碳化硅纤维预制体编织损伤特性研究

郭伟娜，辛三法，胡文锋，高彦涛

(上海工程技术大学 纺织服装学院，上海 201620)

连续SiC纤维增韧SiC基体(SiCf/SiC)复合材料因具有低密度、高强度、高模量、耐腐蚀、耐冲击、高温性能稳定、氚渗透率低和辐照稳定性优异等优势，在航空、航天、核能等领域具有广阔的应用前景[1-3]。连续SiC纤维是高性能SiCf/SiC复合材料的重要增强体，其性能直接决定了复合材料制备工艺的选择和创新，以及材料整体性能的提升[4-6]，但SiC纤维模量高，断裂伸长率低，在编织过程中极易起毛、断丝，制约了SiCf/SiC复合材料的发展[7-9]。

目前，针对高模量纤维制备复合材料预制件可加工性的研究，主要集中在玻璃纤维、碳纤维等高性能纤维的针织或织造加工性等方面[10-12]。Lan等[13]通过研究纱线拉伸强度、钩接强度、摩擦因数和针织工艺参数对针织结构织物加工的影响，探讨了玻璃纤维的可编织性，并从纤维性能、设备角度出发，提出了改善高模量纱线可织性的建议；Savci等[14]探索了针织设备参数、纱线性能与玻璃纤维可织性的关系，通过纱线对设备部件的摩擦损伤程度以及成型后预制体外观表征，评价纱线的可织性；陈南梁等[15-16]研究了纱线性能、成型后纱线拉伸强度损失率、预制体疵点、预制体加工对设备部件损伤等对玻璃纤维、芳纶针织可加工性能的影响，并对其进行评价。

与针织工艺加工高模量纤维预制体研究类似，国内外学者[17-19]对织造工艺加工高模量纤维也进行了一些研究。研究表明：在织造的各阶段，纱线和织机因接触产生摩擦引起纤维的断裂，造成织造困难或预制体中纤维损伤严重；纱线摩擦行为直接决定了碳纤维等高模量纤维的可织性，通过碳纤维束摩擦行为的研究，为高模量纤维可织性提高提供了思路。可见，目前的研究在一定程度上对高模量纤维可加工性有一定认识[20-22]。对于SiC纤维可加工性研究而言，仅有的少量相关研究还停留在对其上浆改性、上浆工艺对SiC纤维束基本性能影响及纤维可织造性的评价方面[23-25]。鲁祥勇等[26]采用对SiC纤维上浆的方式提高SiC纤维的可织造性，结果表明，SiC纤维上浆后纤维的集束性和毛丝的聚拢性都有所提高。赵玉芬等[27]研究了二次上浆对国产SiC纤维可织造性的影响，研究表明，经9%的E-15水性环氧上浆剂上浆后，SiC纤维束的耐磨性能更好且柔软度也更高。

燃料包壳等以管状结构为预制体的SiCf/SiC复合材料是SiC纤维的应用之一，管状结构是编织工艺制备的典型预制体结构，然而近年来对SiC纤维编织管状结构的可编织性研究却是少之又少。在SiC纤维编织管状结构预制体的过程中，纤维束与织机部件之间的摩擦速度、摩擦次数以及纤维束上所承受的法向载荷等上机参数的变化，都会使SiC纤维束产生不同程度的起毛、断头等磨损现象，这些磨损会对SiC纤维束的可编织性产生极大的影响。为此，本文通过模拟编织管状结构预制体过程中SiC纤维束与编织机之间的接触状态，来研究SiC纤维束和织机部件之间的磨损行为。在此过程中通过改变摩擦速度、纤维束所受法向载荷等上机参数，研究编织过程中SiC纤维束的磨损程度与上机参数之间的关系。之后，在一定次数的作用循环后观察纤维束的外貌特征并测试残余拉伸强力，进一步研究SiC纤维的可编织性以及编织损伤机制。

1 实验部分

1.1 实验材料

本文采用的SiC纤维束(500根/束)由厦门大学第二代SiC纤维制备得到，单根纤维平均直径为15.24 μm[28]。18.2 tex纯棉纱线、20 tex羊毛/腈纶混纺纱线和涤纶长丝(1 350 tex(96 f))，均为常规纱线。

1.2 测试与表征

力学性能测试：在XS(08)F2系列电子织物强力机上测试SiC纤维束的拉伸力学性能。拉伸隔距为30 mm，拉伸速度为10 mm/min。

形貌观察：采用LEO 1530VP扫描电子显微镜对SiC纤维束断口处的表面形貌进行观察，并从微观结构角度对SiC纤维束的力学性能进行探索。

1.3 编织损伤过程探究

由于SiC纤维束在编织过程中接触的机械部件都非完全光滑且带有一定的沟槽，因此，在模拟实验中，用来模拟该部件的道具需具有沟槽形状，从而使模拟实验尽可能与实际编织过程相似，而抱合力机的上下夹具分别具有多个刀片，刀片与刀片之间的空隙使其呈现沟槽状，符合模拟实验的需求。同时，抱合力机所具备的可控速度以及可控摩擦次数等特性，使其能够更好地模拟编织过程中工艺参数的改变。除此之外，在编织过程中由于纱线张力、编织速度等工艺参数的改变，都会使SiC纤维束与机械部件之间的法向载荷发生变化，因此，模拟实验用的抱合力机还需具有调控法向载荷的能力。

基于以上原因，本文最终采用Y731D型抱合力机结合自制的法向载荷可控的上下抱合夹具，进行SiC纤维束与编织部件之间的仿真摩损实验模拟，如图1所示。实验过程中，纤维束在左右挂钩处固定不动，摩擦夹具通过往复运动实现SiC纤维束与织机部件的循环摩擦。法向载荷通过在如图1(b)所示的抱合力机原始夹具上安装不同质量的法码盒来调控，摩擦速率通过图1(c)中的旋钮来改变。为有效控制SiC纤维束的预加张力，实验中抱合力机挂钩处一端固定，在另一端悬挂一定质量的重物。在整个实验过程中SiC纤维束一直处于被夹持状态，如图2所示。

图1 模拟实验装置示意图

图2 纤维束摩擦过程示意图

除研究法向载荷、摩擦速率等参数对SiC纤维磨损特性影响外，本文还对其磨损过程进行探讨。首先通过抱合力机的暂停键来获得不同摩擦循环次数下的纤维束样品，借助WV-CP700/CH彩色闭路监控摄像机观察不同摩擦循环次数下纤维束的形貌。之后，将不同摩擦循环次数下的纤维束在XS电子织物强力机上进行拉伸力学性能测试，拉伸隔距为30 mm，拉伸速度为10 mm/min，不同摩擦次数下的纤维束分别制作5个样品进行测试，结果取平均值。为避免测试过程中样品出现滑脱，确保实验数据的准确性，实验专门设计了一种样卡来增加纤维束与拉伸机上下夹具的摩擦力(见图3)。

图3 拉伸测试示意图

法向载荷的确定：为模拟编织过程中SiC纤维束所承受的法向载荷对纤维束磨损程度的影响，模拟实验前先进行了探索性实验，结果显示纤维在 2 N 以上的法向载荷下会出现起毛、断丝等现象。故而本文设定法向载荷为3.75、4.75、5.75 N，研究法向载荷对SiC纤维束与编织部件间摩擦性能的影响，实验中SiC纤维束的预加张力为3.50 N，摩擦速度为156循环/min。每组试样测试3次，取平均值。

摩擦速度的确定：在编织过程中编织机速率一般为1周期/(3 s)～3周期/s，本文设定摩擦速度为24、84、156 循环/min，研究摩擦速度对SiC纤维束与编织部件间摩擦性能的影响，该实验中SiC纤维束的法向载荷为5.75 N，预加张力为3.50 N。每组试样测试3次，取平均值。

摩擦次数的确定：为模拟编织过程中摩擦次数对SiC纤维束磨损程度的影响，模拟实验前先进行了一些探索性实验，结果显示摩擦次数间隔为30～40次时，SiC纤维束表面状态的差异较为显著，因此，本文选定摩擦次数为0、40、70和100次，研究摩擦次数对SiC纤维束与编织部件间摩擦性能的影响。实验中SiC纤维束的摩擦速度为 156 循环/min，法向载荷为5.75 N，预加张力为3.50 N。每组试样测试5次，取平均值。

2 结果与讨论

2.1 SiC纤维束的力学性能分析

为对比分析SiC纤维束的可编织性，本文除测试SiC纤维束的拉伸强力和断裂伸长率外，还获取了棉纱、羊毛/腈纶混纺纱和涤纶长丝的拉伸强力和断裂伸长率[29]，结果如表1所示。可以发现，SiC纤维束与传统服装用纱线相比，具有较高的断裂强度，但是其断裂伸长率却非常小，说明SiC纤维束的弹性和延伸性可能较差，其预制体加工时会更加困难。

表1 几种纱线的相关参数

图4示出SiC纤维的断口形貌图。可知，SiC纤维的断面产生了放射状的条纹。这可能是由于SiC纤维在承载时，易在沟槽的尖端产生应力集中，再加上SiC的弹性小、塑性变形小，应力不易缓和释放，只能以裂纹的形式迅速传播和扩展，致使纤维破坏；且断面处还包含雾状区、镜面区和羽状区等脆性断裂的典型特征。以上分析表明，SiC纤维的脆性使SiC纤维束的断裂伸长率非常低，且不耐扭折，编织性较差。

图4 SiC纤维断口形貌图

2.2 SiC纤维束的摩擦损伤分析

2.2.1 法向载荷对SiC纤维磨损的影响

在不同法向载荷下，SiC纤维束与编织部件之间的仿真摩损实验结果为：当法向载荷为3.75、4.75和5.75 N时，SiC纤维束的平均摩擦断裂循环次数分别为260、54和8次。可以发现，SiC纤维束的摩擦断裂循环次数与附加的法向载荷存在明显的反比关系。

通过Cornelissen[30]提出来的丝束-金属摩擦实验的接触力学模型，分析法向载荷对SiC纤维束摩擦性能的影响。假设单根纤维为理想的圆柱体，并忽略夹具表面的粗糙度，即将纤维与夹具的接触视为圆柱体与光滑平面的接触，不计二者间摩擦力。实验中单根SiC纤维与夹具间的接触面积的推导公式为

A=2ab

式中：a为接触区域的半宽值；Nfil为作用在单根纤维上的法向载荷，N/m；Rm为接触体的曲率半径，μm；E*为材料的等效弹性模量，GPa；A为接触区域的面积，m2；b为接触区域长度，m。

SiC纤维束与夹具间的接触面积为单根SiC纤维与夹具间的接触面积与SiC纤维根数的乘积，计算公式为

An=Anfil

式中：An为SiC纤维束的接触面积，m2；nfil为SiC纤维束根数。

从上述公式可知，法向载荷的增加会引起区域半宽值的增加，最终导致SiC纤维束与夹具间的接触面积增加。然而，纤维束的摩擦力与接触面积呈近似正比关系，接触面积的增加使摩擦力也逐渐增大，从而导致SiC纤维束在摩擦过程中法向载荷越大越易断裂。

2.2.2 摩擦速度对SiC纤维磨损的影响

在不同摩擦速度下，SiC纤维束与编织部件之间的仿真磨损实验结果为：当法向摩擦速度为24、84、15循环/min时，SiC纤维束的平均摩擦断裂循环次数分别为80、47、8次。可知，SiC纤维束摩擦断裂的循环次数随着摩擦速度的增大呈现减小的趋势。其原因主要是SiC纤维束拉伸和屈曲的周期会随着摩擦速度的增大而变短，纤维束承受的张力会随着摩擦速度的增大而增大，这增加了上下夹具与纤维束间的摩擦效果。同时，纤维束在受到一次屈曲、拉伸或其他作用后，纤维束及纤维束内部纤维产生的形变若不能及时恢复，就极易发生疲劳和塑性变形积累[31]，纤维束就会在高度集中的应力作用下发生断裂，摩擦力和摩擦系数也逐渐增大，从而导致在实验过程中摩擦速度越大，SiC纤维束越易断裂。除此之外还有一个关键因素是，在摩擦实验过程中，SiC纤维束中的纤维在法向载荷作用下会先进行重新排列过程，之后纤维之间会相互缠结，使纤维束表面产生毛羽引起纤维束厚度增加，从而导致SiC纤维束法向力的增加。当摩擦速度增加时，丝束中纤维相互缠结的根数增加，纤维束表面毛羽的厚度会变得更厚，进而法向力也会随之增加。由上述分析可知，法向力的增加也会加快SiC纤维束在摩擦过程中的断裂。

2.2.3 摩擦次数对SiC纤维磨损的影响

图5示出不同摩擦次数下SiC纤维束损伤形貌。可知，SiC纤维束形态呈现扁平状，其主要原因是SiC纤维束中的纤维在法向力的驱动下发生相互滑移，之后形成新的摩擦接触面。图5(b)中没有纤维束发生断裂，相对于图5(a)纤维束较为松散，形成了新的摩擦接触面，图5(c)中可以发现少量纤维断裂的现象。之后，随着实验摩擦次数的增加，SiC纤维束内断裂的纤维数量也逐步增加。图5(d)中观察到的纤维断裂根数明显多于前3次实验，且杂乱的分布在最大位移处。该现象的主要原因是，在摩擦过程中SiC纤维束会出现应力集中现象，且纤维束内的某些纤维在循环应力的作用下会超出疲劳极限而被破坏。除此之外，摩擦次数的增加使循环应力次数也逐渐增加，但SiC纤维束的断裂抵抗力会随着循环应力次数的增加而减小，因此，随着摩擦循环次数的增加，SiC纤维束的损耗程度会更加严重。对于最大位移处呈现杂乱分布而言，这是因为夹具具有一定的厚度，SiC纤维束和夹具之间的摩擦作用所形成的毛羽会被夹具阻挡到夹具的两侧位置处，并会随着SiC纤维束和夹具之间的正交往复运动逐渐移动至最大位移处。

图5 不同摩擦次数下SiC纤维束的摩擦形貌图

不同磨损程度的SiC纤维束的力学性能测试结果如表2所示。可知，摩擦次数的增大会导致摩擦后SiC纤维束的拉伸断裂强力和断裂伸长率减小。当摩擦次数为100次时，与原样相比，SiC纤维束的拉伸断裂强力减少了73%，断裂伸长率减少了53%。由图5可观察到，随着摩擦次数的增加，SiC纤维束表面毛羽也逐渐增多。SiC纤维束在循环弯曲、压缩、拉伸、滑移、剪切等作用下发生断裂，随着越来越多的纤维发生断裂，能够承受拉伸应力的纤维也就随之减少，进而使摩擦之后的SiC纤维束拉伸断裂强力降低。在摩擦实验过程中，SiC纤维束中的纤维在法向载荷作用下会先进行重新排列过程，随着实验的进行SiC纤维束中纤维发生拉伸伸长变化，纤维的断裂伸长率随着摩擦次数的增多逐渐减小，因此，摩擦之后的SiC纤维束断裂伸长率也随之下降。

表2 不同摩擦次数下SiC纤维束的力学性能

3 结 论

SiC纤维的断裂伸长率低，断裂时呈明显脆性断裂的特征使其可编织性成为一个研究重点。SiC纤维在编织过程中与机械部件之间的摩擦行为对SiC纤维的可编织性有着极大的影响。通过模拟编织管状结构预制件过程中SiC纤维束与编织机之间的摩擦实验发现，随着法向载荷的增加，纤维与编织部件间摩擦力增大，SiC纤维束的摩擦断裂循环次数明显减少。摩擦断裂循环次数同时受摩擦速度影响，随着摩擦速度的增加，摩擦断裂循环次数逐渐减少。说明SiC纤维束的可编织性与法向载荷、摩擦速度成反比，即SiC纤维束的可编织性随着法向载荷、摩擦速度的增大而逐渐变弱。

除此之外还发现，随着摩擦次数的增加，SiC纤维束的表面形貌逐渐出现扁平、松散、毛羽、纤维断裂等现象。SiC纤维束的拉伸强力和断裂伸长率随着摩擦次数的增加表现出明显降低趋势，当摩擦次数增加到100次时，SiC纤维束的拉伸断裂强度和断裂伸长率与未经摩擦的SiC纤维束相比分别减小了73%和53%。这些现象表明当SiC纤维束承受的摩擦次数越多时，其可编织性也会随之下降。