基于置換法碳纖維束摩擦特性與改性

孟顏顏，賀磊，王賢達(dá)，薛德波

(山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博 255000)

復(fù)合材料具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、抗疲勞、耐燒蝕、可設(shè)計性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、武器裝備等領(lǐng)域[1-6]。為了探究碳纖維的摩擦機(jī)制，近年來一些學(xué)者進(jìn)行了針對性的研究。潘月秀等[7]通過自制的實(shí)驗(yàn)裝置研究了摩擦角度、磨損次數(shù)等對碳纖維束摩擦損傷的影響；A. Edward 等[8]為了定量分析碳纖維束在織造過程中的損傷，對織造過程中不同區(qū)域內(nèi)采樣并進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。另外一些學(xué)者對碳纖維束改性特性進(jìn)行了研究。李張義等[9]研究經(jīng)過氣相、液相以及氣液相相結(jié)合的方法表面處理后的碳纖維對復(fù)合材料磨損性能的影響；程燕婷等[10]采用低溫等離子體技術(shù)對碳纖維表面進(jìn)行改性處理以改善界面性能；國內(nèi)外的許多學(xué)者配制上漿劑對碳纖維進(jìn)行上漿處理，提高碳纖維的耐磨性和拉伸強(qiáng)度[7-10]。

以上研究工作為碳纖維束在織造過程中的磨損分析提供參考，但目前對復(fù)合材料三維正交織造鋼針置換過程中纖維束摩擦磨損鮮有研究。筆者基于鋼針置換工藝，進(jìn)行摩擦力預(yù)測模型的建立以及碳纖維束磨損規(guī)律和改性的研究，其中摩擦力預(yù)測模型的建立能夠?yàn)殇撫樦脫Q機(jī)械化提供拉力參考，磨損規(guī)律和改性的研究能夠宏觀揭示碳纖維束磨損機(jī)制，提高了預(yù)制體質(zhì)量，為工程化應(yīng)用提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

Z 向碳纖維：T700-6K，日本東麗株式會社；

鋼針：直徑1 mm，長350 mm，興化市銀龍不銹鋼制品公司；

縫合針：直徑1 mm，長300 mm，興化市銀龍不銹鋼制品公司；

二甲基硅油：100 mL，配置成1 ∶100 (處理劑∶水)的水溶液，美國道康寧公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

拉力儀：NK-20 型，東莞耀鋒電子設(shè)備有限公司；

萬能試驗(yàn)機(jī)：AG-Xplus SC 型，島津企業(yè)管理有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

(1)鋼針置換摩擦力測試實(shí)驗(yàn)。

基于置換法的三維正交織造復(fù)合材料預(yù)制體成型過程如圖1 所示。一側(cè)使用拉力儀將鋼針從預(yù)制體中拉出，另一側(cè)使用縫合針攜帶Z 向碳纖維束將鋼針逐根替換。

圖1 置換法原理

(2)碳纖維束磨損實(shí)驗(yàn)。

不經(jīng)過任何處理的Z 向碳纖維束作為對照組，經(jīng)過蒸餾水和二甲基硅油均勻噴灑、靜置的碳纖維束作為實(shí)驗(yàn)組，縫合針攜帶三種經(jīng)過不同處理的碳纖維束穿過同一陣列孔進(jìn)行多組鋼針置換實(shí)驗(yàn)，針頭處經(jīng)過磨損的碳纖維束作為拉伸試樣的原料。

1.4 性能測試

(1)摩擦力測試。

使用拉力儀水平勻速將鋼針從預(yù)制體中拉出并記錄摩擦力數(shù)值。

(2)拉伸斷裂強(qiáng)力測試。

根據(jù)GB／T 3362-2005 制備磨損后的碳纖維束拉伸試樣，其中連續(xù)摩擦次數(shù)分別為5，10，15，20，25，有效拉伸長度為150 mm 的碳纖維束各6 個試樣，并在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測試，測得拉伸斷裂強(qiáng)力后取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋼針置換摩擦力理論與實(shí)驗(yàn)分析

(1)鋼針置換摩擦力理論模型建立。

由于纖維束寬度比導(dǎo)向陣列間隙距離大，故在壓實(shí)力作用下纖維束向上彎曲翻折，鋼針受到纖維束擠壓并產(chǎn)生微小形變，其受力分析如圖2 所示（圖中q 為正向壓力），以鋼針變形逆向求出所受正壓力進(jìn)而推出摩擦力。

圖2 鋼針受力分析

每織造10層，進(jìn)行壓實(shí)一次，壓實(shí)力為6 000 N。每織造10 層壓實(shí)后受力狀態(tài)為：

AB 段：

BC 段：

每織造10 層鋼針受到的正向壓力為：

對應(yīng)抽拔導(dǎo)向棒時摩擦力fi為：

則抽拔每根導(dǎo)向棒的摩擦力預(yù)測模型為：

式中：x——壓實(shí)后纖維層位置；

n——層數(shù)；

μ——鋼針與纖維束摩擦系數(shù)；

E——鋼針彈性模量；

I——鋼針慣性矩；

W——鋼針變形量；

l——壓實(shí)后纖維層高度(l=10t，t 為層密度， mm／層)；

h——壓實(shí)板與織造層頂部高度。

(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與驗(yàn)證。

使用拉力儀測得大量代表性試驗(yàn)數(shù)據(jù)后擬合出預(yù)制體摩擦力分布情況。設(shè)導(dǎo)向陣列為m 排n 列，由于織造工藝具有重復(fù)性和對稱性的特點(diǎn)，故取預(yù)制體1／4 部分的摩擦力作為研究對象，圖3 為210層(厚度107 mm)預(yù)制體摩擦力分布及區(qū)域劃分。由圖3 發(fā)現(xiàn)摩擦力具有數(shù)值分區(qū)呈現(xiàn)的特點(diǎn)：陣列角部區(qū)域的摩擦力普遍較大，中部區(qū)域的摩擦力普遍較小，依據(jù)該特點(diǎn)將陣列分為角部(A)、邊部(B)、次邊部(C)、中部(D)四個區(qū)域并做以下規(guī)定見表1，并取平均值作為每個區(qū)域的摩擦力值。

為進(jìn)一步驗(yàn)證前述理論模型的準(zhǔn)確性及適用性，分別選取預(yù)制體織造層數(shù)為210 層(厚度為107 mm)，277 層(厚 度 為145 mm)，300 層(厚 度為165 mm)的鋼針置換摩擦力試驗(yàn)值對關(guān)系式(8)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果見表2～表4。結(jié)果表明鋼針置換摩擦力的試驗(yàn)值與理論值的總體誤差較小，最大偏差率小于10%，驗(yàn)證了鋼針置換摩擦力理論模型的準(zhǔn)確性。

圖3 210 層(厚度107 mm)預(yù)制體摩擦力分布及區(qū)域劃分

表1 區(qū)域的量化規(guī)定

表2 210 層鋼針置換摩擦力理論值驗(yàn)證

表3 277 層鋼針置換摩擦力理論值驗(yàn)證

表4 300 層鋼針置換摩擦力理論值驗(yàn)證

2.2 Z 向纖維束磨損與改性分析

(1)最大拉伸斷裂強(qiáng)力數(shù)據(jù)分析。

鋼針置換過程中發(fā)現(xiàn)Z 向碳纖維束隨摩擦力大小及連續(xù)置換次數(shù)而呈現(xiàn)不同的磨損狀態(tài)，為了定量研究鋼針置換過程中的碳纖維束磨損，轉(zhuǎn)為研究Z 向碳纖維束拉伸斷裂強(qiáng)力與摩擦力以及置換次數(shù)的關(guān)系，如圖4 所示，并將最大斷裂強(qiáng)力與摩擦力的關(guān)系進(jìn)行了線性擬合處理，線性擬合后的關(guān)系式見表5。

圖4 不同置換次數(shù)下最大斷裂強(qiáng)力與摩擦力的關(guān)系

表5 不同置換次數(shù)下最大斷裂強(qiáng)力與摩擦力擬合關(guān)系式

圖4 和表5 顯示Z 向纖維束最大斷裂強(qiáng)力隨摩擦力增加而減小，摩擦次數(shù)較多時，Z 向纖維束最大斷裂強(qiáng)力變化較大、較快；摩擦次數(shù)較少時，變化趨勢逐漸平緩。為了獲得Z 向纖維束最大斷裂強(qiáng)力與摩擦力、置換次數(shù)的普遍規(guī)律，對表5 直線方程的斜率k／截距b 與置換次數(shù)y 的關(guān)系分別進(jìn)行指數(shù)函數(shù)和一次函數(shù)擬合分析，擬合結(jié)果如式(9)、式(10)：

綜上，不同連續(xù)置換次數(shù)下，Z 向纖維束最大拉伸斷裂強(qiáng)力與摩擦力的變化關(guān)系為式(11)，通過該擬合模型調(diào)整連續(xù)置換次數(shù)以滿足預(yù)制體抗拉強(qiáng)度要求。

式中：Z——最大斷裂強(qiáng)力；

x——摩擦力；

y——置換次數(shù)。

(2)表面改性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

圖5 顯示三種碳纖維束在進(jìn)行鋼針置換后拉伸斷裂強(qiáng)力情況：未經(jīng)處理的碳纖維束拉伸斷裂強(qiáng)力最小，二甲基硅油處理的碳纖維束拉伸斷裂強(qiáng)力最大。這是因?yàn)榻?jīng)水處理或二甲基硅油處理的碳纖維涂覆了1 層均勻的涂層，表面光滑度高，使得所受摩擦力較小。二甲基硅油處理的碳纖維束在表面形成的劑膜較厚，提高了碳纖維束的物理抱合力和化學(xué)結(jié)合力，導(dǎo)致耐磨性提高，使碳纖維最大斷裂強(qiáng)力增大了21.14%。

圖5 三種纖維束拉伸斷裂強(qiáng)力分布情況

3 結(jié)論

(1)鋼針置換摩擦力規(guī)律性分區(qū)呈現(xiàn)，摩擦力分布由大到小為：角部、邊部、次邊部、中部；鋼針置換摩擦力與織造層數(shù)和層密度成正相關(guān)，依據(jù)力學(xué)分析建立了鋼針置換摩擦力預(yù)測模型，與實(shí)驗(yàn)值的偏差率小于10%，為鋼針置換機(jī)械化提供拉力參考。

(2) Z 向纖維束最大斷裂強(qiáng)力與鋼針置換摩擦力成負(fù)相關(guān)；連續(xù)摩擦次數(shù)較多時，Z 向纖維束最大斷裂強(qiáng)力變化較大、較快，連續(xù)摩擦次數(shù)較少時，變化趨勢逐漸平緩；依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析建立了Z 向纖維束最大斷裂強(qiáng)力與摩擦力關(guān)系的擬合模型，通過該擬合模型調(diào)整連續(xù)置換次數(shù)以滿足預(yù)制體抗拉強(qiáng)度要求。

(3)水溶性二甲基硅油是理想的碳纖維表面處理劑，有效解決了碳纖維束摩擦磨損問題，最大斷裂強(qiáng)力增大了21.14%，使得連續(xù)置換次數(shù)增大，增強(qiáng)了預(yù)制體連續(xù)性和穩(wěn)定性。