碳化硅纤维2.5D增强预制体的研究.pdf
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1、分析研究 高科技纤维与应用 年第 期 碳化硅纤维 增强预制体的研究董经经 荆云娟 韦鑫 张欢 杨燕宁(陕西省纺织科学研究院有限公司 西安)摘 要:碳化硅纤维增强碳化硅基体(/)复合材料其优异特性是航空发动机热端高温部件的理想材料 作为/复合材料的增强相 纤维预制体的设计与织造决定构件可靠性和承载效率的关键环节 结构由于可设计性强 成本低 成型简单 产业化可实现等特点而广泛应用于预制体织造 本文介绍了碳化硅纤维可织性研究 归纳了 角联锁的几种结构方法 阐述了 角联锁织造关键技术等问题 最后提出了在该领域应解决的问题和主攻方向关键词:陶瓷基复合材料 碳化硅纤维 结构 细观模型 织造方法中图分类号:
2、文献标识码:文章编号:()作者简介:董经经()工程师 主要从事纺织复合材料预制体的制备方法研究 电子邮箱:():(/)/:分析研究 年第 期高科技纤维与应用 引言先进陶瓷基复合材料()具有优异的比强度、比模量、抗冲击性以及极端环境下的耐高温等优异性能 在航空航天、交通运输、海洋船舶等工程领域广泛应用 三维纺织复合材料具有多样化的预制体结构、大范围可调节纤维取向和纤维含量 且引入厚度方向的纤维可以提高预制体的层间性能 可作为先进陶瓷基复合材料的增强预制体 机织具有织造工艺简单、成型快、可设计性强、成本低等显著特点 在航天、航空等热端部件的应用逐步增强 因此深入研究 预制体结构工艺设计与织造方法为
3、工程运用奠定基础 增强预制体由基本的经纱系统与纬纱系统构成 且通过经纱系统层层连接起来 预制体中的纱线不仅沿经纬向 而且厚度方向靠经向纱线层层连接起来 角联锁结构本身又是多种多样的 有斜交角联锁、疏松联锁、层层角联锁等这些结构再配合衬经、衬纬、法向纱又可变化出多种不同的结构 通过对纱线股数、不同位置加纱以及预制体变换方向等工艺设计 从而增强结构件的力学性能朱建华根据实际上机织造工艺参数并结合具体结构数据对三维角联锁结构、三维正交结构、三维变厚度结构、三维筒状结构等四种多层机织物结构进行建模与仿真 利用 编程语言调用 对三维机织物进行仿真 以纱线截面为椭圆形或圆形 纱线轨迹为三次 样条曲线并假设
4、纱线直径不变 确定纱线所在的位置 唐逊以三维机织复合材料细观切片拍照 追踪材料内部纱线各个截面的形状和形心坐标 从而确定三维机织复合材料纱线真实细观形态和轨迹并据此建立了一个新的三维机织复合材料几何模型 计算了三维机织复合材料的纤维体积含量张艳红基于跑道形假设建立了较为符合真实情况的几何模型 该模型能够直接用来分析结构特征参数与 机织增强材料力学性能之间的关系 进一步了解了 机织增强材料细观结构对其经向拉伸性能的影响综上 对于 增强预制体细观几何结构的研究已较为深入 但对碳化硅纤维 增强预制体的研究还不够 因此了解碳化硅纤维 增强预制体的研究内容尤为重要 本文先阐述了碳化硅纤维可织性 其次探讨
5、了碳化硅纤维 增强预制体结构细分 预制体细观模型建立 预制体织造技术方法等方面进行了探讨 并对其发展趋势进行了展望 碳化硅纤维碳化硅/碳化硅陶瓷基复合材料具有重量轻、耐高温、高强度、抗氧化、耐腐蚀、耐冲击等优点 克服了碳化硅()陶瓷材料断裂韧性低和抗冲击载荷性能差的缺陷 特别是在高温环境下保持其理化特性不退化的特点 在航空航天等领域具有广阔的应用前景 是先进材料领域的前沿性材料之一 碳化硅纤维作为多相陶瓷 纤维单丝直径较粗 柔韧性差 纤维集束性差 在预制体成型过程中纤维受到机械的反复拉伸、摩擦和弯曲 使碳化硅纤维束中的单丝发生断裂、松散、劈丝甚至断头 且当经纱密度较高时 引起纤维相互纠缠粘连
6、导致碳化硅纤维丝束表面被“原纤化”的频率较高 顺利织造难度加大 严重时会出现断纱 进而影响碳化硅预制体的质量而碳化硅纤维预制体作为先进复合材料的增强骨架 其结构及性能对复合材料的性能起至关重要的作用碳化硅纤维可织性是指碳化硅纤维束在承受织机复合应力作用下 所表现出织造适应性即抗织造损伤能力 如图 ()所示 上浆是高性能纤维生产工艺流程中的一个可选择性的关键步骤 纤维在上浆过程中 浆液在纤维表面被覆 在纤维表面形成柔软、坚韧、富有弹性的浆膜 使纤维表面光滑、毛羽贴伏 在纤维内部分析研究 高科技纤维与应用 年第 期 加强了纤维丝束之间的粘接抱和能力 改善纤维的力学性能 能使纤维织造性能得到提高 然
7、而在生产实际操作过程中 通过对碳化硅纤维进行二次表面上浆处理 如图 ()所示 上浆剂的品种与纤维束表面的相容性 尤其是在与陶瓷基体复合时 对/陶瓷基复合材料的性能影响就不得而知 因此 提高碳化硅纤维的可织性可从预制体工艺设计合理性及织造设备适配性方面考虑图 纤维束上浆图图 四种增强预制体结构示意图 增强预制体结构 增强预制体一般采用角联锁结构 角联锁结构按照织造方法分为 个纱线系统 最基础是由经纱与纬纱 个纱线系统组成 如图()所示 衬纬系统、衬经系统、法向纱系统是可选择的预制体结构 增强预制体按照贯穿程度分为整体角联锁和层间角联锁 如图 所示通过改变 增强角联锁的经纱的交织方式 如斜交或者跨
8、层交织的方式得到不同的结构 如斜交角联锁结构、疏松正交角联锁结构UBU5J3UCUK5J3图 两种变结构增强预制体结构示意图单胞是预制体重复的最小单元 是研究增强结构的基础 选取代表性结构单胞 建立合理细观几何模型可以精细化预测 增强预制体的工艺设计 如图 所示 虚线内为 角联锁结构最小单胞 通过观察纱线的截面形态和走向 建立单胞模型 可得到整个 预制体的排列规律 为了便于计算 假设经纬纱的横截面均为圆形 且沿长度方向是均匀的 没有卷曲经纱呈正弦曲线形式排布 编织工艺稳定 编织结构在计算长度范围内是一致的 通过分析单胞内经纬纱的走向 建立正弦曲线的经纱与垂直纬纱的单胞模型 在模型内分析经纬纱长
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