縫合工藝在碳/碳復合材料的應用

李小虎，王芳芳

（南京玻璃纖維研究設計院有限公司，南京 210012）

0 前言

復合材料由于比模量高、比強度高、材料性能可設計、制造工藝簡單，并具有良好的熱穩定性、抗疲勞、抗腐蝕等性能，已經廣泛應用于航空航天技術、空間技術、汽車工業、化工、醫學、能源工程、武器裝備技術、海洋工程、信息技術、民用建筑等領域［1，2］。碳/碳復合材料是以瀝青碳、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合材料，不僅具有密度低、比強度、比模量高等優點，且高溫性能十分優異。

復合材料縫合技術是指采用縫合線使多層織物縫合成準三維立體織物或使分離的數片織物連接成整體結構的一種復合材料預制體制備技術［3，4］。縫合復合材料具有抗分層能力強，抗疲勞性能優異、構件的整體性能好等特性，縫合作為一項提高復合材料層間強度的技術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，它以發展21世紀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構形式對復合材料性能的影響，實現了縫合技術從基礎研究到技術應用。到20世紀90年代末，波音公司的第三代編織機已經研制成功，其中大量采用縫合技術，意味著可以通過縫合實現幾何尺寸更大、形狀更復雜的結構，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、可仿形性優異及綜合性能優異等特點可廣泛應用于航空航天用碳/碳復合材料領域［6］。縫合結構及工藝參數、縫合原材料等是決定碳/碳復合材料性能、產品質量及生產成本的重要因素［7，8］。深入研究縫合工藝參數對碳/碳復合材料的影響，使得縫合預制體在航空航天發展上得到長足的應用，對我國的國防科工及民用復合材料技術具有重要意義。

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構特征參數對縫合預制體及其碳/碳復合材料的力學性能和熱物理性能的影響，制備綜合性能優良的縫合碳/碳復合材料，為高性能碳/碳復合材料用縫合預制體的推廣應用提供技術支撐。

1 實驗

1.1 原材料

用于縫合預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構單元、低廉的價格及優異的可設計性，是復合材料應用的熱點之一。

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制體的基布，見圖1所示，碳布實測結果見表1所示；縫合線選用T300-3K碳纖維。

圖1 不同規格碳布

表1 不同種碳布實測參數

1.2 鋪層方式

鋪層設計指在單層織物選定后，對構件增強體的主體結構所需單層織物層數、單層織物的鋪層順序進行設計。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，縫合方式可分為鏈式、鎖式、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缺點。研制碳/碳復合材料的過程中縫合預制體在進行復合時，有多次拆裝磨具過程，需要縫合線對預制體進行束縛，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，縫合密度越大，預制體內部的纖維損傷及纖維屈曲現象越嚴重，預制體內部的富脂區域也越多，對復合材料面內性能影響也越大；反之，縫合密度越低，復合材料層間性能改善也越小。且縫合密度對縫合預制體的體積含量有較大的影響。因此，應合理設計縫合密度，以提高復合材料制件整體性能。本文設計的預制體參數見表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/碳復合材料的表面平整度。

表2 不同預制體結構參數設計

圖3 不同規格縫合預制體

2 碳/碳復合材料成型與材料力學性能評價

采用化學氣相沉積的成型方式對前述碳纖維縫合預制體進行致密化，制備形成碳/碳復合材料。碳/碳復合材料的拉伸、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/碳復合材料拉伸性能測試參考標準GJB 8736-2015《連續纖維增強陶瓷基復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準QJ 2099-1991《三向纖維增強復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標準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構進行分析觀察。

3 結果與討論

3.1 碳布特征對材料力學性能的影響

碳布特征對材料力學性能的影響因素主要體現在兩個方面，一是碳布自身強度及其在預制體內的層密度，二是碳布對材料致密化效果的影響。對碳/碳復合材料而言，預制體在承載方向上的連續纖維含量、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/碳復合材料拉伸、彎曲、層間剪切強度（見表3），可知：縫合預制體的單元層越薄，其碳/碳復合材料的綜合性能越優異，碳布的性能大小為T300-3K＞T700-12K＞T300-1K，而碳/碳復合材料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，若縫合預制體的單元層比較厚，最終碳/碳復合材料的平面性能較弱，說明相比碳布自身性能，縫合預制體的單元層厚度對碳/碳復合材料的平面性能的影響更加顯著。

表3 力學性能表征分析

3.2 縫合間距對材料力學性能的影響

縫合線是實現碳布層間連接、提高材料層間性能、保證預制體纖維體積含量的關鍵因素。縫合間距對材料性能的影響主要體現在3個方面，一是縫合線引入的同時會引入預制體缺陷，導致碳布層一定程度受損，影響材料面內拉伸性能；二是引入的縫合線在厚度方向連續，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，拉伸強度呈現降低趨勢，彎曲強度和層間剪切強度呈現增強趨勢，相比縫合間距10 mm×10 mm的碳/碳復合材料性能，不同碳/碳復合材料縫合間距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，說明縫合預制體的單元層越薄，縫合線的引入對縫合預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、斷裂損傷等現象造成的；（2）在碳布相同的條件下，縫合密度越大，碳/碳復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，碳布層間易因層間強度高而不易發生層間開裂破壞。

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/碳縫合復合材料。在縫合間距相同的條件下，縫合預制體的單元層越薄，其碳/碳復合材料的綜合性能越優異，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，若縫合預制體的單元層比較厚，最終碳/碳復合材料的平面性能較弱，說明相比碳布自身性能，縫合預制體的單元層厚度對碳/碳復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，說明縫合預制體的單元層越薄，縫合線的引入對縫合預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、斷裂損傷等現象造成的。

（4）在碳布相同的條件下，縫合密度越大，碳/碳復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，碳布層間易因層間強度高而不易發生層間開裂破壞。