一種碳纖維堝幫自動(dòng)成型機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研究

劉泠杉， 胡學(xué)濤， 林富生， 黃豐毅， 徐釗釗

（武漢紡織大學(xué)； 三維紡織湖北省工程研究中心； 湖北省數(shù)字化紡織裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430200）

0 引言

碳/碳復(fù)合材料具有密度低、導(dǎo)熱性能好、高強(qiáng)度、高模量、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，是最具有發(fā)展前途的高溫復(fù)合材料之一。在太陽(yáng)能光伏領(lǐng)域，隨著單晶硅直拉爐的迅速發(fā)展，其熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)尺寸不斷升級(jí)擴(kuò)大，碳/碳復(fù)合材料堝幫、外導(dǎo)流筒、加熱器、保溫筒、內(nèi)撐筒及緊固件等熱場(chǎng)部件由于其質(zhì)量輕、 抗侵蝕能力強(qiáng)、 使用壽命長(zhǎng)、高性價(jià)比及節(jié)能效應(yīng)等突出特點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用[1]，特別是碳/碳復(fù)合材料堝幫，已經(jīng)得到大批量應(yīng)用。

1 針刺工藝及其對(duì)材料性能的影響因素

針刺工藝通過(guò)對(duì)碳纖維織物的疊層針刺， 以各種纖維布和短切纖維網(wǎng)胎為復(fù)合原材料， 利用一種帶有反向鉤刺的特殊刺針對(duì)纖維復(fù)合材料鋪層進(jìn)行針刺， 引入層間纖維，達(dá)到增強(qiáng)預(yù)制體層間性能的目的，是制造碳/碳復(fù)合材料預(yù)制體的重要技術(shù)，如圖1 所示。 目前，國(guó)內(nèi)發(fā)展出三種碳纖維針刺預(yù)制體制備技術(shù)：整體針刺氈、碳纖維布預(yù)氧絲網(wǎng)胎預(yù)制體和碳纖維布/碳纖維網(wǎng)胎預(yù)制體[2]。

圖1 針刺預(yù)制體制備過(guò)程示意圖[3]Fig.1 Schematic diagram for the needling process[3]

影響針刺工藝的主要參數(shù)包括針刺密度和針刺深度。 針刺密度受植針密度、針刺頻率和織物輸出速度等因素的影響。 針刺密度作為重要的針刺工藝參數(shù)，對(duì)織物的體積密度和孔隙結(jié)構(gòu)也有重要影響， 然而增強(qiáng)體織物的這些性能會(huì)直接影響到復(fù)合材料的最終性能。

劉建軍等[4，5]研究了針刺參數(shù)，包括針刺深度和密度對(duì)織物力學(xué)性能的影響。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)隨著針刺密度的增加，針刺織物的密度逐漸増大，層間拉伸強(qiáng)度逐漸增加，而面內(nèi)拉伸強(qiáng)度下降，如圖2 所示。

圖2 針刺預(yù)制體拉伸強(qiáng)度與針刺密度的關(guān)系[4]Fig.2 The relationship between tensile strength and needling density for needled preform[4]

李飛等[6]發(fā)現(xiàn)針刺密度、深度對(duì)針刺預(yù)制體面內(nèi)拉伸強(qiáng)度和層間剝離強(qiáng)度均有顯著影響。針刺工藝中，針刺深度取決于刺針工作段的長(zhǎng)度， 隨著預(yù)制體針刺深度的增加，預(yù)制體的z 向拉伸強(qiáng)度和層間剝離強(qiáng)度顯著增加，但達(dá)到定針刺深度后（12～14mm）逐漸下降，如圖3 所示。 這是因?yàn)殡S著針刺深度的增加，z 向纖維束的形態(tài)發(fā)生了變化，纖維發(fā)生了損傷和斷裂。

圖3 針刺預(yù)制體的拉伸強(qiáng)度與針刺深度的關(guān)系[6]Fig.3 The relationship between tensile strength and needling depth for needled preforms[6]

2 堝幫常見(jiàn)故障分析及其影響因素

堝幫是單晶硅直拉爐中最重要的結(jié)構(gòu)損耗件，主流單晶硅制造企業(yè)已經(jīng)大批量采用碳/碳復(fù)合材料堝幫替代石墨堝幫。 這種碳/碳復(fù)合材料堝幫在單晶硅的制備過(guò)程中，會(huì)和其內(nèi)部的硅料有一定的接觸。 在升溫時(shí)，硅料所釋放的大量二氧化硅和硅蒸汽與碳/碳復(fù)合材料堝幫接觸時(shí)極易發(fā)生硅化反應(yīng)而產(chǎn)生侵蝕。硅化侵蝕無(wú)法徹底根除，侵蝕積累到一定程度后引起堝幫破壞失效，如圖4 所示。

圖4 碳/碳復(fù)合材料堝幫失效圖Fig.4 Failure mode of carbon/ carbon composite crucible

綜上所述，提高碳/碳復(fù)合材料堝幫的力學(xué)性能能夠有效延長(zhǎng)其使用壽命。 從復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝分析，碳/碳復(fù)合材料的密度、環(huán)向碳纖維含量都是影響碳/碳復(fù)合材料堝幫使用壽命的重要因素。結(jié)合這些影響因素，提高堝幫強(qiáng)度及保溫性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)薄弱堝托的重點(diǎn)加固，大幅提高堝幫使用壽命，設(shè)計(jì)一臺(tái)碳纖維堝幫自動(dòng)成型機(jī)。

3 碳/碳復(fù)合材料整體堝幫成型機(jī)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一臺(tái)堝幫成型機(jī)， 該機(jī)通過(guò)改變針刺臂刺針排布、調(diào)節(jié)針刺角度并增加針刺密度以提高碳/碳復(fù)合材料纖維體積含量， 增加堝托厚度并加以涂層的方式來(lái)提高堝托的保溫性、耐磨性同時(shí)增加其強(qiáng)度。

3.1 關(guān)鍵技術(shù)及其創(chuàng)新點(diǎn)

該機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)在于改變針刺臂刺針排布、 調(diào)節(jié)針刺角度并增加針刺密度以提高碳/碳復(fù)合材料纖維體積含量，增加堝托厚度并加以涂層的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

這臺(tái)設(shè)備的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括：①采用新型碳/碳復(fù)合材料整體堝幫成型方式，有效提高堝幫強(qiáng)度及保溫性能，并可以實(shí)現(xiàn)對(duì)薄弱堝托的重點(diǎn)加固，大幅提高堝幫使用壽命；②解決手工針刺生產(chǎn)堝幫效率低、產(chǎn)品品質(zhì)波動(dòng)大等問(wèn)題，設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)首臺(tái)自行研發(fā)、全自動(dòng)連續(xù)生產(chǎn)碳/碳復(fù)合材料整體堝幫的設(shè)備。

3.2 碳/碳復(fù)合材料整體堝幫成型機(jī)的設(shè)計(jì)方案

該設(shè)備主要包括五個(gè)部分： 芯模組件、 圓筒針刺組件、圓弧針刺組件、頂部針刺組件、控制柜，如圖5 所示。

圖5 針刺機(jī)整體結(jié)構(gòu)示圖Fig.5 Diagram of the overall structure of needle punching machine

工作時(shí)，在芯模上鋪好網(wǎng)胎，完成準(zhǔn)備工作。控制芯模底部電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)芯模以一定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。 相對(duì)應(yīng)的，所有針刺組件開(kāi)始同時(shí)運(yùn)動(dòng)；圓弧針刺部分通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)氣缸的伸縮頻率，完成圓弧部分的針刺；同時(shí)，圓筒針刺電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過(guò)同步帶帶動(dòng)軸上的凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由此使推動(dòng)針刺組件進(jìn)行有規(guī)律的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成針刺過(guò)程；頂部針刺部分通過(guò)芯模方向軌道運(yùn)動(dòng)到芯模頂部的正上方，然后帶有氣缸的針刺板通過(guò)豎直方向軌道運(yùn)動(dòng)到芯摸頂部指定位置，調(diào)節(jié)氣缸的伸縮頻率，完成頂部的針刺。 這樣通過(guò)控制系統(tǒng)控制各針刺組件協(xié)調(diào)運(yùn)行，完成對(duì)胎網(wǎng)的碳纖維針刺。

現(xiàn)對(duì)該機(jī)器的主要五大組件進(jìn)行分析：

（1）芯模組件。 芯模組件中，芯?？梢园凑招枨笱b配不同的大小尺寸。芯模下方設(shè)有轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可根據(jù)需要，調(diào)節(jié)電機(jī)的參數(shù)，通過(guò)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)芯模轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖6 所示。

圖6 芯模組件示圖Fig.6 Diagram of core die assembly

（2）圓弧針刺組件。 圓弧針刺組件中，由絲桿傳動(dòng)控制豎直方向針刺部分的運(yùn)動(dòng)， 而針刺部分在芯模方向和弧形部分方向通過(guò)軌道運(yùn)動(dòng)， 且弧形部分針刺采用氣缸連接針刺板完成針刺過(guò)程，如圖7 所示。

圖7 圓弧針刺組件示圖Fig.7 Diagram of arc needling assembly

（3）頂部針刺組件。頂部針刺組件跨越芯摸頂部的機(jī)架和針刺部分組成， 其中針刺部分設(shè)置在芯模頂部正上方，且針刺部分在芯模方向和豎直方向通過(guò)軌道運(yùn)動(dòng)，如圖8 所示。

圖8 頂部針刺組件示圖Fig.8 Top needle assembly diagram

（4）圓筒針刺組件。圓筒針刺組件中的針刺部分由電機(jī)通過(guò)同步帶傳動(dòng)帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由此完成針刺的運(yùn)動(dòng)。刺針可根據(jù)需要調(diào)節(jié)深度和密度。 如圖9 所示。

（5）控制臺(tái)。 該機(jī)采用PLC 控制，有上位機(jī)作為人機(jī)界面與PLC 通訊，通過(guò)上位機(jī)修改參數(shù)，以便于機(jī)器運(yùn)行調(diào)試。

圖9 圓筒針刺組件示圖Fig.9 Diagram of cylinder needle assembly

該機(jī)器可以調(diào)節(jié)各項(xiàng)針刺參數(shù)， 實(shí)現(xiàn)對(duì)任意針刺工藝數(shù)值設(shè)置。通過(guò)調(diào)節(jié)步進(jìn)量、針板與預(yù)制體之間的相對(duì)位置以及針板上的植針密度（12～40 針/cm2）可以實(shí)現(xiàn)預(yù)制體針孔的不同排布形式，調(diào)節(jié)鋪層厚度和針刺深度（3～17mm） 可以模擬針刺纖維束在z 向的不同引入深度。 在不同鋪層設(shè)置不同的針刺次數(shù)； 還可以得到變針刺密度的預(yù)制體。

4 總結(jié)

本文分析了碳/碳復(fù)合材料堝幫的失效形式及其產(chǎn)生的原因，從其影響因素中分析針刺工藝，達(dá)到增強(qiáng)碳/碳復(fù)合材料堝幫力學(xué)性能的要求。 此外針對(duì)性的設(shè)計(jì)了一臺(tái)整體堝幫成型機(jī)，根據(jù)不同需求，該針刺機(jī)可調(diào)節(jié)不同的針刺深度、針刺密度以增強(qiáng)預(yù)制體的各方面性能。該針刺機(jī)采用全自動(dòng)的控制系統(tǒng)， 將人工手動(dòng)針刺方式變?yōu)樽詣?dòng)化制造方式，提高了工作效率，且有效解決了產(chǎn)品各部分密度不均勻、織物型面尺寸準(zhǔn)確性差、堝幫整體力學(xué)性能薄弱等技術(shù)問(wèn)題。