近年來(lái)，輕質(zhì)復(fù)合材料的需求正在不斷增長(zhǎng)。目前最常用的技術(shù)是將 3k 碳纖維絲束用于機(jī)織預(yù)成型，而將傳統(tǒng)的 12k碳纖維絲束用于 UD。但是最近，人們對(duì)使用12k 碳纖維絲束制造超輕質(zhì)復(fù)合材料產(chǎn)生了濃厚的興趣。
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12k碳纖維及其展絲：a）6mm寬的原始纖維；b）12mm寬的擴(kuò)展絲束；c）20mm寬的擴(kuò)展絲
相比于3k絲束而言，12k絲束碳纖維成本要低得多。在本公眾號(hào)前期撰稿文章《高性能碳纖維的價(jià)格影響因素分析》（閱讀原文）提到根據(jù)日本東麗公司提供相關(guān)數(shù)據(jù)，其旗下某型號(hào)碳纖維3k規(guī)格產(chǎn)品的成本為50-70美元/kg，6k規(guī)格產(chǎn)品的為40-50美元/kg，但當(dāng)產(chǎn)品為12k規(guī)格碳纖維時(shí)，其成本可下降到不足30美元/kg。
盡管展絲是一種用于超輕材料的新技術(shù)，但一些制造商使用的技術(shù)仍是基于對(duì)舊紡織方法的改進(jìn)，比如用于展開(kāi) 300k 絲束，這對(duì) 12k 碳纖維絲束展絲無(wú)明顯的借鑒意義。采用氣流法將常規(guī)/標(biāo)準(zhǔn)纖維絲束轉(zhuǎn)化為具有懸垂性、抗損傷性、抗疲勞和抗沖擊性、節(jié)能和低CO2排放等優(yōu)點(diǎn)的超細(xì)鋪展纖維束，可實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)鋪展。
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展絲前后絲束截面圖，左側(cè)為標(biāo)準(zhǔn)絲束，右側(cè)為展絲后示意圖
展絲后復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在機(jī)械和熱負(fù)荷下可能會(huì)受到影響。通常來(lái)說(shuō)，層壓復(fù)合材料的損傷行為是橫向微裂紋、纖維斷裂和分層。通常，當(dāng)?shù)谝粚邮r(shí)，整個(gè)鋪層厚度的橫向微裂紋就會(huì)發(fā)生，隨后出現(xiàn)分層損傷。纖維斷裂通常發(fā)生在損傷的最后階段。根據(jù)第一層失效理論，層厚度在控制復(fù)合材料力學(xué)性能，即抗失效性方面起著關(guān)鍵作用：層越薄，性能越好。根據(jù)相關(guān)研究，由薄層制成的復(fù)合材料通常在失效前達(dá)到的最大強(qiáng)度更大。與傳統(tǒng)絲束制成的層壓板相比，擴(kuò)展絲束層壓板在靜態(tài)、沖擊和疲勞載荷下具有更好的抗微裂紋、分層和劈裂損傷的強(qiáng)度。
展絲前后碳纖維單向帶示意圖，展絲后單向帶纖維實(shí)現(xiàn)均勻分散，不但具有超輕、超薄結(jié)構(gòu)，還易于后處理和機(jī)械化加工
目前有多種制造薄層的技術(shù)，其中，最有前途和最具成本效益的方法是通過(guò)“氣流牽引展絲技術(shù)”。在這種方法中，通過(guò)將12k長(zhǎng)絲絲束通過(guò)配備有風(fēng)道和真空的擴(kuò)散區(qū)，真空通過(guò)風(fēng)道向下吸入空氣，當(dāng)空氣在真空的幫助下流過(guò)風(fēng)道時(shí)，絲束沿氣流方向向下下垂，從而失去張力，并導(dǎo)致瞬間處于無(wú)張力狀態(tài)；均勻的氣流在絲束上不斷運(yùn)轉(zhuǎn)，絲束連續(xù)穩(wěn)定地展開(kāi)。由于使用了低速氣流，因此在鋪展過(guò)程中不會(huì)損壞纖維長(zhǎng)絲。利用這項(xiàng)技術(shù)，可將展開(kāi)的絲束組裝成超薄的UD片材或機(jī)織物，并轉(zhuǎn)換成薄層。
在下一期文章中會(huì)詳細(xì)介紹這種氣流分絲技術(shù)，敬請(qǐng)期待……
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦高分子）：碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的絲束擴(kuò)展技術(shù)（一）：背景介紹