石英纖維準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)針刺預(yù)制體性能分析

胡健明，繆云良，錢淑云，張誠，李媛琪

(江蘇天鳥高新技術(shù)股份有限公司，江蘇 宜興 214205)

0 引言

天線罩的作用是保護內(nèi)部天線以及相關(guān)聯(lián)的電子設(shè)備免受外界環(huán)境的影響。由于空氣動力學(xué)的原因，天線罩需擁有氣動外形，減小電磁能量的失真，同時保證天線性能穩(wěn)定。目前高性能天線罩已采用石英纖維準(zhǔn)三維針刺預(yù)制體為骨架的陶瓷基復(fù)合材料，該材料具有良好的防熱、透波和力學(xué)性能，同時具有膨脹系數(shù)小、耐腐蝕等優(yōu)點。石英纖維預(yù)制體增強的陶瓷基復(fù)合材料已成功應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈天線罩[1-2]。

準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)石英纖維預(yù)制體是采用針刺工藝對石英纖維網(wǎng)氈、石英纖維織物進行接力針刺成型，石英纖維針刺預(yù)制體制備過程如圖1所示。

圖1 石英纖維針刺預(yù)制體制備過程示意圖[3]

利用刺針將平面層中的短纖維引入并遷移至Z向或法向，使石英纖維網(wǎng)氈和石英纖維織物產(chǎn)生連接，逐層疊加，逐層針刺直至達到所需的尺寸，形成一種準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)的針刺預(yù)制體。

石英纖維準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)針刺預(yù)制體具有整體性好，不易分層，孔隙分布均勻、面內(nèi)及層間強度高等優(yōu)異性能[4-5]。石英纖維準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)針刺預(yù)制體內(nèi)部結(jié)構(gòu)與針刺工藝參數(shù)的多樣性，使預(yù)制體具有極佳的可設(shè)計性。但石英纖維準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)針刺預(yù)制體性能研究未見報道，因此本文研究了石英纖維準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)針刺預(yù)制體內(nèi)部結(jié)構(gòu)對針刺預(yù)制體力學(xué)性能的影響。其力學(xué)性能包括X-Y向拉伸強度、Z向連接強度、T型剝離強度，可為針刺成型工藝技術(shù)的設(shè)計與優(yōu)化以及復(fù)合材料設(shè)計提供參考和依據(jù)。

1 實驗

1.1 原材料

石英纖維，湖北菲利華石英玻璃股份有限公司，B型，線密度：195 tex。

采用機織工藝織造石英纖維織物，石英纖維織物性能見表1；采用非織造工藝制得石英纖維網(wǎng)氈，石英纖維網(wǎng)氈性能見表2。

表1 石英纖維織物性能

表2 石英纖維網(wǎng)氈性能

1.2 實驗過程

在針刺工藝參數(shù)相同的狀態(tài)下，制備針刺預(yù)制體試樣，每種試樣制備6件。針刺成型工藝參數(shù)和試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下。

針刺工藝參數(shù)：針刺密度為30針/cm2；針刺深度為12 mm。

試樣1內(nèi)部結(jié)構(gòu)：石英纖維網(wǎng)氈逐層鋪層、逐層針刺。

試樣2內(nèi)部結(jié)構(gòu)：一層石英纖維織物(6.0根/cm×6.0根/cm，后面織物規(guī)格只寫數(shù)字，不標(biāo)注單位)和一層石英纖維網(wǎng)氈逐層鋪層、逐層針刺。

試樣3內(nèi)部結(jié)構(gòu)：一層石英纖維織物(7.3×7.3)和一層石英纖維網(wǎng)氈逐層鋪層，逐層針刺。

試樣4內(nèi)部結(jié)構(gòu)：兩層石英纖維織物(7.3×7.3)和一層石英纖維網(wǎng)氈逐層鋪層、逐層針刺。

試樣制備后按Q/320282KLN014—2020《石英纖維預(yù)制體》進行測試，測試結(jié)果見表3。

表3 石英纖維預(yù)制體性能

試樣照片見圖2-圖4。

圖2 X-Y向拉伸試驗試樣

圖3 Z向拉伸試驗試樣

圖4 T型剝離試驗試樣

1.3 性能測試

采用電子萬能試驗機參照標(biāo)準(zhǔn)GJB 1867—94《整體炭氈試驗方法》[6]進行石英纖維預(yù)制體力學(xué)性能測試，試驗測試參數(shù)見表4。

表4 試驗測試參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)制體X-Y向性能分析

預(yù)制體X-Y向拉伸性能見表5。

表5 預(yù)制體X-Y向拉伸性能

從表4可知，X-Y向拉伸強度隨預(yù)制體長纖維占有率的增大而增大。全網(wǎng)氈預(yù)制體由于平面方向無連續(xù)纖維增強，X-Y向拉伸強度最小，僅為0.17 MPa。

比較兩種單層織物結(jié)構(gòu)試樣2和試樣3。試樣2織物經(jīng)緯密為6.0×6.0，試樣3織物經(jīng)緯密為7.3×7.3，試樣3比試樣2拉伸強度增大約70.2%?？梢姡⒗w維織物經(jīng)緯密度增加，預(yù)制體內(nèi)長纖維占有率和體積密度增大，預(yù)制體的X-Y向拉伸強度隨之增大。

采用7.3×7.3雙層織物結(jié)構(gòu)試樣4，相比7.3×7.3單層織物預(yù)制體試樣3，試樣4的X-Y向拉伸強力是試樣3的2.08倍。預(yù)制體X-Y向拉伸性能與長纖維占有率成正比，預(yù)制體長纖維占有率由織物的經(jīng)緯密度和體積密度決定，預(yù)制體的長纖維占有率決定了預(yù)制體X-Y向拉伸性能。

2.2 預(yù)制體Z向性能分析

預(yù)制體Z向拉伸性能和T型剝離性能見表6。

從表6和圖5、圖6可見，全網(wǎng)氈試樣Z向拉伸強度、T型剝離強度最低，全網(wǎng)氈預(yù)制體的體積密度為0.15 g/cm3，長纖維占有率為0%，針刺后短纖維遷移至Z向，由于無長纖維相互連接，短纖維的相互連接較弱，其Z向拉伸性能和T型剝離性能最低。試樣2～4是含石英纖維織物的預(yù)制體，這三種預(yù)制體隨長纖維占有率的增加，預(yù)制體Z向拉伸強度和T型剝離強度隨之減小。網(wǎng)氈中的短纖維是針刺過程中Z向纖維遷移的源頭，也是預(yù)制體層間結(jié)合力的關(guān)鍵。網(wǎng)氈比例少，針刺過程刺針捕捉的Z向短纖維遷移的比例降低，短纖維和長纖維相互連接比例減少，所以Z向性能降低。

表6 預(yù)制體Z向拉伸及T型剝離性能

圖5 預(yù)制體Z向拉伸性能

圖6 預(yù)制體T型剝離性能

2.3 結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

前期研究表明，影響石英纖維準(zhǔn)三維仿形針刺預(yù)制體力學(xué)性能的主要因素有長纖維占有率、體積密度、針刺深度、針刺密度等工藝參數(shù)。其中：石英纖維織物中的長纖維占有率可增加預(yù)制體X-Y向拉伸強度，同時也可增加預(yù)制體的體積密度，石英纖維網(wǎng)氈的比例將直接影響針刺過程短纖維Z向的遷移。在針刺工藝過程中，針刺密度和針刺深度將直接影響Z向纖維的遷移量，從而影響預(yù)制體的綜合性能[7-8]。

根據(jù)2.1-2.2不同預(yù)制體X-Y向拉伸強度、Z向拉伸強度、T型剝離強度分析可知，預(yù)制體Z向拉伸強度、T型剝離強度由石英纖維網(wǎng)氈中遷移的短纖維貢獻，預(yù)制體X-Y向拉伸強度主要由石英纖維織物中的長纖維貢獻。石英纖維織物經(jīng)緯密和長纖維占有率的增加，可提高預(yù)制體X-Y向拉伸強度，同時也可增加預(yù)制體的體積密度，提高預(yù)制體纖維體積密度。

在預(yù)制體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可根據(jù)材料的最終使用要求設(shè)計長纖維占有率。層間性能要求較高的預(yù)制體，可減少長纖維占有率；平面方向性能要求較高的預(yù)制體，則可增加長纖維占有率。而全網(wǎng)氈預(yù)制體，由于體積密度低，長纖維占有率為0%，在隔熱材料中將發(fā)揮其優(yōu)勢。

在針刺成型工藝中，為增加層間性能，可提高針刺密度或針刺深度。但過高的針刺密度和針刺深度，會導(dǎo)致網(wǎng)氈和織物損傷量增加，反而引起預(yù)制體性能的降低[9-10]，即X-Y向拉伸強度和Z向拉伸強度會存在極大值。因此，在實際研制過程中，需根據(jù)預(yù)制體內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計最優(yōu)的針刺密度及針刺深度。

3 結(jié)論及展望

(1)針刺過程短纖維遷移是影響預(yù)制體Z向拉伸強度、T型剝離強度的主要因素，是提高針刺預(yù)制體層間性能的關(guān)鍵。

(2)預(yù)制體中長纖維占有率是影響預(yù)制體X-Y向拉伸強度的主要因素。石英纖維織物力學(xué)性能和長纖維占有率提高，預(yù)制體X-Y向拉伸強度也隨之提高。

(3)合理設(shè)計長纖維占有率，可優(yōu)化石英纖維針刺預(yù)制體X-Y向和Z向的各項性能，達到復(fù)合材料的使用要求。

(4)石英纖維準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)針刺預(yù)制體，盡管取得了技術(shù)突破，但許多方面研究還不完善。對于Z向性能要求較高的材料，與縫合成型工藝的相互結(jié)合是石英纖維準(zhǔn)三維針刺預(yù)制體發(fā)展的一個重要方向，其結(jié)構(gòu)與性能有待進一步研究。