缝合织物碳/碳复合材料的制备与性能

缝合织物碳 /碳复合材料的制备与性能

李小虎

（南京玻璃纤维研究设计院有限公司 南京 210012）

摘要：本文研究了不同碳布和不同体积含量对碳/碳缝合复合材料力学性能的影响。结果表明：在缝合间距相同的条件下，缝合预制体的单元层越薄，其碳/碳复合材料的综合性能越优异，且T700-12K碳纤维展宽平纹布降低了研制成本；在相同碳布的条件下，织物体积含量越大，碳/碳复合材料的力学性能也越优异，纤维体积含量能够显著提高复合材料的力学性能。

关键词：碳/碳复合材料；力学性能；单元层；纤维体积含量

中图分类号：TB332文献标志码：A

Properties and Preparation of Stitched fabric C/C Composites

Li Xiaohu

(Nanjing Fiberglass Research and Design Institute Co.Ltd, Nanjing 210012)

Abstract: This paper studies the influence of different carbon cloth and different volume content on the mechanical properties of carbon/carbon stitched composites. The results show that under the same stitching spacing, the thinner the unit layer of the stitched preform, the better the overall performance of the carbon/carbon composite material, and the T700-12K carbon fiber stretched plain weave fabric reduces the development cost. Under the same carbon cloth condition, the larger the volume content of the fabric, the better the mechanical properties of the carbon/carbon composite material. The volume content of the fiber can significantly improve the mechanical properties of the composite material.

Keywords: carbon/carbon composites; mechanical properties; unit layer; fiber volume content

0前言

现代高科技的发展离不开复合材料，复合材料对现代科学技术的发展，有着十分重要的作用。复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模，已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。碳/碳复合材料是以沥青碳、树脂碳或热解碳等作为基体，以碳纤维及其制品作为增强体的复合材料，不仅具有密度低比强度、比模量高等优点，且高温性能十分优异，已在再入飞行器端头、固体火箭发动机喉衬和高性能战机刹车盘等航天航空领域得到广泛运用。^[1,2]

缝合技术是采用缝合线使二维织物或薄层立体织物构成准三维立体织物或使分离的数块织物连接成整体结构的技术。其原理是通过缝合手段，穿过织物厚度方向的缝线使复合材料在垂直于铺层平面的方向得到增强，从而提高层间断裂韧性和冲击损伤容限^[3,4]。20世纪80年代中期，美国航空航天局(NASA)首先用缝合/RFI技术制造了机翼，并对其力学性能进行了系统的试验，建立了缝合复合材料机翼的设计数据库。另外，美国空军的先进轻型飞机机身结构计划(ALAFS计划)同样也对缝合技术进行了研究，成功地用缝合复合材料替代了金属材料制造了机身、机翼等构件，使其自身重量大大降低^[5]。缝合技术得到了世界各国的重视和研究。

众所周知，在相同条件下，连续纤维在整个复合材料体系中含量越多表现出的性能越优异，这对碳纤维布的种类及铺层方式提出了更高的要求。同样产品厚度条件下，碳布布层越薄，碳布层数越多，在织物层面表现越细密化，原材料浪费的越少，复合材料加工损伤几率越小。T700-12K经由专门设备展宽后，织成的展宽平纹布其单层厚度达到0.1mm，使得缝合预制体结构细密，且纤维平直能够充分发挥碳纤维的径向力学性能。连续碳纤维增强的复合材料，其强度会随着纤维体积分数的改变而变化，并在一定范围内与纤维体积分数成正比。文献表明

^[6]，2D制备的C/SiC复合材料的纤维体积分数在 30%~60%之间性能最好，并在 37%~53%范围内材料强度与断裂韧性随纤维体积分数增大而增加。

本文以T300-3K缎纹布和T700-12K展宽布为原材料，研究了不同原材料缝合体积含量等缝合织物结构特征参数对碳/碳复合材料的力学性能影响，最终制备出综合性能优良的缝合碳/碳复合材料，为高性能碳/碳复合材料用缝合预制体的推广应用提供技术支撑。

1实验

1.1原材料

碳碳复合材料用缝合预制体的基布通常选用T300-1K/3K碳布，但由于其纤维制造成本高，且其力学性能有一定局限性。T700-12 K展宽布由于其超薄的结构单元、低廉的价格及优异的可设计性，是复合材料应用的热点之一。

本文选用T300-3K碳纤维编织成缎纹布（面密度320g/m²）及T700-12 K碳纤维展宽布（面密度为100g/m²）作为缝合预制体的基布，碳布实测结果见表1所示；缝合线选用T300-3K碳纤维。

表1不同种碳布实测参数

1.2铺层结构单元

本文单纯为了研究复合材料的力学性能，尽可能降低构件增强体的主体结构单层织物的铺层顺序设计的影响因素，本试验采用0°/90°交替铺层的方式进行碳布层铺放。

1.3缝合方式

研制碳/碳复合材料的过程中缝合预制体需要缝合线对平面布层进行束缚，且热处理会对碳纤维布层的应力有一个释放过程，其厚度会发生一定的膨胀。因此本试验采用如图1所示的缝合方式可有效提高缝合线对碳布层有较好的锁紧力。

图1缝合方式示意图

1.4缝合预制体的制备

碳布铺层的单元层数对预制体整体的体积含量影响较大，通过调控不同织物的铺层单元层数量对缝合预制体的纤维体积含量进行调控。按照要求设计三种不同的铺层单元数量，对缝合张力进行控制，使其满足织物体积含量的需求，其结构参数设计见表2所示。从图3可以看出T700-12K展宽布缝合制备的预制体比T300-3K的预制体表面平整度要好，预制体的表面平整度最终也将影响碳/碳复合材料的表面平整度。

表2不同预制体结构参数设计

2 碳/碳复合材料成型与材料力学性能评价

采用化学气相沉积的成型方式对前述碳纤维缝合预制体进行致密化，制备形成碳/碳复合材料。碳/碳复合材料的拉伸、弯曲、压缩和层间剪切性能在Instron3365万能试验机上进行测试表征。碳/碳复合材料拉伸性能测试参考标准GJB 8736-2015《连续纤维增强陶瓷基复合材料常温拉伸性能试验方法》，试样为板状哑铃型，试验段尺寸120mm×10mm×4mm；弯曲性能测试参考国际标准QJ 2099-1991《三向纤维增强复合材料弯曲性能试验方法》，试样尺寸为80mm×12mm×4mm，层间剪切性能测试参考行业标准ASTMC1291-10(2015) 《Standard Practice for Determining the Properties of Jacketing Materials for Thermal Insulation》。每项性能测试取 5个以上有效试样计算平均值，测试过程的加载速率均为1mm/min。

3 结果与讨论

3.1 碳布特征对材料力学性能的影响

碳布特征对材料力学性能的影响因素主要体现在两个方面，一是碳布自身强度及其在预制体内的层密度，二是碳布对材料致密化效果的影响。对碳/碳复合材料而言，预制体在承载方向上的连续纤维含量、纤维强度和材料最终密度都会影响材料承载性能。^[7]在缝合间距相同的条件下，对比不同碳布种类的的碳/碳复合材料拉伸、弯曲、层间剪切强度（见图4），可知：T700-12K展宽布制备的缝合预制体经碳/碳复合致密化后，其综合性能优于T300-3K缎纹布制备的缝合预制体。缝合预制体的单元层越薄，其碳/碳复合材料的综合性能越优异，碳布的性能大小为T300-3K＞T700-12K，而碳/碳复合材料T700-12K拉伸、弯曲强度显著高于T300-3K。由此可知即使原材料自身的性能比较高，若缝合预制体的单元层比较厚，最终碳/碳复合材料的平面性能较弱，说明相比碳布自身性能，缝合预制体的单元层厚度对碳/碳复合材料的平面性能的影响更加显著。缝合织物碳/碳复合材料的制备与性能

（a）T300-3K缎纹布碳/碳复合材料 （b）T700-12K展宽布碳/碳复合材料

图2 缝合碳/碳复合材料

图3 不同体积含量力学性能分析图

3.2体积含量对材料力学性能的影响

预制体是复合材料的骨架，其体积含量对复合材料力学性能影响较大，在预制体质量可控状态下，体积含量越高，其复合材料力学性能表现越优异。从图4中可以看出，在相同碳布的条件下，体积含量越大，复合材料力学性能有较为明显的增加趋势。

4结论

(1) 以T700-12K碳纤维展宽平纹布和T300-3K碳纤维缎纹布为原材料制备高性能碳/碳缝合复合材料。在缝合间距相同的条件下，缝合预制体的单元层越薄，其碳/碳复合材料的综合性能越优异，且T700-12K碳纤维展宽平纹布降低了研制成本。

（2）在碳布相同的条件下，织物体积含量越大，碳/碳复合材料的力学性能也越优异，说明是纤维体积含量能够显著提高复合材料的力学性能。

参考文献

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