對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行求解，并使用SIMPLE算法進(jìn)行求解。

3.3 結(jié)果與分析

進(jìn)口壓強(qiáng)為101 645 Pa，噴嘴的進(jìn)口溫度為363 K(90 ℃)為不變量，噴距分別選取60、80、100 mm。數(shù)值模擬了射流中心平面速度的分布和沖擊纖維壁面上的溫度和壓力分布。

3.3.1 不同噴距下垂直方向中心平面速度分布

從數(shù)值模擬的結(jié)果中提取垂直方向上的中心平面速度分布云圖如圖6所示。可知，當(dāng)噴嘴溫度和壓強(qiáng)一定時(shí)，隨著噴距的增加，在近壁面處速度的范圍會(huì)更大一些。當(dāng)氣流從噴嘴流向纖維壁面的過(guò)程中，依次經(jīng)過(guò)等速區(qū)、自由射流區(qū)，當(dāng)氣流到達(dá)纖維壁面中心的位置的時(shí)候速度迅速衰減為零，形成一個(gè)負(fù)壓區(qū)。由于受到纖維壁面的阻礙作用，速度在衰減的過(guò)程中會(huì)發(fā)生一部分的反彈形成壁面射流區(qū)。在射流展纖過(guò)程中，應(yīng)該選擇在等速區(qū)域進(jìn)行，避開(kāi)自由射流區(qū)和壁面射流區(qū)。壁面射流區(qū)會(huì)使得纖維發(fā)生卷吸現(xiàn)象，使得已經(jīng)展寬的纖維發(fā)生重疊現(xiàn)象。

圖6 不同噴距下中心平面速度云圖

不同噴距下中心軸線上的速度分布如圖7所示，圖7中線圖為仿真數(shù)據(jù)，點(diǎn)圖為試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)?？芍庇^地看出，射流流場(chǎng)中心軸線上的速度是經(jīng)過(guò)一段等速區(qū)，然后速度開(kāi)始逐漸減小，這個(gè)階段的速度處于自由射流區(qū)；當(dāng)快靠近纖維壁面時(shí)，速度急劇減小，最終在壁面上衰減為零。圖中仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性較高，說(shuō)明了仿真是可靠的。但仿真的數(shù)據(jù)要比試驗(yàn)的數(shù)據(jù)略大，這是由于在試驗(yàn)中測(cè)試時(shí)周圍環(huán)境的溫度不同造成的，而在仿真的過(guò)程中，周圍環(huán)境設(shè)定的溫度是一定的，不會(huì)受到外界因素的影響。

3.3.2 不同噴距下纖維壁面壓力和溫度分布

纖維壁面所受的壓力分布如圖8所示。圖8(a)～(c)展示了噴距從60 mm變化到80 mm的纖維壁面壓力分布，從中可以看出壓力在纖維壁面呈橢圓形分布，中心處所受到的壓力是最大的，從中心向兩邊逐漸遞減。為更加直觀的分析壓力最大的區(qū)域，繪制出沿著纖維展寬中心線上的壓力分布圖如圖8(d)所示。

圖7 不同噴距下中心軸線上的速度分布

圖8 不同噴距下纖維壁面壓力分布圖

從圖8(d)可以看出，不同噴距下的壓力分布的趨勢(shì)是一致的，當(dāng)X在-50～50 mm變動(dòng)時(shí)，纖維壁面的壓力先增加后減小，當(dāng)X=0 mm時(shí)，纖維壁面的壓力最大，隨著噴距的增大，纖維壁面所受的壓力在減小。而從前面的正交試驗(yàn)中，纖維最大的展寬為50 mm，分布的范圍在-25～25 mm。由此可以看出，在當(dāng)前噴嘴的尺寸下，纖維理論上可以展寬的寬度可達(dá)到100 mm，分布區(qū)間在-50～50 mm。

圖9為不同噴距下纖維壁面的溫度分布圖，從圖9(a)～(c)可看出，在不同噴距條件下纖維壁面溫度擴(kuò)散分布的趨勢(shì)大體上是一致的。纖維壁面上核心溫度分布呈“菱形”，從中心向四周顏色是由深變淺，說(shuō)明從中間向四周纖維壁面的溫度是逐漸遞減的，這是由于外圍的壁面與周圍的冷空氣接觸的更多。為更加直觀地看出纖維展寬中心線上的溫度分布，繪制出纖維壁面中心線處溫度分布如圖9(d)所示。從中可看出溫度在中心線上的分布呈“幾”字形，隨著X的增大，溫度先增加至最大值，然后保持一段再逐漸減小。在不同的噴距下，沿著纖維展寬的方向分布范圍在-50～50 mm范圍內(nèi)，溫度保持恒定，這與纖維壁面的壓力分布相對(duì)應(yīng)，從而進(jìn)一步說(shuō)明了纖維在該條件下可以展寬的理論寬度為100 mm。隨著噴距的不斷增大，氣流到達(dá)纖維壁面時(shí)溫度下降的越多。這是由于增大噴距后，氣流從噴嘴流向纖維壁面的時(shí)候與周圍空氣換熱的機(jī)會(huì)也增大了。因此，為避免射流氣體溫度從出口到纖維壁面消耗過(guò)大，在射流流場(chǎng)中噴距的選取不易過(guò)大。結(jié)合正交試驗(yàn)的結(jié)果，射流噴距選取80 mm最為合適，一方面該噴距條件下纖維壁面的溫度可確保碳纖維絲束表面的上漿劑軟化，另一方面可以使得纖維絲束能夠最大寬度的展開(kāi)。

圖9 不同噴距下纖維壁面溫度分布圖

4 結(jié)論

(1)通過(guò)正交試驗(yàn)，可看出射流展纖過(guò)程中，射流噴距是影響大絲束碳纖維展寬的主要因素，其次是張力和纖維跨度。

(2)通過(guò)射流沖擊試驗(yàn)，纖維展寬的最佳組合為噴距為80 mm，跨度為100 mm，砝碼質(zhì)量為15 g。在這種情況下對(duì)48K的碳纖維進(jìn)行展寬，纖維可均勻展寬，纖維寬度可達(dá)到原來(lái)的2.50倍。

(3)在射流展纖過(guò)程中，噴嘴氣流依次經(jīng)過(guò)等速區(qū)、自由射流區(qū)，到達(dá)纖維壁面后，在纖維壁面中心位置上形成負(fù)壓區(qū)，在周圍形成近壁面射流區(qū)。

(4)通過(guò)對(duì)射流流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，可看出纖維壁面上的壓力分布呈“橢圓”形分布，而溫度范圍的分布呈“菱形”分布。在纖維展寬中心線上壓力和溫度的分布呈“幾”字形。大絲束碳纖維在該射流的作用下理論上可展寬的寬度為100 mm。