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何謂纖維擴(kuò)展絲束？

擴(kuò)展絲束是指將纖維分散到更薄、更平坦增強(qiáng)材料中的做法，例如，通常將5毫米寬的12K高強(qiáng)度碳纖維絲束散布到25毫米寬的膠帶上。這種單向膠帶可用于自動(dòng)鋪帶（automated tape laying，ATL）和自動(dòng)纖維放置（automated fiber placement，AFP）工藝中，也可用于生產(chǎn)薄機(jī)織物或多層非卷曲織物。

雖然目前也可以對玻璃纖維、芳綸纖維和其他聚合物纖維進(jìn)行擴(kuò)展絲束，但是碳纖維是推動(dòng)絲束擴(kuò)展技術(shù)的主要?jiǎng)恿?，因?yàn)閺捏w育用品到航空航天等行業(yè)都在尋求更輕、更薄的復(fù)合材料。展開式纖維增強(qiáng)件的重量可以僅為15g/m²，厚度僅為0.02 mm。

根據(jù)國外一家全球知名的碳纖維生產(chǎn)商的消息，目前全球使用的碳纖維80％在進(jìn)一步加工之前就已經(jīng)過了展絲，這包括了大多數(shù)50K、24K和部分12K碳纖維，它們比較小的1K、3K和6K絲束便宜，但可以通過展絲以生產(chǎn)重量小于300g/m²的高質(zhì)量增強(qiáng)材料，如日本東麗公司用T700S 12K平紋織物制成的環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，其單位面積重量與3K絲束制成的織物相同，現(xiàn)在在火箭和太空結(jié)構(gòu)中隨處可見。

擴(kuò)展絲束有何優(yōu)勢？

展絲技術(shù)可以定制單位面積重量以及其他屬性，如抗裂紋展絲以提高損傷容限。展絲后的平整度意味著長絲比普通纖維中的長絲更平直，這樣可以提高有效承載能力，并改善表面光潔度和美觀。毫無疑問，展絲技術(shù)是標(biāo)志性“機(jī)織外觀”的起點(diǎn)，這種外觀在體育用品，小型飛機(jī)和賽車應(yīng)用中越來越常見。

據(jù)斯坦福大學(xué)榮譽(yù)教授、各向異性材料Tsai-Wu破壞準(zhǔn)則的共同開發(fā)者Stephen Tsai博士說，展絲技術(shù)在層壓板的設(shè)計(jì)中非常有效，這種層壓板可以在第一層失效和最后一層失效前承受更大的應(yīng)力（圖1）。

圖1 高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的延遲層破壞

他提出的雙角度CF多軸織物的想法是由法國Chomarat公司以C-PLY的形式推出（圖2），通過將一層0°的薄纖維層與另一層淺角度的纖維層（如20°角）相結(jié)合，從而在無需高壓釜時(shí)間或高成本的情況下，在樹脂注入層壓板中實(shí)現(xiàn)高壓釜固化的單向預(yù)浸料性能。

圖2 Chomarat公司的C-PLY制造工藝

展絲專用裝備的發(fā)展史

現(xiàn)如今，有許多公司可以提供鋪展絲束所需的設(shè)備，以及具有帶功能的織物編織設(shè)備。膠帶編織是指用膠帶代替絲束進(jìn)行編織的織物，它是1995年由瑞典查默斯技術(shù)大學(xué)的Nandan Khokar博士發(fā)明的。他于2002年介紹了自己的工作，當(dāng)時(shí)學(xué)生Andreas Martsman和Henrik Blycker看到了復(fù)合材料零件制造商的潛在價(jià)值，并于2003年成立了Oxeon公司。

盡管Oxeon首先進(jìn)入市場，但其他地區(qū)也在不斷發(fā)展。在2001年的一項(xiàng)專利申請中，大絲束碳纖維生產(chǎn)商Zoltek詳細(xì)介紹了一種碳纖維分離器設(shè)備，該設(shè)備使用了一個(gè)撐桿和兩個(gè)或多個(gè)偏心分離器桿。就是同一年，后來成為瑞典北方薄層技術(shù)（NTPT）的創(chuàng)始人正開發(fā)旨在改善CF帆的薄層材料，這種薄層技術(shù)在2005年被Alinghi America's Cup游艇使用，并被NTPT姊妹公司美國North Sails冠以3Di品牌。NTPT現(xiàn)在出售薄預(yù)浸料（圖3）以及用薄層材料制成的復(fù)合管材，并成功進(jìn)入航空、船舶、汽車、體育用品和消費(fèi)品市場。

圖3 NTPT的15g/m²的預(yù)浸帶

同樣在2005年，澳大利亞波音飛機(jī)結(jié)構(gòu)公司使用碳纖維制造商Hexcel開發(fā)的樹脂注入和PrimeTex擴(kuò)散絲束織物為波音787夢想飛機(jī)生產(chǎn)了超過9米長的后緣蒙皮。值得注意的是，PrimeTex織物在結(jié)構(gòu)上是獨(dú)一無二的，它使用專有技術(shù)編織織物，然后展開織物，使織物更平整（圖4）。

圖4 PrimeTex碳纖維織物使用展絲技術(shù)來縮小織造中的縫隙，以減少孔隙率，從而提高機(jī)械性能和表面質(zhì)量

現(xiàn)在Hexcel PrimeTex碳纖維擴(kuò)展絲束面料已廣泛用于科里瑪自行車車輪、菲舍爾滑雪板，以及空間、國防、汽車和船舶等領(lǐng)域。

德國的LIBA公司于2002年推出了用于生產(chǎn)CF多軸織物的MAX 5引緯機(jī)，2004年開發(fā)了展絲技術(shù)，于2007年推出了UD 500離線延展機(jī)，然后對該技術(shù)進(jìn)行了修改。MAX 5設(shè)備可對碳纖維UD膠帶進(jìn)行緯紗插入，該機(jī)器還提供了以-45°至45°的角度放置離散層的能力，可按1°的增量進(jìn)行調(diào)整。UD帶可以在線擴(kuò)展到227毫米寬，也可以離線擴(kuò)展到254毫米寬。離線系統(tǒng)可以展開50K或60K纖維，并可以添加第二層來傳播12K或24K絲束。

展絲技術(shù)的前景

絲束擴(kuò)展技術(shù)的未來前景如何？行業(yè)專業(yè)人士指出，絲束擴(kuò)展需求的的增長不僅是為了美觀，而且零件的剛性由于減少了卷曲可以提高20％，例如，對于相同的壁厚，使用20層展開式織物代替10層3K織物可獲得更高的剛度。正因?yàn)槿绱耍梢钥吹皆诮Y(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域更多使用膠帶和膠帶編織織物。 

另一個(gè)驅(qū)動(dòng)因素是使用完全浸漬的熱塑性膠帶。這些材料的高抗沖擊性對于汽車零件如門和保險(xiǎn)杠非常有吸引力。由玻璃纖維/聚丙烯膠帶制成的復(fù)合材料在價(jià)格上比鋁或鎂等輕質(zhì)金屬更具競爭力，并且成型過程快速且具有高度的設(shè)計(jì)自由度。