胡健明，繆云良，錢淑云，張誠，李媛琪

(江蘇天鳥高新技術股份有限公司，江蘇 宜興 214205)

0 引言

天線罩的作用是保護內(nèi)部天線以及相關聯(lián)的電子設備免受外界環(huán)境的影響。由于空氣動力學的原因，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三維針刺預制體為骨架的陶瓷基復合材料，該材料具有良好的防熱、透波和力學性能，同時具有膨脹系數(shù)小、耐腐蝕等優(yōu)點。石英纖維預制體增強的陶瓷基復合材料已成功應用于戰(zhàn)術導彈天線罩[1-2]。

準三維結構石英纖維預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，石英纖維針刺預制體制備過程如圖1所示。

圖1 石英纖維針刺預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，形成一種準三維結構的針刺預制體。

石英纖維準三維結構針刺預制體具有整體性好，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]。石英纖維準三維結構針刺預制體內(nèi)部結構與針刺工藝參數(shù)的多樣性，使預制體具有極佳的可設計性。但石英纖維準三維結構針刺預制體性能研究未見報道，因此本文研究了石英纖維準三維結構針刺預制體內(nèi)部結構對針刺預制體力學性能的影響。其力學性能包括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的設計與優(yōu)化以及復合材料設計提供參考和依據(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)部結構如下。

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)部結構：石英纖維網(wǎng)氈逐層鋪層、逐層針刺。

試樣2內(nèi)部結構：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)部結構：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)部結構：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《石英纖維預制體》進行測試，測試結果見表3。

表3 石英纖維預制體性能

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準GJB 1867—94《整體炭氈試驗方法》[6]進行石英纖維預制體力學性能測試，試驗測試參數(shù)見表4。

表4 試驗測試參數(shù)

2 結果與分析

2.1 預制體X-Y向性能分析

預制體X-Y向拉伸性能見表5。

表5 預制體X-Y向拉伸性能

從表4可知，X-Y向拉伸強度隨預制體長纖維占有率的增大而增大。全網(wǎng)氈預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構試樣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?，石英纖維織物經(jīng)緯密度增加，預制體內(nèi)長纖維占有率和體積密度增大，預制體的X-Y向拉伸強度隨之增大。

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

2.2 預制體Z向性能分析

預制體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制體，這三種預制體隨長纖維占有率的增加，預制體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，也是預制體層間結合力的關鍵。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 預制體Z向拉伸及T型剝離性能

圖5 預制體Z向拉伸性能

圖6 預制體T型剝離性能

2.3 結構分析與優(yōu)化

前期研究表明，影響石英纖維準三維仿形針刺預制體力學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制體X-Y向拉伸強度，同時也可增加預制體的體積密度，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，從而影響預制體的綜合性能[7-8]。

根據(jù)2.1-2.2不同預制體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，可提高預制體X-Y向拉伸強度，同時也可增加預制體的體積密度，提高預制體纖維體積密度。

在預制體結構設計時，可根據(jù)材料的最終使用要求設計長纖維占有率。層間性能要求較高的預制體，可減少長纖維占有率；平面方向性能要求較高的預制體，則可增加長纖維占有率。而全網(wǎng)氈預制體，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，會導致網(wǎng)氈和織物損傷量增加，反而引起預制體性能的降低[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)預制體內(nèi)部結構設計最優(yōu)的針刺密度及針刺深度。

3 結論及展望

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

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

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

(4)石英纖維準三維結構針刺預制體，盡管取得了技術突破，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合是石英纖維準三維針刺預制體發(fā)展的一個重要方向，其結構與性能有待進一步研究。