一文了解碳纤维的扩展丝束、技术发展及未来前景

何谓纤维扩展丝束？

扩展丝束是指将纤维分散到更薄、更平坦增强材料中的做法，例如，通常将5毫米宽的12K高强度碳纤维丝束散布到25毫米宽的胶带上。这种单向胶带可用于自动铺带（automated tape laying，ATL）和自动纤维放置（automated fiber placement，AFP）工艺中，也可用于生产薄机织物或多层非卷曲织物。

虽然目前也可以对玻璃纤维、芳纶纤维和其他聚合物纤维进行扩展丝束，但是碳纤维是推动丝束扩展技术的主要动力，因为从体育用品到航空航天等行业都在寻求更轻、更薄的复合材料。展开式纤维增强件的重量可以仅为15g/m2，厚度仅为0.02 mm。

据国外消息，目前全球使用的碳纤维80％在进一步加工之前就已经过了展丝，包括大多数50K、24K和部分12K碳纤维，它们比较小的1K、3K和6K丝束便宜，但可以通过展丝来生产重量小于300g/m2的高质量增强材料，如日本东丽公司用T700S 12K平纹织物制成的环氧树脂预浸料，其单位面积重量与3K丝束制成的织物相同，现在在火箭和太空结构中随处可见。

扩展丝束有何优势？

展丝技术可以定制单位面积重量以及其他属性，如抗裂纹展丝以提高损伤容限。展丝后的平整度意味着长丝比普通纤维中的长丝更平直，这样可以提高有效承载能力，并改善表面光洁度和美观。毫无疑问，展丝技术是标志性“机织外观”的起点，这种外观在体育用品，小型飞机和赛车应用中越来越常见。

据斯坦福大学荣誉教授、各向异性材料Tsai-Wu破坏准则的共同开发者Stephen Tsai博士说，展丝技术在层压板的设计中非常有效，这种层压板可以在第一层失效和最后一层失效前承受更大的应力（图1）。

图1 高性能复合材料结构的延迟层破坏

他提出的双角度CF多轴织物的想法是由法国Chomarat公司以C-PLY的形式推出（图2），通过将一层0°的薄纤维层与另一层浅角度的纤维层（如20°角）相结合，从而在无需高压釜时间或高成本的情况下，在树脂注入层压板中实现高压釜固化的单向预浸料性能。

图2 Chomarat公司的C-PLY制造工艺

展丝专用装备的发展史

现如今，有许多公司可以提供铺展丝束所需的设备，以及具有带功能的织物编织设备。胶带编织是指用胶带代替丝束进行编织的织物，它是1995年由瑞典查默斯技术大学的Nandan Khokar博士发明的。他于2002年介绍了自己的工作，当时学生Andreas Martsman和Henrik Blycker看到了复合材料零件制造商的潜在价值，并于2003年成立了Oxeon公司。

尽管Oxeon首先进入市场，但其他地区也在不断发展。在2001年的一项专利申请中，大丝束碳纤维生产商Zoltek详细介绍了一种碳纤维分离器设备，该设备使用了一个撑杆和两个或多个偏心分离器杆。就在同一年，后来成为瑞典北方薄层技术（NTPT）的创始人正开发旨在改善CF帆的薄层材料，这种薄层技术在2005年被Alinghi America's Cup游艇使用，并被NTPT姊妹公司美国North Sails冠以3Di品牌。NTPT现在出售薄预浸料（图3）以及用薄层材料制成的复合管材，并成功进入航空、船舶、汽车、体育用品和消费品市场。

图3 NTPT的15g/m2的预浸带

同样在2005年，澳大利亚波音飞机结构公司使用碳纤维制造商Hexcel开发的树脂注入和PrimeTex扩散丝束织物为波音787梦想飞机生产了超过9米长的后缘蒙皮。值得注意的是，PrimeTex织物在结构上是独一无二的，它使用专有技术编织织物，然后展开织物，使织物更平整（图4）。

图4 PrimeTex碳纤维织物使用展丝技术来缩小织造中的缝隙，以减少孔隙率，从而提高机械性能和表面质量

现在Hexcel PrimeTex碳纤维扩展丝束面料已广泛用于科里玛自行车车轮、菲舍尔滑雪板，以及空间、国防、汽车和船舶等领域（图5）。

图5 PrimeTex碳纤维织物在众多领域实现应用

德国的LIBA公司于2002年推出了用于生产CF多轴织物的MAX 5引纬机，2004年开发了展丝技术，于2007年推出了UD 500离线延展机，然后对该技术进行了修改。MAX 5设备可对碳纤维UD胶带进行纬纱插入，该机器还提供了以-45°至45°的角度放置离散层的能力，可按1°的增量进行调整。UD带可以在线扩展到227毫米宽，也可以离线扩展到254毫米宽。离线系统可以展开50K或60K纤维，并可以添加第二层来传播12K或24K丝束。LIBA于2014年被Karl Mayer（德国奥伯茨豪森）收购（图6）。

图6 Karl Mayer TC54在线筒子架扩散中的钢纤维/碳纤维混合胶带，是与空客公司、Quickstep合作的项目之一

展丝技术的前景

丝束扩展技术的未来前景如何？行业专业人士指出，丝束扩展需求的的增长不仅是为了美观，而且零件的刚性由于减少了卷曲可以提高20％，例如，对于相同的壁厚，使用20层展开式织物代替10层3K织物可获得更高的刚度。正因如此，胶带和胶带编织织物在结构加固领域应用的更多。 

另一个驱动因素是使用完全浸渍的热塑性胶带。这些材料的高抗冲击性对于汽车零件如门和保险杠非常有吸引力。由玻璃纤维/聚丙烯胶带制成的复合材料在价格上比铝或镁等轻质金属更具竞争力，并且成型过程快且具有高度的设计自由度。