西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 房 鑫 齊樂華 周計(jì)明 衛(wèi)新亮 關(guān)俊濤 張麗丹

碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料（Cf/Mg）具有高比強(qiáng)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(xué)系統(tǒng)反射鏡[4]、衛(wèi)星和雷達(dá)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(kuò)展，成本問題成為制造業(yè)日益關(guān)注的焦點(diǎn)。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(fēng)扇機(jī)匣和Atlas5型運(yùn)載火箭的預(yù)成形體[9]。美國(guó)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(dòng)機(jī)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(jī)翼和機(jī)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(jī)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(yàn)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(yàn)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(duì)稱結(jié)構(gòu)，應(yīng)用過程中承受壓縮載荷，本文考慮增強(qiáng)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(shì)；但受壓時(shí)，考慮到構(gòu)件的局部可能會(huì)發(fā)生屈曲變形，其環(huán)向（0°）也需增強(qiáng)。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(shí)加固形成預(yù)成形體。其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)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(gè)預(yù)成形體徑向縫合增強(qiáng)。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(shí)浸潤(rùn)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(shí)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(xiàng)布提供環(huán)向增強(qiáng)相；如此反復(fù)直至規(guī)定厚度；整個(gè)纖維預(yù)成形體沿徑向縫合增強(qiáng)。實(shí)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(diǎn)是能保證纖維的連續(xù)完整，結(jié)構(gòu)效率高，技術(shù)相對(duì)成熟，制件力學(xué)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(xiàng)布提供環(huán)向增強(qiáng)相，有效避免了環(huán)向纖維破壞帶來(lái)的性能損失，而且可以防止纖維脫落、變形；每?jī)蓪愉伕餐瓿珊螅褂锰祭w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(qiáng)。實(shí)物如圖4所示。

（4）纖維編織加固工藝。

編織工藝是將增強(qiáng)纖維織造成整體織物的方法。其優(yōu)點(diǎn)是制件損傷容限和抗拉伸破壞能力強(qiáng)，可以織造復(fù)雜形狀預(yù)成形體，進(jìn)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(shí)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(duì)二維纖維預(yù)成形體進(jìn)行厚度方向的增強(qiáng)；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(qiáng)度和剛度，抵抗復(fù)合材料制備過程中合金液的沖擊。實(shí)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(yàn)測(cè)試及結(jié)果分析

2.1 異形預(yù)成形體體積分?jǐn)?shù)

測(cè)定纖維體積分?jǐn)?shù)的方法有顯微鏡法、化學(xué)消化法、電阻率法和計(jì)算法等。本文采用方法簡(jiǎn)單、成本低廉的計(jì)算法測(cè)定。其計(jì)算公式為：

式中，Vf為纖維體積分?jǐn)?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(dòng)激光掃描儀分別對(duì)4個(gè)試樣的纖維質(zhì)量Wf和纖維制件體積Vc進(jìn)行測(cè)量，纖維密度ρf為1.8g/cm3，將測(cè)量數(shù)據(jù)帶入計(jì)算公式（1）中，測(cè)量結(jié)果與纖維體積分?jǐn)?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(duì)4個(gè)試樣外形尺寸進(jìn)行測(cè)定，比較儀測(cè)量直筒段任意截面圓度誤差，三坐標(biāo)法測(cè)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(jì)算環(huán)/軸向鋪層比例。測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)試樣成形尺寸進(jìn)行對(duì)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(biāo)。使用洗衣機(jī)對(duì)異形預(yù)成形體反復(fù)水洗，通過測(cè)量試樣在洗滌后整體變形程度及局部纖維紋理的變化來(lái)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(jī)中，在旋轉(zhuǎn)速度為（179±2）r/min條件下，洗滌10min并干燥，測(cè)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(wú)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(wú)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(cè)量結(jié)果顯示：試樣1體積分?jǐn)?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?jǐn)?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?jǐn)?shù)測(cè)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(duì)蓬松，體積分?jǐn)?shù)較低。

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

試樣成形尺寸的測(cè)量結(jié)果顯示，試樣1、2與標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)試樣的尺寸接近。分析認(rèn)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(gè)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(cè)試，4個(gè)試樣的損傷程度各不相同。分析認(rèn)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?jǐn)?shù)低，采用碳纖維束作為環(huán)向性能增強(qiáng)相，織物密實(shí)，體積分?jǐn)?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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