金属组元对细编穿刺工艺织物的损伤
Ｃ／Ｃ复合材料是再入飞行器端头帽、固体火箭发动机喷管和喉衬的首选防热材料。经细编穿刺成型的立体织物作为Ｃ／Ｃ复合材料的增强体在洲际导弹端头帽、固体火箭发动机喷管和喉衬等部件已得到应用，细编穿刺工艺织物成型流程见图 1。
新型再入飞行器的飞行状态更苛刻,作为防热部件的Ｃ／Ｃ复合材料性能需进一步提升。已有的文献报道在 Ｃ／Ｃ复合材料中加入难溶金属组元（以下简称组元）可提高材料的超高温烧蚀性能细编穿刺织物作为 Ｃ／Ｃ复合材料的增强体在其编织成型过程中引入组元是制备低烧蚀 Ｃ／Ｃ复合材料的一条新的技术途径。但引入的组元在织物编织成型过程中对织物性能的影响还未见报道。细编穿刺织物性能由平面碳布和ｚ向碳纤维的性能组成。穿刺损伤主要是碳布在细编穿刺工艺过程中的损伤,引入组元碳布在穿刺前后拉伸断裂强力的变化可以表征碳布在穿刺过程中的损伤量。细编穿刺工艺织物成型过程中ｚ向碳纤维的性能主要是碳纤维的钩接强力碳纤维引入组元前后钩接强力的变化可以表征 ｚ向碳纤维工艺性能。将纳米、微米级组元分别引入到1Ｋ碳布和 3Ｋ碳纤维中对含不同粒径组元的碳布和碳纤维进行测试,分析不同粒径组元在编织成型过程中对碳布、纤维的损伤情况并对其进行了分散形貌和微观形态的分析。
一、实验
取不含组元、含组元未穿刺的碳布和相同工艺条件下不含组元、含微米级组元、含纳米级组元穿刺后的碳布，参照ＧＢ／Ｔ7689．5－2001的方法，在万能实验机上进行拉伸断裂强力的测试‚每种碳布样本的数量为 10个。通过调整工艺参数使穿刺前碳布含微米级和纳米级组元的含量相同。
按照 ＧＪＢ1982－94在万能实验机上进行碳纤维钩接强力的测试每种碳纤维样本的数量为 8个。通过引入工艺参数的调整使含微米级和纳米级组元碳纤维的组元含量相同。用 ＣＳＳ－4020型 20ＫＮ的电子万能实验机对碳布和碳纤维进行碳布拉伸断裂强力和碳纤维的钩接强力测试。采用 ＪＳＭ－5900型扫描电镜观察碳布、纤维的微观形貌。
二、结果与讨论
五种碳布的拉伸断裂强力值见表 1。由表1可看出碳布穿刺后强力值降低，说明穿刺对碳布有一定的损伤；引入组元过程中碳布没有损伤，含组元碳布穿刺后的拉伸断裂强力进一步降低说明含组元的碳布穿刺过程中对碳布损伤加剧；而含微米级碳布穿刺后的拉伸断裂强力值比纳米级组元的小；说明粒径越大的组元引入碳布后的穿刺损伤越大。
三种碳纤维的钩接强力值见表 2。由表2可见引入组元后碳纤维的钩接强力降低说明引入组元过程增加了碳纤维的损伤；含微米级比含纳米级组元碳纤维的钩接强力小前者的工艺性能比后者差说明粒径越大的组元对碳纤维的损伤也越大。
三、总结
碳布及碳纤维的微观形貌见图 2。由图 2（ａ）、（ｂ）可见穿刺后碳布纤维的单丝表面有表面形态不规则的组元分布，纳米级和微米级组元都存在团聚的现象，纳米级组元的分布更细密更均匀。碳布穿刺后断裂的纤维单丝截面处有组元分布，引入纳米级组元碳布纤维单丝断裂截面的颗粒细小，引入微米级组元碳布纤维单丝断裂截面的颗粒较大。由于碳布在穿刺过程中，纤维受到钢针的挤占产生了弯曲、变形、断裂造成了纤维的损伤。引入组元之后纤维在被钢针挤占过程中颗粒的磨损增大了单丝的断裂程度，虽然纳米级的组元颗粒占用的空间很小，穿刺过程中颗粒磨损单丝也增加了单丝断裂的程度增大了碳布穿刺的损伤，其穿刺后拉伸断裂强力略小于不含组元碳布的；粒径更大的微米级组元颗粒占用的空间较大，在穿刺过程纤维弯曲变形时更容易磨断纤维单丝，单丝磨损的越多碳布的穿刺损伤就越大，所以含微米级组元的碳布穿刺后的拉伸断裂强力最低。
三、总结
在细编穿刺工艺过程中，碳布、纤维有一定的损伤引入组元后碳布、纤维有进一步的损伤；利用扫描电境分析组元在碳布、纤维上的分散形貌说明纳米级组元比微米级组元分散的更均匀，有利于织物内部以及Ｃ／Ｃ复合材料内部组元分布均匀；通过碳布、纤维性能测试及其纤维的微观形态分析‚说明了纳米级组元对细编穿刺工艺中碳布、纤维的损伤量小于微米级组元的。展示了纳米级组元作为含组元织物成型过程中引入组元的良好前景。
