碳纤维织物的织造与发展

2018-02-26高维升付莎莎

纺织报告 2018年12期

陈晨，刘站，高维升，付莎莎

（西安工程大学，陕西西安 710048）

碳纤维具有质量轻、强度高、模量高、耐腐蚀、低膨胀、抗疲劳、与生物体相容性好等优异性能。碳纤维既具有碳材料的固有本征，又兼备纺织纤维的柔软及可加工性，碳纤维及其复合材料形成了一个崭新的材料体系。其中，碳纤维二、三维织物是碳纤维复合材料中不可缺少的组成部分。以碳纤维织物为增强体的复合材料（CFRP）作为当下先进的高科技产品，被广泛应用于体育设备、建筑材料加固、交通、航空航天等领域。碳纤维及其织物凭借其优异的性能已成为世界各国必不可少的重要材料[1]。国产碳纤维的生产现处在起步阶段，在质量上同国外产品有一定的差距。国产碳纤维在织造过程中，存在易起毛、易粘连、易断头等问题[2]，给国产碳纤维织造技术提出了新课题。本课题主要介绍了碳纤维织物在国内外的研究情况，并对其今后的发展提出了建议。

1 碳纤维平面织物的织造技术

常见的碳纤维平面织物主要分为：平纹、斜纹和缎纹三类纹路。其中，碳纤维丝束是从经纬两个方向相互交替叠放的。

1.1 碳布织造的难点

由于碳纤维丝本身具有脆性、摩擦系数大、断裂韧性小的特点，碳纤维相对其它纱线织造起来比较困难。我国的碳纤维原丝性能与国外有一定的差距，所以采用常规织布机来织造碳纤维布往往容易发生起毛、断线、碳纤维损失率高等问题。研究发现，碳纤维在导丝过程中损失率为7%～8%[3]，转换成全年经济损失可达上百万元。这给国产碳纤维编织工艺带来了技术性难题。近年来，相关学者通过大量实验发现，影响碳纤维编织性能的两大主要因素，一是碳纤维本身的特性，如纤维的断裂韧性、摩擦系数、抗弯刚度等；二是编织工艺参数，如弯纱深度、牵拉力等[4]。

1.2 织布机的改进

针对国内碳纤维编织存在的问题，有学者提出从增加纱架及张力控制两方面来改进织布设备。在采用碳纤维进行织布时，由于碳纤维本身特性，为了解决工艺问题，往往会除去整经工序，并增加筒子架和张力机，把碳纤维从筒子架上引出到张力机进行张力调整，以提高碳纤维的织造效率，降低纤维损耗。这是我国碳纤维平面织物织造领域关键性的一步。

2 碳纤维三维织物的织造技术

碳纤维三维机织物作为碳纤维复合材料的预制件，织物中的纱线相对于平面织物来说不仅可以沿平面方向分布，而且还能沿织物厚度方向分布，可以把各层织物紧密连接在一起，其结构为空间网状类型。织物的三维结构将为复合材料提供良好的力学性能，主要在层间性能和冲击损伤容限方面具有显著的优势[5]。

目前，碳纤维三维织物主要形式包括机织物、针织物、编织物等结构。以上三类复合材料织物中机织物整体力学性能优异，结构可设计性好，应用广泛[6]。

2.1 三维机织物的特点

三维织物与传统二维织物对比，具有以下优秀特点，见表1。

表1 三维织物与传统二维织物对比

碳纤维三维机织物具有良好的力学性能和层间性能，是目前市场上先进的结构织物。

2.2 碳纤维三维织机的改造

碳纤维三维织机的改造主要是以传统织机为基础进行改进，制造出改进型织机和立体三维织机。

为了节约设备成本，大多用传统织机对碳纤维纱线进行三维织造。若要在传统织机上织造碳纤维三维织物，则需要在原有的基础上进行一些工艺改进，以适应碳纤维本身的特性。

2.2.1 使用多轴编织或筒子架送料

经纱在织造时各层的纱线用量不一样，所以产生张力不一致，对于碳纤维这类高模量低延伸率的长丝，使用筒子架送料有利于纱线张力的均匀控制，同时也避免了整经工序对碳纤维的损伤。此方法的缺点是送料数量由筒子架限制，并且筒子架的尺寸很大。

2.2.2 增加定位分层装置

增加定位分层装置的主要目的是使经纱穿过分层装置时，一方面减少碳纤维纱线与综眼之间的磨损，另一方面减少纱线之间的相互粘连、磨损。

2.2.3 采用间歇卷绕装置和平行打纬机构

采用间歇卷绕装置和平行打纬机构可使上下层的纬纱处于同一垂直面上。采用传统织机织造碳纤维三维织物时，具有机械化程度高，织造方便等特点。传统织机可以织造各类结构的织物，但由于三维织物厚度很大，且传统织机是单梭口织机，在每次引入纱线时，综框都有多次的开口，加之纱线与钢筘、综丝、本身相互磨损，最终造成碳纤维纱线起毛、断线，甚至影响织造工艺的进行。为了保证织造的连贯性，提升产品质量，改进碳纤维三维织造工艺是必要的。

为了提高效率，又要避免普通织机存在的上述缺陷，需要对织机开口、引纬等机构进行改进。由于多梭口引纬的方式，在织物的织造原理上与常规织机相比没有改变，所以称之为改进型织机。

2.3 碳纤维三维织机国内外对比

目前，碳纤维三维机织物织造关键技术主要被美国、德国和英国等国家所掌握[7]。碳纤维三维机织复合材料在美国航空航天局ACT计划支持下被广泛深入研究。其中，美国波音公司和大西洋公司都先后制造出大型三维织机设备，国外众多大学也对三维织造技术进行广泛的研究。亚洲等工业发展较快的国家也先后投入到碳纤维三维织物的织造研究中，我国对三维机织物的研究也已开展。由于我国碳纤维三维织机设备还处于研究和实验阶段，国内的碳纤维三维织机目前还处于半机械的状态，要达到连续地自动化生产还需进一步投入研究。目前，我国碳纤维三维机织工艺存在缺陷，织物质量较低，仅限于小批量生产，设备在织造碳纤维时存在如起毛、易粘连、易断头等问题有待解决。此外，我国碳纤维三维织物的几何模型还仅仅是经验、理论模型，对比其它工业发达国家关键技术还相对落后。

3 碳纤维织物加工缝合技术

鉴于我国碳纤维三维织物的发展现状，通过三维织物解决层间断裂问题，需要进口国外先进设备，成本较高。早前，美国ACT计划和ALAFS计划就曾提出可以利用缝纫技术作为一项关键的技术来解决碳纤维织物层间强度低，容易发生分层破坏等问题，其优点是缝纫是一项低成本的制造技术，可广泛应用于民用行业。

碳纤维缝纫技术是采用缝纫的方式对碳纤维层织物沿厚度方向用高性能纤维增强。由于高性能纤维缝纫线的增强作用，阻止了层织物分层破坏，并大大提高了冲击韧性和层间强度[8]。虽然不同种类的高性能纤维缝纫线对碳纤维布加固具有一定的增强作用，但在后处理的过程中，由于缝纫线和缝料的材质不一样，导致成型件整体的力学性能不高。为了发挥碳纤维织物应有的力学性能，选择碳纤维作为缝纫线更为合适。若采用碳纤维作为缝纫线，由于缝纫时的磨损，碳纤维缝纫线断线问题依然存在，这成为碳纤维织物加工缝纫的技术瓶颈。目前，国内有关缝纫技术的专家做了相关的研究，在碳纤维缝纫断线问题上取得了突破性的进展。

3.1 碳纤维缝纫线改性

针对碳纤维缝纫线在缝纫过程中起毛、断线等问题，一方面，可以通过外部方法对碳纤维进行保护。有关学者提出，利用化学方法对碳纤维缝纫线进行保护，通过上浆处理可降低缝纫线表面的摩擦系数，进而减少纤维的损伤[9]，或是采用类似包芯纱的方法也可以提高缝纫性能，但此方法成本较高[10]。另一方面，可以通过对碳纤维缝纫线本身的结构进行改进，对碳纤维缝纫线进行适当的加捻。加捻的作用是增加纤维的抱丝程度，减少纤维损伤数量，防止缝纫线折断[11,12]。上述方法都在一定程度上降低了断线率，但断线问题并没有彻底解决。碳纤维缝线折断的另一个原因是碳纤维无法承受缝纫过程中动态张力和剪切力的作用，使原本损伤的缝线拽断。研究发现，在张力或剪切力峰值附近，断线率极高。