近年來，輕質(zhì)復(fù)合材料的需求正在不斷增長。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（圖1）。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。

圖1 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 300k 絲束，這對(duì) 12k 碳纖維絲束展絲無明顯的借鑒意義。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。展絲前后截面圖如圖2所示。

圖2 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。通常來說，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。圖3顯示了展絲前后碳纖維單向帶示意圖。

圖3 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“氣流牽引展絲技術(shù)”。在這種方法中，通過將12k長絲絲束通過配備有風(fēng)道和真空的擴(kuò)散區(qū)，真空通過風(fēng)道向下吸入空氣，當(dāng)空氣在真空的幫助下流過風(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。由于使用了低速氣流，因此在鋪展過程中不會(huì)損壞纖維長絲。利用這項(xiàng)技術(shù)，可將展開的絲束組裝成超薄的UD片材或機(jī)織物，并轉(zhuǎn)換成薄層。

2.1、Oxeon纖維展絲技術(shù)

2014年一家名為Oxeon的瑞典公司開發(fā)了一種商業(yè)上被稱為“TeXtreme”的展絲技術(shù)。目前尚缺乏關(guān)于Oxeon用于展絲技術(shù)的詳細(xì)信息。Oxeon鋪絲是通過將所需纖維的絲束擴(kuò)展成具有一定面積重量和寬度的UD帶（見圖4）中來生產(chǎn)的。

圖4 Oxeon展絲技術(shù)

絲束的鋪展在能夠保持寬度一致性的同時(shí)，可生產(chǎn)出極低面積重量的UD膠帶。所生產(chǎn)的兩種分散式UD膠帶比傳統(tǒng)的碳纖維膠帶薄得多，并且在同一區(qū)域填充了更多的材料，從而產(chǎn)生了更好的機(jī)械性能。

利用Oxeon技術(shù)生產(chǎn)的展絲帶（spread tow tapes，STT）通過交織所需纖維的展絲絲束帶來生產(chǎn)展絲絲束織物（STF）（圖5），從而獲得幾乎不卷曲的纖維直向織物，其結(jié)果是增強(qiáng)了交叉鋪層UD的機(jī)械性能，并易于處理織物。

圖5 Oxeon展絲編織織物

Oxeon技術(shù)適用于以任何角度的編織膠帶，這種方法通過以不同角度+α/-β（例如+45/-45、+30/-60、+50/-25等）交織兩組展開的絲束帶，實(shí)現(xiàn)新型織物的連續(xù)長度生產(chǎn)（見圖6）

圖6 具有一定角度的Oxeon展絲編織織物

2.2、Harmoni氣流纖維展絲技術(shù)

實(shí)現(xiàn)超輕復(fù)合材料的一種最新氣動(dòng)方法被稱為“展絲牽引技術(shù)”，它通過將牽引寬度從5mm增加到25mm，傳統(tǒng)的12k CF牽引（即由12000根細(xì)絲組成）變?。▓D7），從而將單位面積重量減少約500%。該方法是由福井縣工業(yè)技術(shù)中心與Harmoni合作開發(fā)的。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)碳纖維絲束展絲前后結(jié)構(gòu)示意圖

常規(guī)絲束的碳纖維穿過一個(gè)展絲攤鋪系統(tǒng)（圖8），該系統(tǒng)配有一個(gè)風(fēng)道和一個(gè)真空裝置，該真空裝置通過風(fēng)道向下吸入空氣，風(fēng)道由導(dǎo)輥控制到位。在真空的幫助下，絲束向氣流方向向下下垂，從而失去張力，并導(dǎo)致瞬間處于無張力狀態(tài)，此時(shí)帶有熱空氣的前后振動(dòng)展絲裝置（圖8中的1和2）打開并均勻地?cái)U(kuò)展絲束。流體速度由空氣流量調(diào)節(jié)器控制，以避免在展絲過程中損壞碳纖維。最終，通過這種空氣動(dòng)力學(xué)方法，纖維束可以簡單而安全地展開，然后用展開的纖維束制作薄層層板。

圖8 碳纖維絲束展絲系統(tǒng)

圖9顯示了當(dāng)前的展絲方法是如何借助氣流工作的，當(dāng)空氣在絲束兩側(cè)流動(dòng)時(shí)，靠近和遠(yuǎn)離絲束的氣流速度差會(huì)導(dǎo)致這些位置的壓力差。如最左邊的圖6所示，絲束附近的壓力大于較遠(yuǎn)絲束的壓力。壓差產(chǎn)生一種空氣動(dòng)力，幫助長絲纖維瞬間失去張力。當(dāng)絲束開始擴(kuò)展時(shí)，氣流在絲束之間流動(dòng)，以幫助絲束擴(kuò)展（圖9最右側(cè)）。

圖9 碳纖維絲束展絲時(shí)氣流作用原理

03、鋪展絲對(duì)熱固性/熱塑性復(fù)合材料影響

纖維束可以使用熱固性或熱塑性樹脂浸漬，形成FRP復(fù)合材料。與熱固性復(fù)合材料相比，連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料因具有許多優(yōu)點(diǎn)而受到越來越多的關(guān)注。其優(yōu)勢主要基于所用熱塑性聚合物的固有特性，如高斷裂韌性和損傷容限（更高的失效應(yīng)變）、固化前易于成型、制造速度更快且成本更低，原材料的保質(zhì)期更長，并且能夠重塑和重復(fù)使用。然而，這些材料的使用主要局限在次級(jí)結(jié)構(gòu)和半結(jié)構(gòu)性飛機(jī)部件。

為了使熱塑性復(fù)合材料對(duì)主要飛機(jī)結(jié)構(gòu)更具吸引力，必須提高性能/成本比。提高熱塑性復(fù)合材料的質(zhì)量可以在不增加額外成本的情況下顯著提高性能，而這可以通過使用這種展絲碳纖維來實(shí)現(xiàn)。

在以下內(nèi)容中，將介紹典型的研究案例，來討論不同形式的碳纖維鋪展絲（ carbon fibre spread tows， CFST）制成的復(fù)合材料的性能，主要包括單向UD、準(zhǔn)各向同性（QI）以及使用熱固性和熱塑性樹脂系統(tǒng)編織的復(fù)合材料。

3.1、鋪展絲對(duì)熱固性復(fù)合材料影響

國外的一項(xiàng)研究詳細(xì)評(píng)估了絲束展開的薄層層壓復(fù)合材料的性能。復(fù)合材料測試樣品由日本東麗的T800S碳纖維（24K）和 Bryte公司的環(huán)氧薄膜樹脂（BT250E-1）制成。展絲后的纖維鋪層厚度僅為0.04 mm，不到 0.125 毫米厚的常規(guī)鋪層的三分之一。

為了研究層壓復(fù)合材料的厚度效應(yīng)，使用T800S/BT250E-1和相同碳纖維的鋪展絲最終得到薄層（Thin）和厚層（Thick）層壓板。在薄層壓中，具有相同纖維取向的薄層分散在厚度方向上，如圖下圖10a所示，而在厚層壓中，具有相同纖維取向的五個(gè)薄層組合在一起，形成一個(gè)單一的厚層壓，如圖10b所示。因此，厚試樣中單層厚度為0.20 mm，是薄試樣中單層厚度的五倍。請(qǐng)注意，由于使用了相同數(shù)量的薄層，因此薄試樣和厚試樣的總厚度相同。

圖10 由薄層和厚層制成的復(fù)合材料試樣的顯微鏡圖片

隨后在循環(huán)荷載下測試了無缺口拉伸（UNT）試樣。疲勞狀態(tài)為頻率為 2 Hz、應(yīng)力比為 0.1 的拉張疲勞。最大應(yīng)力水平為483 MPa，約為試樣極限強(qiáng)度的60%。還監(jiān)測了疲勞載荷期間應(yīng)變的增加。首先，在疲勞加載之前施加靜載荷，以測量初始應(yīng)力-應(yīng)變曲線（0周），然后在1000、10000和50000次循環(huán)后停止疲勞加載，以測量自由邊緣附近的應(yīng)變。

圖11顯示了在50000次疲勞載荷循環(huán)后采集的薄試樣和厚試樣的X射線圖像。由于較高的層間應(yīng)力，厚試樣從試樣側(cè)面的自由邊緣開始顯示許多微裂紋和分層損傷，而薄試樣顯示很少或幾乎看不到損傷。

圖11 50000次疲勞載荷循環(huán)后采集的薄試樣和厚試樣的X射線圖像

研究還測試了循環(huán)載荷下復(fù)合材料試樣的開孔張力（open-hole tension，OHT）。層壓板由50%的[0°]、40%的[±45°]和10%的[90°]鋪層組成。這種疊層通常用于軸向載荷占主導(dǎo)地位的承載結(jié)構(gòu)，如飛機(jī)機(jī)翼。硬質(zhì)層壓板的鋪層順序?yàn)閇45/02/-45/90/45/02/-45/0]。硬薄和厚試樣的n值分別為5和1。疲勞條件為5Hz頻率和0.1應(yīng)力比下的拉伸疲勞。最大應(yīng)力水平為483 MPa，約為薄試樣OHT極限強(qiáng)度的70%。

圖12顯示了在73000次OHT疲勞載荷循環(huán)后采集的薄和厚試樣的X射線圖像。由于0°層的百分比較高，除了微裂紋和分層損傷外，預(yù)計(jì)還會(huì)出現(xiàn)劈裂損傷行為，如圖3所示，在該疊層中進(jìn)行73000次疲勞循環(huán)后，可以觀察到損傷量的存在顯著差異。

圖12 73000次OHT疲勞載荷循環(huán)后采集的薄和厚試樣的X射線圖像

最終得出結(jié)論，薄層可以進(jìn)一步用于混合層壓。薄層和厚層的混合使用有可能在不顯著提高布局成本的情況下實(shí)現(xiàn)高抗損傷復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

3.2、鋪展織物對(duì)熱塑性復(fù)合材料影響

圖13顯示了氣流絲束展開裝置，使用它將12k碳纖維絲束轉(zhuǎn)換為碳纖維展開絲束CFST。在每個(gè)卷筒管上纏繞100 m長的CFST，并生產(chǎn)了多個(gè)CFST，隨后將其用于專門設(shè)計(jì)用于將展開的絲束經(jīng)紗插入織機(jī)的筒子架上（見圖14）。與編織不同的是，展開裝置用于插入展開的絲束緯紗。

圖14 展絲后進(jìn)行絡(luò)筒

使用這兩種裝置（攤鋪裝置和織機(jī)），可以獲得CFSTs的機(jī)織物。圖15顯示了展開絲束的編織過程，包括開口、引緯和輸出編織的CFST片材。

圖15 展絲后編織過程：a）經(jīng)紗筒子架，b）開口前的經(jīng)紗下降，c）開口后的經(jīng)紗上升，以及d）生產(chǎn)的機(jī)織物。

為了研究生產(chǎn)的鋪展絲束編織物，制造了CFST編織物并使用聚苯硫醚（PPS）薄膜作為熱塑性基體來制造CFST層壓板。另一種則選用傳統(tǒng)CF絲束制成的層壓板用于比較。使用的原材料是：東麗12k碳纖維（CF）絲束、TenCate PPS薄膜和傳統(tǒng)CF/PPS 60/40 wt%預(yù)浸料（由TenCate制造）。

CF/PPS 60/40預(yù)浸料的編織圖案為緞紋5:1。在傳統(tǒng)的機(jī)織結(jié)構(gòu)中，緞紋組織提供了最小的卷曲角度，而且機(jī)織結(jié)構(gòu)中相鄰絲束的最接近，因此是CFST織物的有用對(duì)比材料。

復(fù)合材料的密度ρc根據(jù)ASTM D792方法A，使用以下方程式（ASTM，2008）進(jìn)行測量。

其中Wair是試樣在空氣中的重量，單位為克，Wliquid是試樣在浸入液體中的重量，單位為克，ρliquid是浸入液體的密度（g/cm3）。

使用水潤滑金剛石砂輪從面板上切下重量約為0.8 g的試樣；每種材料至少測試三個(gè)樣本。測量密度前，在100°C下干燥試樣24小時(shí)。將經(jīng)過處理的樣本在空氣中稱重，然后在脫鹽水燒杯中稱重（完全浸沒）。使用Mettler AE240分析天平（分辨率為1 mg）稱量樣本。

復(fù)合試樣的纖維體積分?jǐn)?shù)（Vf）和空隙率（VV）根據(jù)ASTM D 3171-09方法進(jìn)行測定。分別使用T700-CF和PPS樹脂的密度值1.8 g/cm3和1.35 g/cm3，以及以下關(guān)系計(jì)算纖維和樹脂的重量分?jǐn)?shù)Wf和Wm，以及相應(yīng)的Vf和Vm：

式中，Wc、ρc、Wf、ρf和Wm、ρm分別為復(fù)合材料試樣、纖維和基體的重量和密度。計(jì)算時(shí)假設(shè)復(fù)合材料中基體的密度與純樹脂（未增強(qiáng)）的密度相同。

用于密度測量的樣本重新干燥，然后在微波溶解器中用50毫升硝酸溶解。最高溫度設(shè)定為105℃，暴露時(shí)間設(shè)定為90分鐘。大約需要15分鐘才能達(dá)到最高溫度。PPS被熱濃硝酸充分溶解。冷卻后，液體和纖維通過燒結(jié)玻璃過濾器過濾，然后用蒸餾水和丙酮洗滌幾次，并在105°C下干燥過濾器。根據(jù)ASTM D 7264四點(diǎn)加載（見圖16）測定彎曲性能（強(qiáng)度、模量和破壞應(yīng)變）。

圖16 四點(diǎn)加載試驗(yàn)

彎曲試驗(yàn)在23℃±2℃和50%±10%RH（相對(duì)濕度）的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行，試驗(yàn)速度為10mm/min，使用Instron 5500螺桿驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)架，通過20kN稱重傳感器監(jiān)測載荷。使用ACT 100A線性可變位移傳感器測量位移。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，對(duì)荷載和位移進(jìn)行監(jiān)測，直至試驗(yàn)失效。模量計(jì)算的應(yīng)變范圍為0.001至0.003。 Instron Bluehill 材料測試軟件用于控制試驗(yàn)機(jī)，并收集和分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1列出了兩種層壓板的物理和機(jī)械性能。雖然層壓板A較輕，但兩種層壓板的測量密度相似。理論上，根據(jù)兩種層壓板中的纖維含量，層壓板A的密度應(yīng)為1.590 g/cc，層壓板B的密度應(yīng)為1.632 g/cc。因此，兩個(gè)層壓板獲得的較低密度值可能歸因于孔隙度，而層壓板B的孔隙度較高。

在表1中，層壓板A和B獲得的纖維體積分?jǐn)?shù)（Vf）分別為48.1%（即55.3 wt%）和51.2%（即58.5 wt%）。然而，較薄的層壓板A的纖維含量較低，其比強(qiáng)度（強(qiáng)度重量比）似乎優(yōu)于纖維含量較高的層壓板B。為了標(biāo)準(zhǔn)化兩個(gè)層壓板的機(jī)械性能，測定了兩個(gè)層壓板的比彎曲模量和比彎曲強(qiáng)度。

圖17和18顯示了兩種層壓板的光學(xué)橫截面，顯微照片可證明層壓板空隙含量的測量差異。對(duì)于層壓板B，空隙似乎位于絲束內(nèi)，即纖維之間和纖維沿線的局部干燥區(qū)域（見圖17B1、17B2和17b）。

圖17 兩種不同復(fù)合材料板微觀結(jié)構(gòu)圖（80μm）

可以推斷，在這些區(qū)域，纖維更緊密地結(jié)合在一起，空氣空間不容易被粘膠樹脂流穿透。相比之下，層壓板A的纖維間距要大得多（見圖17A1、17A2和17a），這使得PPS樹脂更容易流動(dòng)，纖維潤濕性更好，從而降低空隙率。

圖18 兩種不同復(fù)合材料板微觀結(jié)構(gòu)圖（200μm）

3.3、鋪展單向帶對(duì)熱塑性復(fù)合材料影響

通過碳纖維鋪展絲（ carbon fibre spread tows， CFST）會(huì)使長纖維間隔增大，因此在加工鋪展CF單向帶時(shí)需要采取特殊措施，以防止絲束在復(fù)合加工之前變得雜亂無章。換句話說，展絲后的穩(wěn)定性是很有必要的。

為此，設(shè)計(jì)了一種穩(wěn)定裝置，通過PPS無紡布來穩(wěn)定并熱粘合CF鋪展絲來生產(chǎn)連續(xù)的UD-CFST膠帶。試驗(yàn)時(shí)首先使用經(jīng)紗筒子架來形成UD板，但沒有成功，因?yàn)楂@得的UD板不令人滿意，纖維絲束間隙沒有得到填充（見圖19）。

圖19 使用經(jīng)紗筒子架來形成UD板，但纖維絲束存在明顯間隙

為了解決這一問題，最大限度地降低絲束之間的間隙，設(shè)計(jì)了一個(gè)新的筒子架，如圖20所示。圖中顯示的設(shè)備包括：用于展開CF鋪絲筒子架，用于最大限度地減少絲束間距的擺動(dòng)裝置，溫控加熱輥，用于監(jiān)測加熱材料的接觸和持續(xù)時(shí)間的加熱輥前后兩個(gè)導(dǎo)輥，熱塑性非織造布的頂部和底部進(jìn)料架，以及用于收集穩(wěn)定/熱粘合/干燥預(yù)浸料的卷繞管。

圖20 使用改進(jìn)后的裝置形成無明顯間隙的展絲UD帶

UD CFST可通過兩種方式用PPS進(jìn)行穩(wěn)定：單鍵干預(yù)浸料和雙鍵干預(yù)浸料。作為熱塑性非織造布的替代品，使用PPS薄膜等熱塑性薄膜來穩(wěn)定CFST（見圖21），然后生產(chǎn)UD CFST/PPS薄膜和面紗（見圖22）。

圖21 使用改進(jìn)裝置和薄膜穩(wěn)定來生產(chǎn)展絲UD帶

不同的層壓板由UD CFST/PPS干預(yù)浸料（圖22）、QI[0，45，90，-45，……0]s CFST/PPS和CF/PPS預(yù)固化預(yù)浸料（TenCate，HexcelAS4/PPS）制成。

圖22 最終生產(chǎn)展絲UD帶完成卷裝

相關(guān)測試結(jié)果顯示：由CFST/PPS制成的層壓板的大多數(shù)性能與由標(biāo)準(zhǔn)CF/PPS預(yù)浸料制成的層壓板的性能大致相同，但彎曲強(qiáng)度較低，這是因?yàn)镃FST的固結(jié)過程一次完成（即從干層到固結(jié)層壓板），但是傳統(tǒng)的預(yù)浸料已經(jīng)預(yù)固化，從而得到更好的后固化層壓板。

圖23顯示了由CFST/PPS和CF/PPS制成的層壓板的光學(xué)橫截面，CFST鋪層和傳統(tǒng)鋪層之間的孔隙率差異可歸因于所用樹脂（PPS）的熔體粘度。在CFST層壓板中，使用的樹脂為面紗/纖維形式，結(jié)晶度為67%，而對(duì)于CF層壓板，PPS粉末的結(jié)晶度為30%。眾所周知，結(jié)晶度較低的樹脂能夠?qū)崿F(xiàn)更好的流動(dòng)，從而降低孔隙率。

圖23 CFST/PPS（a）和CF/PPS（b）制成的層壓板的光學(xué)橫截面

為了測試所開發(fā)的CFST材料的懸垂性，制作了一個(gè)復(fù)雜的演示部件，如圖24所示。測量該蜂窩結(jié)構(gòu)的重量為20g，等效實(shí)心結(jié)構(gòu)的重量估計(jì)為186g，因此可使重量下降89%。

圖24 CFST制成的蜂窩結(jié)構(gòu)件