李小虎，王芳芳

（南京玻璃纖維研究設(shè)計院有限公司，南京 210012）

0 前言

復(fù)合材料由于比模量高、比強度高、材料性能可設(shè)計、制造工藝簡單，并具有良好的熱穩(wěn)定性、抗疲勞、抗腐蝕等性能，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天技術(shù)、空間技術(shù)、汽車工業(yè)、化工、醫(yī)學(xué)、能源工程、武器裝備技術(shù)、海洋工程、信息技術(shù)、民用建筑等領(lǐng)域［1，2］。碳/碳復(fù)合材料是以瀝青碳、樹脂碳或熱解碳等作為基體，以碳纖維及其制品作為增強體的復(fù)合材料，不僅具有密度低、比強度、比模量高等優(yōu)點，且高溫性能十分優(yōu)異。

復(fù)合材料縫合技術(shù)是指采用縫合線使多層織物縫合成準(zhǔn)三維立體織物或使分離的數(shù)片織物連接成整體結(jié)構(gòu)的一種復(fù)合材料預(yù)制體制備技術(shù)［3，4］。縫合復(fù)合材料具有抗分層能力強，抗疲勞性能優(yōu)異、構(gòu)件的整體性能好等特性，縫合作為一項提高復(fù)合材料層間強度的技術(shù)越來越受到世界各國的普遍重視。美國NASA從1985年開始實施ACT（Advanced Composite Technology）計劃，它以發(fā)展21世紀(jì)高速運輸機身和機翼為牽引，研究了縫合、編織等不同的紡織結(jié)構(gòu)形式對復(fù)合材料性能的影響，實現(xiàn)了縫合技術(shù)從基礎(chǔ)研究到技術(shù)應(yīng)用。到20世紀(jì)90年代末，波音公司的第三代編織機已經(jīng)研制成功，其中大量采用縫合技術(shù)，意味著可以通過縫合實現(xiàn)幾何尺寸更大、形狀更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如半翼展機翼盒段、機身曲面板、蒙皮和壓力擋板等［5］。

縫合工藝由于其綜合成本較低、可仿形性優(yōu)異及綜合性能優(yōu)異等特點可廣泛應(yīng)用于航空航天用碳/碳復(fù)合材料領(lǐng)域［6］?？p合結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)、縫合原材料等是決定碳/碳復(fù)合材料性能、產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)成本的重要因素［7，8］。深入研究縫合工藝參數(shù)對碳/碳復(fù)合材料的影響，使得縫合預(yù)制體在航空航天發(fā)展上得到長足的應(yīng)用，對我國的國防科工及民用復(fù)合材料技術(shù)具有重要意義。

本文研究了縫合密度、縫合原材料以及縫合體積含量等縫合織物結(jié)構(gòu)特征參數(shù)對縫合預(yù)制體及其碳/碳復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱物理性能的影響，制備綜合性能優(yōu)良的縫合碳/碳復(fù)合材料，為高性能碳/碳復(fù)合材料用縫合預(yù)制體的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 實驗

1.1 原材料

用于縫合預(yù)制體的基布可以選擇各種類型的單向非織造布、2D織物、平紋碳布、緞紋碳布、展寬布、針刺整體氈及其他碳化硅、氮化硅、瀝青基碳纖維等。商用級T700-12K展寬布由于其超薄的結(jié)構(gòu)單元、低廉的價格及優(yōu)異的可設(shè)計性，是復(fù)合材料應(yīng)用的熱點之一。

本文選用市售T300-1 K/3K碳纖維編織成緞紋布及市售商用級T700-12K薄層化碳纖維編織成面密度為100 g/m2的展寬平紋布作為縫合預(yù)制體的基布，見圖1所示，碳布實測結(jié)果見表1所示；縫合線選用T300-3K碳纖維。

圖1 不同規(guī)格碳布

表1 不同種碳布實測參數(shù)

1.2 鋪層方式

鋪層設(shè)計指在單層織物選定后，對構(gòu)件增強體的主體結(jié)構(gòu)所需單層織物層數(shù)、單層織物的鋪層順序進行設(shè)計。為了避免引入因素過多，本試驗采用0°/90°交替鋪層的方式進行碳布層鋪放。

1.3 縫合方式

按針跡不同，縫合方式可分為鏈?zhǔn)健㈡i式、改進鎖式、Tufting縫合、暗縫、雙針縫合等6種縫合方式（圖2），且不同的縫合方式具有不同的優(yōu)缺點。研制碳/碳復(fù)合材料的過程中縫合預(yù)制體在進行復(fù)合時，有多次拆裝磨具過程，需要縫合線對預(yù)制體進行束縛，因此本試驗采用改進鎖式的縫合方式。

圖2 縫合方式示意圖

1.4 縫合預(yù)制體的制備

縫合密度主要包括縫線的針距和行距2個參數(shù)，縫合密度越大，預(yù)制體內(nèi)部的纖維損傷及纖維屈曲現(xiàn)象越嚴(yán)重，預(yù)制體內(nèi)部的富脂區(qū)域也越多，對復(fù)合材料面內(nèi)性能影響也越大；反之，縫合密度越低，復(fù)合材料層間性能改善也越小。且縫合密度對縫合預(yù)制體的體積含量有較大的影響。因此，應(yīng)合理設(shè)計縫合密度，以提高復(fù)合材料制件整體性能。本文設(shè)計的預(yù)制體參數(shù)見表2所示，典型實物如圖3所示。從圖3可以看出不同碳布的縫合預(yù)制體表面平整度大小依次為：T700-12K＞T300-1K＞T300-3K，最終也將影響碳/碳復(fù)合材料的表面平整度。

表2 不同預(yù)制體結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

圖3 不同規(guī)格縫合預(yù)制體

2 碳/碳復(fù)合材料成型與材料力學(xué)性能評價

采用化學(xué)氣相沉積的成型方式對前述碳纖維縫合預(yù)制體進行致密化，制備形成碳/碳復(fù)合材料。碳/碳復(fù)合材料的拉伸、彎曲、壓縮和層間剪切性能在Instron3365萬能試驗機上進行測試表征。碳/碳復(fù)合材料拉伸性能測試參考標(biāo)準(zhǔn)GJB 8736-2015《連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料常溫拉伸性能試驗方法》，試樣為板狀啞鈴型，試驗段尺寸120 mm×10 mm×4 mm；彎曲性能測試參考國際標(biāo)準(zhǔn)QJ 2099-1991《三向纖維增強復(fù)合材料彎曲性能試驗方法》，試樣尺寸為80 mm×12 mm×4 mm，層間剪切性能測試參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ASTMC1291-10（2015）《Standard Practice for Determining the Properties of Jacketing Materials for Thermal Insulation》。每項性能測試取 5個以上有效試樣計算平均值，測試過程的加載速率均為1mm/min。采用JSM-6007F掃描電鏡對材料表面形貌微觀結(jié)構(gòu)進行分析觀察。

3 結(jié)果與討論

3.1 碳布特征對材料力學(xué)性能的影響

碳布特征對材料力學(xué)性能的影響因素主要體現(xiàn)在兩個方面，一是碳布自身強度及其在預(yù)制體內(nèi)的層密度，二是碳布對材料致密化效果的影響。對碳/碳復(fù)合材料而言，預(yù)制體在承載方向上的連續(xù)纖維含量、纖維強度和材料最終密度都會影響材料承載性能［9］。在縫合間距相同的條件下，對比不同碳布種類的碳/碳復(fù)合材料拉伸、彎曲、層間剪切強度（見表3），可知：縫合預(yù)制體的單元層越薄，其碳/碳復(fù)合材料的綜合性能越優(yōu)異，碳布的性能大小為T300-3K＞T700-12K＞T300-1K，而碳/碳復(fù)合材料T700-12K拉伸強度顯著高于T300-1K/3K，且T700-12K拉伸強度約是T300-1K的1.3~1.4倍，是T300-3K的1.7~2.3倍；T700-12K彎曲強度顯著高于T300-1K/3K，且T700-12K彎曲強度約是T300-1K的1.1倍，是T300-3K的1.4~1.6倍；T700-12K彎曲強度顯著高于T300-1K/3K，且T700-12K彎曲強度約是T300-1K的1.1倍，是T300-3K的1.4~1.6倍。由此可知即使原材料自身的性能比較高，若縫合預(yù)制體的單元層比較厚，最終碳/碳復(fù)合材料的平面性能較弱，說明相比碳布自身性能，縫合預(yù)制體的單元層厚度對碳/碳復(fù)合材料的平面性能的影響更加顯著。

表3 力學(xué)性能表征分析

3.2 縫合間距對材料力學(xué)性能的影響

縫合線是實現(xiàn)碳布層間連接、提高材料層間性能、保證預(yù)制體纖維體積含量的關(guān)鍵因素?？p合間距對材料性能的影響主要體現(xiàn)在3個方面，一是縫合線引入的同時會引入預(yù)制體缺陷，導(dǎo)致碳布層一定程度受損，影響材料面內(nèi)拉伸性能；二是引入的縫合線在厚度方向連續(xù)，影響材料抗層間剪切能力；三是縫合線對材料致密化效果的影響［9］。

從表3中可以看出，在相同碳布的條件下，縫合密度越大，拉伸強度呈現(xiàn)降低趨勢，彎曲強度和層間剪切強度呈現(xiàn)增強趨勢，相比縫合間距10 mm×10 mm的碳/碳復(fù)合材料性能，不同碳/碳復(fù)合材料縫合間距6 mm×6 mm和4 mm×4 mm的拉伸強度、彎曲強度和層間剪切強度的降低或增加幅度見表4所示。從表4中可以看出：（1）隨著縫合密度的增加，T700-12K碳/碳復(fù)合材料的拉伸強度降低幅度顯著小于T300-1K/T300-3K，且T700-12K碳/碳復(fù)合材料的彎曲強度增加幅度顯著大于T300-1K/ T300-3K，說明縫合預(yù)制體的單元層越薄，縫合線的引入對縫合預(yù)制體平面損傷程度越低，可能因為縫合線引入造成碳布彎曲、斷裂損傷等現(xiàn)象造成的；（2）在碳布相同的條件下，縫合密度越大，碳/碳復(fù)合材料的拉伸強度降低的幅度也越大，彎曲強度和層間剪切強度增加幅度也越大，說明是縫合間距越小對材料平面性能損傷較大，反而對層間性能有所改善，可能在于隨著縫合間距的減小，材料的層間剪切性能隨之增加，在彎曲承載過程中，碳布層間易因?qū)娱g強度高而不易發(fā)生層間開裂破壞。

表4 不同碳布性能降低或增加幅度分析

4 結(jié)論

（1） 以商用級T700-12K碳纖維展寬平紋布和T300-1K/3K碳纖維緞紋布為原材料制備高性能碳/碳縫合復(fù)合材料。在縫合間距相同的條件下，縫合預(yù)制體的單元層越薄，其碳/碳復(fù)合材料的綜合性能越優(yōu)異，且T700-12K碳纖維展寬平紋布降低了研制成本。

（2）即使原材料自身的性能比較高，若縫合預(yù)制體的單元層比較厚，最終碳/碳復(fù)合材料的平面性能較弱，說明相比碳布自身性能，縫合預(yù)制體的單元層厚度對碳/碳復(fù)合材料的平面性能的影響更加顯著。

（3）隨著縫合密度的增加，T700-12K碳/碳復(fù)合材料的拉伸強度降低幅度最小而彎曲強度增加幅度最大，說明縫合預(yù)制體的單元層越薄，縫合線的引入對縫合預(yù)制體平面損傷程度越低，可能因為縫合線引入造成碳布彎曲、斷裂損傷等現(xiàn)象造成的。

（4）在碳布相同的條件下，縫合密度越大，碳/碳復(fù)合材料的拉伸強度降低的幅度也越大，彎曲強度和層間剪切強度增加幅度也越大，說明縫合間距越小對材料平面性能損傷較大，反而對層間性能有所改善，可能在于隨著縫合間距的減小，材料的層間剪切性能隨之增加，在彎曲承載過程中，碳布層間易因?qū)娱g強度高而不易發(fā)生層間開裂破壞。