金屬組元對細編穿刺工藝織物的損傷
Ｃ／Ｃ複合材料是再入飛行器端頭帽、固體火箭發動機噴管和喉襯的首選防熱材料。經細編穿刺成型的立體織物作為Ｃ／Ｃ複合材料的增強體在洲際飛彈端頭帽、固體火箭發動機噴管和喉襯等部件已得到應用，細編穿刺工藝織物成型流程見圖 1。
新型再入飛行器的飛行狀态更苛刻,作為防熱部件的Ｃ／Ｃ複合材料性能需進一步提升。已有的文獻報道在 Ｃ／Ｃ複合材料中加入難溶金屬組元（以下簡稱組元）可提高材料的超高溫燒蝕性能細編穿刺織物作為 Ｃ／Ｃ複合材料的增強體在其編織成型過程中引入組元是制備低燒蝕 Ｃ／Ｃ複合材料的一條新的技術途徑。但引入的組元在織物編織成型過程中對織物性能的影響還未見報道。細編穿刺織物性能由平面碳布和ｚ向碳纖維的性能組成。穿刺損傷主要是碳布在細編穿刺工藝過程中的損傷,引入組元碳布在穿刺前後拉伸斷裂強力的變化可以表征碳布在穿刺過程中的損傷量。細編穿刺工藝織物成型過程中ｚ向碳纖維的性能主要是碳纖維的鈎接強力碳纖維引入組元前後鈎接強力的變化可以表征 ｚ向碳纖維工藝性能。将納米、微米級組元分别引入到1Ｋ碳布和 3Ｋ碳纖維中對含不同粒徑組元的碳布和碳纖維進行測試,分析不同粒徑組元在編織成型過程中對碳布、纖維的損傷情況并對其進行了分散形貌和微觀形态的分析。
一、實驗
取不含組元、含組元未穿刺的碳布和相同工藝條件下不含組元、含微米級組元、含納米級組元穿刺後的碳布，參照ＧＢ／Ｔ7689．5－2001的方法，在萬能實驗機上進行拉伸斷裂強力的測試‚每種碳布樣本的數量為 10個。通過調整工藝參數使穿刺前碳布含微米級和納米級組元的含量相同。
按照 ＧＪＢ1982－94在萬能實驗機上進行碳纖維鈎接強力的測試每種碳纖維樣本的數量為 8個。通過引入工藝參數的調整使含微米級和納米級組元碳纖維的組元含量相同。用 ＣＳＳ－4020型 20ＫＮ的電子萬能實驗機對碳布和碳纖維進行碳布拉伸斷裂強力和碳纖維的鈎接強力測試。采用 ＪＳＭ－5900型掃描電鏡觀察碳布、纖維的微觀形貌。
二、結果與讨論
五種碳布的拉伸斷裂強力值見表 1。由表1可看出碳布穿刺後強力值降低，說明穿刺對碳布有一定的損傷；引入組元過程中碳布沒有損傷，含組元碳布穿刺後的拉伸斷裂強力進一步降低說明含組元的碳布穿刺過程中對碳布損傷加劇；而含微米級碳布穿刺後的拉伸斷裂強力值比納米級組元的小；說明粒徑越大的組元引入碳布後的穿刺損傷越大。
三種碳纖維的鈎接強力值見表 2。由表2可見引入組元後碳纖維的鈎接強力降低說明引入組元過程增加了碳纖維的損傷；含微米級比含納米級組元碳纖維的鈎接強力小前者的工藝性能比後者差說明粒徑越大的組元對碳纖維的損傷也越大。
三、總結
碳布及碳纖維的微觀形貌見圖 2。由圖 2（ａ）、（ｂ）可見穿刺後碳布纖維的單絲表面有表面形态不規則的組元分布，納米級和微米級組元都存在團聚的現象，納米級組元的分布更細密更均勻。碳布穿刺後斷裂的纖維單絲截面處有組元分布，引入納米級組元碳布纖維單絲斷裂截面的顆粒細小，引入微米級組元碳布纖維單絲斷裂截面的顆粒較大。由于碳布在穿刺過程中，纖維受到鋼針的擠占産生了彎曲、變形、斷裂造成了纖維的損傷。引入組元之後纖維在被鋼針擠占過程中顆粒的磨損增大了單絲的斷裂程度，雖然納米級的組元顆粒占用的空間很小，穿刺過程中顆粒磨損單絲也增加了單絲斷裂的程度增大了碳布穿刺的損傷，其穿刺後拉伸斷裂強力略小于不含組元碳布的；粒徑更大的微米級組元顆粒占用的空間較大，在穿刺過程纖維彎曲變形時更容易磨斷纖維單絲，單絲磨損的越多碳布的穿刺損傷就越大，是以含微米級組元的碳布穿刺後的拉伸斷裂強力最低。
三、總結
在細編穿刺工藝過程中，碳布、纖維有一定的損傷引入組元後碳布、纖維有進一步的損傷；利用掃描電境分析組元在碳布、纖維上的分散形貌說明納米級組元比微米級組元分散的更均勻，有利于織物内部以及Ｃ／Ｃ複合材料内部組元分布均勻；通過碳布、纖維性能測試及其纖維的微觀形态分析‚說明了納米級組元對細編穿刺工藝中碳布、纖維的損傷量小于微米級組元的。展示了納米級組元作為含組元織物成型過程中引入組元的良好前景。
