碳化硅纖維上漿技術(shù)探究

楊明杰 韋 鑫 張 元 張亮儒 董經(jīng)經(jīng)

（陜西省紡織科學(xué)研究院，陜西西安，710038）

碳化硅纖維具有抗氧化、耐化學(xué)腐蝕、耐高溫、高比強(qiáng)度、高比模量等優(yōu)異性能，一直被作為軍事敏感材料［1］。同時(shí)碳化硅纖維作為一種新興領(lǐng)域的特殊結(jié)構(gòu)增強(qiáng)材料，廣泛用于高精尖技術(shù)領(lǐng)域，如航空航天、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、核聚變爐等［2］。在高性能纖維復(fù)合材料領(lǐng)域，以陶瓷為基體，以碳化硅纖維為增強(qiáng)體復(fù)合而成的一類陶瓷基復(fù)合材料，具有低密度、高強(qiáng)高模、耐高溫、抗氧化、抗蠕變、抗熱沖擊、耐腐蝕、材料熱膨脹系數(shù)小等性能優(yōu)點(diǎn)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上具有巨大的應(yīng)用潛力［3‐4］。碳化硅纖維機(jī)織物和碳化硅纖維編織物作為碳化硅纖維陶瓷基復(fù)合材料的骨架材料，主要解決碳化硅纖維應(yīng)用工程中的難題，是將一維形式的碳化硅纖維加工成二維或多維形式的碳化硅纖維集合體，是制作碳化硅纖維陶瓷基復(fù)合材料的增強(qiáng)材料，為實(shí)現(xiàn)碳化硅纖維陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ)。

經(jīng)紗上漿是經(jīng)紗織造的關(guān)鍵工序［5］，對于高性能纖維經(jīng)紗織造也是如此。碳化硅纖維作為一種極具潛力又性能優(yōu)異的高性能纖維，在織造和編織過程中，由于其纖維模量高、集束性差、單絲脆性大，當(dāng)纖維和纖維、纖維和鋼筘、纖維和紗架之間相互摩擦?xí)r，很容易發(fā)生單絲斷裂而導(dǎo)致纖維束劈絲甚至斷裂等現(xiàn)象，對碳化硅纖維性能的損傷很大，這不僅影響碳化硅纖維的織機(jī)效率，也嚴(yán)重影響碳化硅織物的產(chǎn)品質(zhì)量。因此，對碳化硅纖維進(jìn)行上漿，對于提高碳化硅纖維的織機(jī)效率和碳化硅織物的產(chǎn)品質(zhì)量起著關(guān)鍵作用。

1 碳化硅纖維漿紗技術(shù)研究現(xiàn)狀

碳化硅纖維同碳纖維等高性能纖維一樣，屬于脆性材料，斷裂伸長率低且彈性小，現(xiàn)有國產(chǎn)碳化硅纖維與國外碳化硅纖維相比，力學(xué)性能差距還比較大。在生產(chǎn)應(yīng)用過程中，纖維與機(jī)械之間相互摩擦，使纖維束中的單絲發(fā)生斷裂，產(chǎn)生毛絲現(xiàn)象，纖維的強(qiáng)度降低；并且用于增強(qiáng)復(fù)合材料的碳化硅纖維織物和預(yù)制體在織造和編織過程中，由于受到人工或機(jī)械的反復(fù)拉伸、摩擦和彎曲等作用，造成纖維束發(fā)毛、松散或劈絲甚至斷經(jīng)，并使織造時(shí)開口不清晰，從而導(dǎo)致纖維交織、糾纏，難以順利織造，嚴(yán)重影響碳化硅纖維預(yù)制體的質(zhì)量；而碳化硅纖維預(yù)制體和三維立體編織物作為先進(jìn)復(fù)合材料的增強(qiáng)骨架，其結(jié)構(gòu)及性能對復(fù)合材料的性能起至關(guān)重要的作用。現(xiàn)有的研究結(jié)果表明：在碳化硅纖維的系統(tǒng)制造和織造過程中，對碳化硅纖維進(jìn)行上漿是碳化硅纖維應(yīng)用過程中必不可少的重要環(huán)節(jié)；上漿后碳化硅纖維的各種性能，如耐磨性和集束性都將得到很大提高，纖維的柔韌性和硬挺度也得到有效調(diào)節(jié)，減少了加工應(yīng)用過程中纖維毛絲的產(chǎn)生，滿足后續(xù)工序中對碳化硅纖維進(jìn)行機(jī)械加工的性能需求。因此，碳化硅纖維作為一種新型的高性能纖維，在應(yīng)用和織造過程中也需要上漿來滿足加工要求。此外，在編織異形復(fù)雜件、高厚預(yù)制件時(shí)，對碳化硅纖維的編織性要求更高，普通的漿紗工藝和漿紗效果無法滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。為實(shí)現(xiàn)碳化硅纖維預(yù)制體的穩(wěn)定生產(chǎn)，必須探究新的上漿工藝及上漿劑對纖維表面進(jìn)行上漿處理，以提高其在多種結(jié)構(gòu)預(yù)制體中的可織性和可編性［6‐7］。

目前，由于國防技術(shù)的敏感性和國外技術(shù)的封鎖，暫未獲得更多國外關(guān)于像碳化硅纖維這類新型高性能纖維的上漿資料，而國內(nèi)對碳化硅纖維的上漿研究尚處在研究論證階段，還未有對碳化硅纖維上漿提出實(shí)質(zhì)的解決方案。魯祥勇等［8］為了提高碳化硅纖維的可織性和絲束強(qiáng)度，在纖維制備過程中采用乳液型上漿劑對碳化硅纖維進(jìn)行上漿，這樣使碳化硅纖維的集束性和毛絲的聚攏性都變得更好，纖維的表觀形態(tài)也得到提升。然而這種在纖維制備過程中的上漿方法要求上漿溫度達(dá)到110 ℃甚至更高，上漿過程難以控制，而且上漿后纖維性能雖有所提高，但未提到是否滿足生產(chǎn)和織造要求。為了解決生產(chǎn)和織造過程中出現(xiàn)的問題，趙玉芬等［9］對碳化硅纖維進(jìn)行二次表面上漿的漿液配方、漿液性能、漿膜性能及上漿后的漿紗性能進(jìn)行了分析和研究，得出最佳的上漿工藝；在最佳工藝條件下對碳化硅纖維進(jìn)行上漿，上漿后碳化硅纖維束表面性能得到明顯改善，耐磨性也得到提高，纖維比較柔軟，更能滿足碳化硅纖維的織造要求。

2 碳化硅纖維上漿劑的選擇及應(yīng)用效果

高性能纖維如碳纖維等已經(jīng)具有成熟生產(chǎn)和應(yīng)用體系的上漿劑種類比較多，各個(gè)生產(chǎn)企業(yè)使用的上漿劑不盡相同，像碳化硅纖維、氮化硅纖維等國內(nèi)新興高性能纖維的上漿劑尚在研究與開發(fā)階段。據(jù)現(xiàn)有資料記載，滿足高性能纖維上漿要求的上漿劑主體成分有樹脂類和聚氨酯類［10‐11］，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，考慮到復(fù)合工藝的需要，應(yīng)用更多是樹脂類上漿。

為了提高纖維束的力學(xué)性能，必須使用上漿劑對碳化硅纖維進(jìn)行初次上漿。優(yōu)良的上漿劑能顯著提高碳化硅纖維的實(shí)用價(jià)值，但在后序應(yīng)用過程中，由于要經(jīng)過經(jīng)紗架、張力輥、鋼筘等產(chǎn)生機(jī)械摩擦和人工磨損，以及在織造過程中纖維與纖維的勾結(jié)，使碳化硅纖維易產(chǎn)生毛絲及單絲斷裂等現(xiàn)象。此外，在編織異形復(fù)雜件、高厚預(yù)制件時(shí)，對碳化硅纖維的編織性要求更高，因此在編織和織造之前，無論二代還是三代碳化硅纖維都必須對其進(jìn)行二次上漿，以保證織造和編織的順利進(jìn)行。

由于碳化硅纖維在國內(nèi)屬于新興高性能纖維，上漿劑的研究還不成熟，普通上漿劑的上漿效果不佳，也不能滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。國外雖有成熟的碳化硅纖維上漿體系，但由于行業(yè)技術(shù)的封鎖和商業(yè)機(jī)密，很難查到相關(guān)資料。以往樹脂溶液一般是無機(jī)纖維采用的上漿劑，但由于樹脂溶液的溶劑易揮發(fā)，揮發(fā)后使樹脂殘?jiān)鼩埩粼趯?dǎo)輥上，使導(dǎo)輥?zhàn)兊么植?，增大了纖維與導(dǎo)輥接觸時(shí)的摩擦，造成更大的損傷，同時(shí)又因溶劑的揮發(fā)而污染環(huán)境，鑒于此，目前國內(nèi)高性能纖維多采用乳液型上漿劑。乳液型上漿劑不僅可以避免上述上漿過程中的缺點(diǎn)，而且可以通過加入一些表面活性劑來改善漿液性能，從而大大提高漿液在纖維表面的成膜性和包覆性，以及絲束之間的黏連性，增強(qiáng)纖維的集束性。

碳化硅纖維作為一種脆性材料，其拉伸強(qiáng)度受制于纖維條干的均勻性。由于生產(chǎn)條件和生產(chǎn)環(huán)境的影響，生產(chǎn)過程中纖維條干隨機(jī)分布缺陷和裂紋，使纖維的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)一定的不均勻性，對碳化硅纖維在實(shí)際中的應(yīng)用也會(huì)造成影響。碳化硅纖維的斷裂往往是由表面缺陷引起的，而纖維表面漿膜可有效彌補(bǔ)纖維表面裂紋和缺陷，因此碳化硅纖維采用乳液型上漿劑上漿對提高纖維的承載能力有較大貢獻(xiàn)。

2.1 碳化硅纖維上漿劑的選擇

由于碳化硅纖維增強(qiáng)材料在編織或織造完成后，要經(jīng)過后序陶瓷基或樹脂基的復(fù)合才能形成完整的成品件；而對于特定的復(fù)合材料增強(qiáng)基體，在進(jìn)行復(fù)合工序時(shí)，碳化硅纖維必須較好地與之相結(jié)合。因此，在選擇碳化硅纖維上漿所用的漿料時(shí)，必須要選擇既不影響后序的復(fù)合工序，又能滿足碳化硅纖維上漿要求的上漿劑，從而起到保護(hù)碳化硅纖維表面的同時(shí)又能改善復(fù)合材料界面之間相互結(jié)合的作用。合適的上漿劑才能改善碳化硅纖維與復(fù)合材料基體之間的黏結(jié)，使載荷有效地通過基體傳遞到纖維增強(qiáng)體上，從而使纖維增強(qiáng)體真正起到承載作用。

2.1.1 PVA 漿料

起初為了讓碳化硅纖維有較好的集束性，通過對已有漿料的了解，使用PVA 漿料對碳化硅纖維進(jìn)行上漿；上漿后對纖維進(jìn)行性能測試和織造試驗(yàn)，經(jīng)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)PVA 漿料的成膜性好，黏結(jié)性強(qiáng)，可很好地將碳化硅纖維束黏結(jié)在一起，并在纖維表面形成一層保護(hù)膜，增強(qiáng)了纖維的耐磨性，減少了織造過程中紗線斷頭、劈絲等現(xiàn)象，改善了碳化硅纖維的表面形態(tài)。但是，上漿后的碳化硅纖維硬挺度大，柔韌性差，勾結(jié)強(qiáng)度極低，纖維束硬而脆，很容易在織造過程中因彎折而脆斷，造成斷經(jīng)從而無法順利進(jìn)行織造。因此在試驗(yàn)過程中，暫不考慮PVA 漿料的規(guī)模化生產(chǎn)使用。

2.1.2 環(huán)氧樹脂

搜集現(xiàn)有與碳化硅纖維上漿有關(guān)的資料，尋求更適合碳化硅纖維的上漿劑——環(huán)氧樹脂漿料。環(huán)氧樹脂漿料分散性均勻，對極性液體的作用力大、黏附性強(qiáng)，干燥時(shí)收縮比低［12‐15］。通過多次試驗(yàn)不同含固量的環(huán)氧樹脂漿料，優(yōu)化環(huán)氧樹脂漿料的上漿配比，并對碳化硅纖維進(jìn)行上漿試驗(yàn)。通過掃描電鏡觀察分析，對比采用環(huán)氧樹脂漿料上漿前后的碳化硅纖維外觀，如圖1 所示。

圖1 上漿前后碳化硅纖維的外觀

由圖1 可以看出，上漿前纖維束較松散，上漿后碳化硅纖維的集束性和條干均勻性均有所提高。上漿后單纖維相互黏結(jié)在一起，提高了纖維束的集聚性，這主要是由于上漿后漿液滲透在纖維束內(nèi)部和包覆在纖維束表面，使纖維束表面的毛絲緊緊地貼伏在纖維上，增強(qiáng)了碳化硅纖維單絲之間的相互黏結(jié)性，從而使原本抱合力較小的單纖維絲束緊密地黏結(jié)在一起，碳化硅纖維集束性得到明顯改善，提高了纖維的強(qiáng)伸性能；而且環(huán)氧樹脂漿液在纖維表面形成一層漿膜，纖維的柔韌性也得到明顯改觀，提高了纖維的可織性，更有利于織造的順利進(jìn)行。

2.2 碳化硅織物性能

通過對漿料的分析，使用PVA 漿料對碳化硅纖維進(jìn)行上漿后，纖維的各種性能對織造的貢獻(xiàn)有限，所試織的織物本身性能也較差，因此采用環(huán)氧樹脂漿料對線密度180 tex 碳化硅纖維進(jìn)行上漿。采用上漿后的碳化硅纖維試織幅寬為80 cm、經(jīng)密和緯密均為80 根/10 cm 的碳化硅織物，記錄織造過程中纖維的織造情況，對織造后的碳化硅織物進(jìn)行取樣測試，測試結(jié)果如表1 所示。

由表1 可以看出，試織后的碳化硅織物各項(xiàng)性能指標(biāo)都滿足其標(biāo)準(zhǔn)要求，且在織造過程中，碳化硅纖維集束性好，纖維毛絲量少，紗線斷頭率低，大大提高了碳化硅纖維的織造性能和織機(jī)效率。PVA 漿料雖然對碳化硅纖維能起到一定的集束性，但對后續(xù)織造環(huán)節(jié)的作用甚微，甚至有負(fù)面作用，而環(huán)氧樹脂類漿料對于碳化硅纖維的上漿效果明顯，且上漿后的漿紗性能得到很大改觀，織造過程中碳化硅纖維損傷較小，織造過程順利，織物性能滿足用戶要求。

表1 碳化硅織物的主要性能指標(biāo)

3 結(jié)語

目前，通過改變截面形狀、引入異質(zhì)元素、表面改性等方法可制備出具有低電阻率、吸波型、高抗拉強(qiáng)度、耐超高溫等特性的功能化碳化硅纖維，使碳化硅纖維的應(yīng)用也越來越廣泛，同時(shí)一些尖端技術(shù)對碳化硅纖維綜合性能的要求也越來越高。上漿劑是高性能碳化硅纖維的重要輔助材料，但國外對碳化硅纖維上漿劑的種類和配方是保密的，而國內(nèi)對碳化硅纖維的上漿研究尚處在研究論證階段。因此，加強(qiáng)對國產(chǎn)碳化硅纖維上漿技術(shù)的研究對于提高纖維性能，適應(yīng)高性能產(chǎn)品開發(fā)具有重大意義。