三维四向碳/碳预制件微孔板压实致密关键技术

梅宝龙， 董九志， 杨 涛， 蒋秀明， 任洪庆

(1. 天津工业大学 机械工程学院， 天津 300387；2. 天津工业大学 天津市现代化机电装备技术重点实验室， 天津 300387)

碳/碳复合材料具有低密度、高强度、抗热冲击性能好等优点，被广泛应用于航空航天领域。三维四向碳/碳复合材料由于整体力学性能优越，纤维铺层方向与气流冲击方向垂直，是理想的抗冲击复合材料，该复合材料特别适用于高压强、高温环境，是固体火箭发动机喉衬的理想材料[1]。碳/碳复合材料最早在欧美研究成功并且投入应用，我国在碳/碳复合材料研究方面起步相对较晚，西安复合材料研究所最先提出了碳/碳复合材料喉衬发展计划，随后苏君明等[2]发现三维四向编织结构比三维编织结构能更有效地提高碳/碳复合材料在高度方向上的纤维含量和体积密度，从而降低了复合材料的烧蚀率，同时Farhan等[3]证明四维织物Z向具有良好的耐烧蚀性，是固体火箭发动机喉衬的首选材料。

碳/碳复合材料由预制体通过化学气相渗透(CVI)或热固性树脂浸渍、 沥青浸渍经炭化后完成制备[4-5]。侯晓等[6]通过优化预制体成型设计和致密化工艺，制备三维四向碳纤维增强结构的新型碳/碳复合材料，预制体成型工艺采用70%左右的碳纤维布置于垂直碳棒的水平面上，水平纤维呈60°、120°、180°排列。孙乐等[7]介绍了轴棒编织织物成型工艺，其预制体密度约为0.6 g/cm3，同时证明提高预制体纤维体积含量有助于提高碳/碳复合材料抗烧蚀等力学性能[8]。胡培利等[9]对三维织造复合材料构件进行压实特性研究，揭示了纤维体积含量与压缩应力的关系，对预制体加压密实控制体积分数提供理论依据。综上所述，目前国内外主要研究了三维四向碳/碳预制体成型工艺与材料力学性能，其成型工艺多采用手工方式，压实致密工艺关键技术与自动化、数字化成型压实设备还鲜有报道。

本文根据三维四向碳/碳复合材料预制件成型技术，对预制件压实致密工艺关键技术进行研究。建立碳纤维铺放高度与预制件密度映射关系，设计等距密排微孔板并提出适用于该孔板的加工工艺，并对等距密排微孔板结构进行优化设计。基于位移-压力双闭环控制策略，研制数字化压实装置，以期实现预制件纤维体积含量在线动态调控。

1 碳/碳复合材料预制件成型技术

三维四向碳/碳复合材料预制件采用碳纤维和碳棒软硬混编成型方式，碳棒垂直于X-Y平面铺放，以提高碳/碳复合材料耐烧蚀性能；为保证材料具有良好的整体性能和各向同性，碳棒可按规定的形状和尺寸铺放且呈等距密排方式布放。碳纤维在碳棒间叠层铺放，X-Y平面内分别与水平方向呈0°、120°、240°，三维四向碳/碳预制件成型工艺如图1所示。

图1 三维四向碳/碳复合材料预制件成型工艺Fig.1 Process of 3-D four-direction C/C composite preform.(a)Laying 0°of carbon fiber；(b)Laying 120° of carbon fiber；(c)Laying 240°of carbon fiber；(d)Compaction and densification of single-cycle；(e)Compaction and densification of multiple-cycle；(f)Completion of compaction and densification process

由图 1(a)～(c)可知，碳棒垂直于X-Y平面按预定的尺寸要求呈正六边形等距密排排列，碳纤维在碳棒间先后完成0°、120°、240°铺放；随后对碳纤维进行加压密实，如图1(d)所示，上述碳纤维三向铺放、加压密实定义为单工作周期，重复单工作周期至Z向高度达到尺寸要求，即完成三维四向预制件编织，如图1(e)、(f)所示。

2 压实工艺设计

2.1 碳纤维铺层高度和预制件密度映射关系

根据三维四向碳/碳复合材料预制件成型工艺，为保证预制件成型质量，更好地控制预制件层间密度，杨彩云等利用称重法[10]计算预制件纤维体积分数，但无法实现在成型过程中监测预制件密度。为实现在线动态调控，需建立碳纤维铺放高度和预制件密度关系，利用现代传感与控制技术在线监测预制件密度。选定相同K数碳纤维铺层，根据式(1)确定预制件纤维体积含量Vf：

(1)

式中：Vw为碳纤维体积，mm3；Vm为预制件体积，mm3。

为建立碳纤维铺层高度与预制件密度映射关系，对式(1)进一步推导：

(2)

式中：ρf分别为碳纤维线密度，tex；ρm为碳纤维密度，g/cm3；lb为碳纤维长度，mm；n为碳纤维铺层数；S为预制件X-Y平面截面面积，mm2；H为碳纤维铺层高度，mm。

通过式(2)可知预制件纤维体积含量与碳纤维铺层数和碳纤维铺层高度之间的关系，因此控制相同铺层数预制体的高度即可实时获得预制件纤维体积分数。

2.2 碳棒微孔板压实工艺

为保证铺层碳纤维得到充分压实，设计采用面接触方式的等距密排微孔板，其微孔与Z向碳棒排列一致，在压实致密过程中与铺层碳纤维得到充分接触，有助于提高预制件密度，微孔板压实纤维模型如图2所示。

图2 等距密排微孔板压实模型Fig.2 Compaction model of equal-distance and density micro-porous plates

在压实致密过程中，微孔板受集中载荷，为保证铺层碳纤维受力均匀，特别是微孔板边缘受力均匀且一致，所受压实载荷满足工艺需求，故将微孔板视为刚体，建立模型进行受力分析。选取预制件外接圆半径R为受力边缘，将微孔板边缘等分成N个受力点，受力图如图3(a)所示。

图3 微孔板受力图Fig.3 Force for micro-porous plate. (a)Force for top view of micro-porous plate；(b)Force for front view of micro-porous plate

微孔板受边缘力为F1，F2，…，Fn，集中载荷力F为

F=F1+F2+…+Fn

(3)

(4)

通过公式(4)计算得出F1=F2=F3=…=Fn。

为使微孔板所受弯矩最小，加压机构输出集中载荷力最优，在边缘压实力满足加压致密要求的同时，取微孔板俯视图任意方向建立滚珠丝杠直径φ与压实力力学模型，如图3(b)所示。假设滚珠丝杠任意一点输出力均为F′≈F，对中心点O取距，由公式(5)可知滚珠丝杠直径φ与边缘力Fn的关系：

φ=2FnR/F′

(5)

为验证理论可行性，选用MDS-500型压力传感器搭配WD200-4型数字变送器进行等距密排微孔板受力情况实验验证，压力传感器检测量程最大为500 N，精度为0.02%，满足使用要求。取等距密排微孔板边缘0°、90°、180°、270° 4点，分别记为A、B、C、D。在微孔板中心逐渐施加载荷，记录集中载荷与2个微孔板间距离变化，见表1所示。

表1 微孔板受力与位移Tab.1 Force and displacement of micro-porous plates

由表1可知，随着微孔板受集中载荷逐渐增加，2个微孔板间的距离逐渐减小，微孔板边缘受力均匀，4个点受力最大误差不超过4%。微孔板受力均匀可保证压实过程中碳纤维受力一致，满足预制件压实整体性好的工艺需求。

2.3 等距密排微孔板工艺设计

等距密排微孔板为数字化压实装备关键核心部件，其设计与加工精度决定预制件成型质量。首先确定微孔直径，假设碳棒直径为d，长度为h，碳棒在微孔内摆动的角度为α，建立微孔直径数学模型，如图4所示。

图4 微孔直径模型Fig.4 Model of micro-pore diameter

图5 微孔板加工工艺模型Fig.5 Process model of micro-porous plate

(6)

式中：ES为上偏差，mm；EI为下偏差，mm；ESp为距离孔板圆心O的上偏差，mm；EIq为距离微孔圆心p的下偏差,mm；EIp为距离孔板圆心O的下偏差,mm；ESq为距离微孔圆心p的上偏差,mm；k，m分别为距离圆心O和圆心p的微孔数量。

通过式(6)计算得孔间距为

(7)

由式(7)可知，当n=2时满足工艺需求，因此采用n和n+1 2个单元的加工工艺，有效地避免孔间距累计加工误差。

3 等距密排微孔板压实装置

3.1 等距密排微孔板优化设计

微观条件下将碳纤维离散成纤维单丝，纤维单丝在压实致密过程中与其他纤维单丝发生黏连或滑移，以填充预制件孔隙，因此采用含有助剂的碳纤维避免纤维间相互作用力过大而使其损伤。压实致密过程主要分为3个阶段，首先微孔板与碳纤维接触时，铺层碳纤维逐渐由弯曲状态变成平直，纤维间摩擦力视为流体摩擦；随着压力不断增大助剂不断被挤出，纤维间作用力逐渐转变为边界摩擦，此时压力小于纤维单丝间的摩擦力，碳纤维之间的空间被挤占，预制件层间高度迅速被压缩；当压力进一步增大后，纤维产生横向扩散，较前一阶段碳纤维压缩变形量减少；当压力增大到一定值后，碳纤维压缩量不再变化，即完成致密过程。

第1阶段纤维弯曲是唯一重要的纤维运动形式，此阶段将纤维看成是支撑点跨距为ε的杆，支撑点即为相邻层纤维的接触点，如果压实力以dF增加，碳纤维挠度以dy增加，其关系为

(8)

式中：ε为相邻接触点间纤维单元长度，mm；I为截面惯性矩，mm4；Y为弹性模量，GPa；k为系数。

第2阶段将碳纤维离散成单丝，随着压力逐渐增大，此时压力小于纤维单丝间摩擦力，纤维单丝间发生粘连；第3阶段随着压力大于纤维单丝间的摩擦力，纤维单丝间发生渗透、滑移等现象。

假设碳纤维各向同性，压缩过程纤维长度和截面不变，取相邻碳棒间单位面积的体积为V0，碳纤维包含在单元体内，碳纤维所占高度(体积)为V。在单元体内取1个单位的截面面积，令c为碳纤维所占单元体的垂直高度，纤维长度为δ，则纤维层的单元数量为cδ/(Vε)，单元体模型如图6所示。

图6 单元体模型Fig.6 Element model

由于单元体纤维高度为V,面积为定值，因此增量压力dP为每个单元上增量压力dF与单元体数量的乘积，即：

(9)

联立公式(8)得增量压力dp与碳纤维挠度dy关系:

(10)

每层高度为c的纤维在高度上按比例dy减小，因此体积dV为

(11)

结合公式(10)和(11)得：

(12)

对公式(11)积分得到压力P与体积V的关系：

(13)

由公式(13)可知，当V=V0时表示碳纤维未被压缩，此时P=0；在压实致密工艺过程中，碳纤维表现出流动性且不断填充预制件孔隙，随着碳纤维体积V被压缩，压力P逐渐增大，预制件纤维体积含量逐渐增加；随着压力增加，碳纤维被压缩表现为高度减小，宽度增加；当预制件压缩程度过高时，导致碳纤维在两侧的碳棒上重叠程度增加，从而使预制件纤维体积含量降低。为获得更好的纤维体积分数，需要对压缩体积空间做出调整，故对等距密排微孔板进行结构优化，优化前后微孔板压实模型如图7所示。

图7 优化前后微孔板压实模型Fig.7 Compaction model of micro-porous plate before (a) and after (b) optimization

由图7可知采用优化后微孔板压实碳纤维体积较优化前增大2εΔlΔt。

假设预制件压实高度一致，则优化前后的体积分别为V1和V2，此时的压力为P1和P2，根据式(13)可知采用优化前后微孔板压实压力的关系为：

P1-P2=2y*z*εΔlΔt

(14)

由式(14)可知P1>P2，当压缩高度一致时，采用优化后的微孔板压力较小，同时不会因为体积空间不足导致碳纤维重叠程度增加，碳纤维在两侧碳棒处具有更好的流动性。选用更小的压力P2进行预制件压实，优化前后微孔板压实体积分别为V3和V2，压实高度分别为h3和h2，为保证压力P2相等，需满足条件V3=V2，故：

h3=h2+2ΔlΔt/l

(15)

由式(15)可知h3>h2，故当压力相等时，采用优化后的微孔板压实高度更低，故预制件压实致密程度高，可获得更好的纤维体积分数。

综上所述，压力与压实高度相互调节可获得预定的预制件纤维体积含量,通过优化等距密排微孔板Δl与Δt可减小压实压力同时获得更好的纤维体积含量。

3.2 压实装置设计

由3.1节可知优化等距密排微孔板可减少碳纤维在压实过程中在两侧的碳棒上重叠程度，为约束垂直排列的碳棒同时又增大纤维压缩空间，设计了与微孔同心的柱形沉孔，优化后等距密排微孔板如图8所示。

图8 优化前后微孔板Fig.8 Micro-porous plate before (a) and after (b) optimization

由图8可知，优化后微孔板在结构方面较优化前微孔板每个微孔都加工了柱形沉孔，柱形沉孔直径为d+2Δl，深度为Δt。为保证各纤维压缩空间基本相等，压实致密过程纤维在碳棒上的堆砌程度均匀，故要求柱形沉孔与微孔同心度较高。

由于等距密排微孔板在压实致密工艺过程中受集中载荷，为保证精确输出压力值，压实装置采用伺服电动机驱动的滚珠丝杠-滑块系统，等距密排微孔板由4根垂直于下微孔板的导向柱定位，保证2微孔板平行且可沿Z向往复移动，孔板可随铺放碳纤维高度的变化而变化，实现变厚度编织，如图9所示。

注：1—伺服电动机; 2—丝杠-滑块; 3—等距密排微孔板; 4—压力传感器。图9 压实装置Fig.9 Compaction device

由图9可知，预制件加压致密方式为上微孔板固定不动且安装有压力传感器，随着下微孔板的上升逐渐对铺层碳纤维施加压力，待压实后下微孔板不再上升，伺服电动机保持输出力进入保持压力阶段；压实致密后在伺服电动机的驱动下，下微孔板进入下降阶段，2微孔板之间的距离满足纤维铺层所需空间后停止。

为满足工艺需求，根据碳纤维铺放高度和预制件密度映射关系，设计预制件密度控制的双闭环控制系统，选用距离传感器与压力传感器，记录预制件高度和压力大小，双闭环控制原理如图10所示。

图10 双闭环控制原理Fig.10 Control principle of double closed loop

由于碳纤维具有黏弹性，预制件在加压密实过程中高度逐渐降低，密度逐渐增大，随着铺层碳纤维高度的增加，压力随层高变化而变化，手工压实较难控制压力大小。采用双闭环控制原理，在控制系统中预先设定满足预制件密度的高度值与压力值，利用传感器在加压密实过程中采集工作数据并将高度值与压力值反馈至控制器，控制器根据偏差值控制加压机构输出值。该控制原理的应用可输出最优压力值，保证碳纤维在压实过程中不受损伤，亦可更好地控制预制件密度。

4 验证实验

为验证理论的正确性，以更好地满足实际生产需求，优化前后等距密排微孔板参数见表2。

表2 微孔板参数Tab.2 Parameters of micro-porous plates mm

将表2工艺参数带入式(15)求得采用优化后的微孔板在压实相同体积下高度减少0.64 mm；优化后的微孔板在压实致密过程中有更好的体积空间；采用优化前后的微孔板利用数字化压实装置对预制件进行压实致密实验。通过奥林巴斯SZX16显微镜搭配奥林巴斯DP27摄像头观察预制件压实致密显微形貌。预制件俯视图显镜形貌如图11所示。

图11 预制件显微形貌Fig.11 Microscopic morphology of the prefabricated parts. (a)Front view of compaction carbon fiber of micro-porous plate before optimization；(d)Front view of compaction carbon fiber of micro-porous plate after optimization；(c)Top view of compaction carbon fiber of micro-porous plate before optimization；(d)Top view of compaction carbon fiber of micro-porous plate after optimization

选用尺寸为98 mm×98 mm×20 mm的三维四向碳/碳织物进行压实实验，在压实相同高度下，求得优化后微孔板单元体的体积较优化前增大约0.51 mm3，微孔板与纤维间有更好的体积空间；图11(a)示出采用原微孔板压实预制件由于压实空间小，碳纤维在碳棒上发生堆叠；图11(b)示出采用优化后的微孔板压实碳纤维，碳纤维在碳棒上重叠程度降低，碳纤维排列较整齐。

在压实致密最后阶段，当压实相同高度时，原微孔板与优化后微孔板所受压力分别为719和435 N，由图11(d)可知，采用优化后微孔板压实预制件较优化前碳纤维平整、孔隙度均匀；利用CAD技术计算显微形貌图像预制件孔隙面积占截面面积的百分数，记为孔隙率，得出图11(c)预制件孔隙率为14%,图11(d)预制件孔隙率为7%。在压力减少39.5%的情况下，通过对比得出采用优化前微孔板压实预制件的孔隙率降低50%。通过实验验证了理论的正确性与可行性，为实际生产提供理论指导。

5 结 论

本文对压实致密工艺关键技术进行研究，建立了碳纤维铺层高度与预制件纤维体积分数映射关系，控制相同铺层数的碳纤维高度即可实时获得预制件纤维体积分数；设计了等距密排微孔板并提出适用于微孔板的加工工艺，同时为保证压实工艺过程中纤维具有较好的流动性，提高预制件密度，对等距密排微孔板的每个微孔采用加工柱形沉孔处理；根据三维四向碳/碳复合材料预制件成型技术，研制了基于位移-压力双闭环控制策略的数字化压实装置，该装置可实现预制件密度在线动态调控，保证层间密度均匀。采用等距密排微孔板，利用数字化压实装置进行预制件压实致密实验，验证压实工艺关键技术可行性，结果表明采用优化后等距密排微孔板压实的预制件均匀性更好，压实相同高度时压力可减少39.5%，孔隙率较优化前降低50%。

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