针刺技术在cc复合材料中的应用

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1、针刺技术在C/C复合材料增强织物中的应用http://www.frponline.com.cn  2006-11-07  中国航天科技集团四院四十三所西北工业大学  [收藏该文章] 针刺技术在C/C复合材料增强织物中的应用刘建军1，李铁虎2，郝志彪1，李飞1，嵇阿琳1(1．中国航天科技集团四院四十三所，西安 710025）2．西北工业大学  材料科学与工程学院，西安 710072)摘要：本文在介绍刺针功能的基础上，对针刺技术用于C/C复合材料增强织物成型的原材料特点、工艺与应用等进行了论述，对针刺技术应用的发展趋势进行了分析。关键词：针刺；纤维；增强织物   1前言

2、   针刺技术是利用纺织工业的非织造布技术，用截面为三角或其它形状的棱边上带倒钩的刺针对纤维布、网胎或复合叠层材料进行接力针刺，从而制备炭/炭（C/C）复合材料准三维织物预制体的方法。由于针刺C/C复合材料增强织物的特殊结构，使其具有孔隙分布均匀、易致密成型、较高的面内和层间强度等特点，已成为一种具有广泛应用前景的C/C复合材料预制体，并可用做其它复合材料增强预制体[1-4]。   从二十世纪七十年代以生产炭纤维的原丝作为针刺的材料开始，因低制作成本、易于制作复杂型面制品的强技术适应能力，原材料和针刺工艺不断得到改进，目前已发展到利用炭纤维作为针刺的材料。由于针刺增

3、强织物中材料构成成分、刺针和工艺的多样性，使得针刺增强织物具有相当的可设计性，是一种多用途的织物成型技术，可成型平板、锥体、圆筒等，应用领域不断拓展，如飞机刹车盘、固体火箭发动机喉衬、扩散段以及其它高温领域用C/C复合材料增强预制体。2刺针的结构与作用2.1刺针的结构   常见刺针的结构如图1所示。   针尖的主要作用是协助工作段更容易刺入制品中。针叶是刺针的主要工作部位，针叶直[1]径(截面高度)、针叶长度，针叶截面形状是针叶的重要参数。针叶的直径决定了刺针的强度并影响针体弹性。针叶的长度取决于钩刺间距和钩刺数目，同时对针体的弹性产生影响。针叶的截面形状一般为等边

4、三角形或等边三角形的改进形、圆形等，它对刺针是否能够均匀承受来自各个方向的扰曲力，在针刺过程中提供最佳工作条件非常重要。渐缩锥的主要作用是增加针体弹性。渐缩锥个数越多、长度越长，针体弹性越好。常见刺针有单渐缩锥针和双渐缩锥针两种。从断针率方面来看，由于针刺过程中刺针所承受的来自各方向应力不平衡，使用弹性较好的针体可以降低断针率。图1刺针的结构    钩刺是刺针携带纤维的部位，是刺针最重要的部位。依据钩刺间距大小，刺针可分为R、M、C、F、S型，间距大小决定了纤维相互缠结程度和阻力大小。钩刺形状主要采用三维成形的HL和RF形，在加工时修圆边缘，以减少对纤维的损伤，延长

5、刺针寿命。钩槽深度、钩槽长度、齿突高度和下切角度是钩刺的重要参数，它决定了钩刺每次针刺所能握持的纤维数量，进而决定了针刺时引入纤维束中纤维的数量，它对于预制体的力学性能起决定作用，同时也影响预制体的平整度。图2钩刺结构   因此，刺针的选用应确保针体具有足够的刚性，同时应兼具一定的韧性和弹性，合理的棱边齿数、齿距以及合理的钩刺几何形状及参数。2.2刺针的作用   刺针经过反复穿刺，把部分水平纤维通过钩刺的“携带”作用引入到垂直方向上，这些纤维与水平方向上的纤维相互缠结、相互约束，形成了具有一定强度和独特结构的预制体。   钩刺穿刺网胎时首先接触的是网胎表面层纤维，此

6、时钩刺的抓取、容纳能力最强，随着针刺深度的增加，钩槽逐步为网胎表面层纤维所充满，继续下刺，钩刺的握持能力便明显下降。对于针叶上各钩刺，由于位置关系，进入网胎的次序有先有后，所面对的网胎结构也因前面钩刺对网胎的作用而不同，接触各层次纤维的机率不同，在一定针刺深度下，先进入纤网的钩刺到达的位置较深，所携带的纤维转移程度也较大[5-6]。   刺针钩刺在对网胎中纤维抓取、携带的过程中同时存在着对纤维的损伤。钩刺将直接切断、划伤与之接触的平面内纤维。对于所引入的纤维，随针刺深度的增加，钩刺所握持的纤维受到的牵拉力、挤压力不断增大，钩刺的棱角、毛刺对纤维也出现较大的损伤。纤维

7、过多的损伤甚至断裂，直接影响预制体的结构和性能，在提高纤维转移数量的同时应尽量避免纤维损伤。一般来讲，针叶粗、钩刺大的刺针对纤维损伤较大；制品密度大，刺针穿刺时阻力大，纤维损伤也会增加；针刺深度过大，被握持纤维的断裂会增多；针刺频率过大，纤维受到的冲击力大而易被损伤。3纤维的特性、针刺工艺与应用    纤维本身性能决定了其针刺工艺性能，纤维本身强度越高、断裂伸长率越大、纤维表面越光滑、截面形状越规则，纤维承损能力就相对越高。针对纤维原材料的特性，应合理选用刺针及工艺，以减少对纤维的损伤。以生产炭纤维的原丝，即有机类化纤如粘胶丝、聚丙烯睛等作为针刺C/C复合材料增