碳纤维复合材料预制体连续化织造纤维损伤影响研究_刘志艳.pdf

应用技术Weaving/Knitting Technology机织/针织技术纺织导报 China Textile Leader 2023 No.147碳纤维复合材料预制体连续化织造纤维损伤影响研究作者简介：刘志艳，女，1993年生，工程师，主要从事复合材料预制体工艺研究与开发。通信作者：张有信，工程师，E-mail：。作者单位：南京玻璃纤维研究设计院有限公司。基金项目：国家科技重大专项（2017VII00110106）。文|刘志艳张有信周海丽李超张立泉Abstract:In this paper,a single heald wear test platform is designed,which simulates the up and down movement of the heald during the weaving of preform,and the yarn tension can be controlled as a variable.Based on the carbon fiber raw materials and heald test platform,the fiber damage at the heald eye in the weaving process was explored,and the effects of carbon fiber varieties,twisting twists and twisting processes on the fiber damage were compared as well.The study found that G fiber has better wear resistance during the weaving process;the unidirectional twisting process can effectively reduce fiber damage.And the preliminary test showed that the best twisting parameter of 48K carbon fiber is 20 twists per meter.Key words:carbon fiber;twisting process;fiber damage;twist本文基于综丝磨损试验平台对碳纤维进行单根纤维磨损试验，其中包括不同种类碳纤维磨损试验、不同捻度碳纤维磨损试验、不同加捻工艺碳纤维磨损试验，通过对比分析，优选耐磨性佳的碳纤维品种，并深入探究加捻工艺对碳纤维损伤的影响。1纤维磨损试验平台1.1平台设计与搭建碳纤维丝束在连续化织造过程中的磨损主要发生在开口系统中金属综丝综眼处，因此针对该情况进行模拟碳纤维丝束在开口时磨损试验平台的设计与搭建（图 1），以模拟提花织机综丝的提综、平综及牵引的真实状态。为了保证磨损试验的样本量达到试验要求，本次试验以搭建完成的试验平台模拟开口系统，试验过程全程仿真在机状态开口动作及综丝运动情况，保证试验的合理性及有效性。Study on the Effect of Fiber Damage in Continuous Weaving of Carbon Fiber Composite Preform摘要：文章设计了单根综丝磨损试验平台，其采用模拟预制体织造时综丝上下运动形式，且纱线张力作为可控变量。基于碳纤维原料及磨损试验平台探究了纤维在织造过程中在综丝综眼处的损伤情况，对比了碳纤维品种、加捻捻度、加捻工艺等对纤维损伤的影响。研究发现G纤维在织造过程中耐磨性更佳，单向捻的加捻工艺可以有效降低纤维损伤，初步试验验证发现48K碳纤维的最佳加捻参数为20捻/m。关键词：碳纤维；加捻工艺；纤维损伤；捻度中图分类号：TS105 文献标志码：A目前碳纤维三维机织复合材料在航空航天、轨道交通、风力发电、汽车配件等众多领域广受青睐，一直是各个高校及科研单位的研究热点。为了适应市场的广泛需求，提高碳纤维机织复合材料预制体的织造效率，人们多采用连续化织造的方式进行碳纤维预制体的制备，但在预制体连续化制备过程中必然存在碳纤维丝束损伤问题，其主要原因之一为综丝综眼在提综、平综过程中对纤维丝束的磨损，因此，开展纤维原料及加捻工艺对纤维损伤的影响研究，对于促进预制体连续化织造方式的发展、提高碳纤维预制体织造效率有重要意义。DOI:10.16481/ki.ctl.2023.01.005应用技术Weaving/Knitting Technology机织/针织技术48纺织导报 China Textile Leader 2023 No.1图 1磨损试验平台设计与搭建试验平台设计思路为：送经装置，通过简化送经系统，采取碳纤维丝束配合配重锤，完成送经系统碳纤维纱线的恒张力放出及回收，配重锤的作用是保证纱线张力稳定，可通过改变配重锤的重量来实现不同张力下碳纤维纱线的连续送经。开口装置，装造部分均采用同尺寸装造零部件，通过小目板设置，可实现约10根综丝同时完成开口动作，目板以上为开口装置执行电机，采用电机连接开口提综卷取辊，通过卷取辊收卷通绳，从而带动综丝提起，完成模拟开口动作。卷取装置，采用收卷电机带动卷取辊完成卷取动作。在综丝前后端分别设置两组集束板，可防止因开口高度变化引起碳纤维纱线的过度跳动，前端集束板还可稳定织口位置，实现织口位置状态模拟。1.2磨损综丝型号选型基于纤维丝束磨损试验平台，优选适用于碳纤维连续化织造使用的综丝型号。本文在现有经验基础上选择了多类型综丝进行显微观察对比，分别选择综丝长度为350、300 mm，综眼大小为2.94 mm1.06 mm、4.76 mm2.06 mm、5.06 mm2.24 mm，综眼材质为碳钢镀镍、不锈钢镀镍，综眼形状为方形、椭圆形，综丝直径为0.4、0.63 mm等综丝参数进行横向对比。图 2 所示为各型综丝在LECIA DVM6电子显微镜下综眼处的显微照片，经过观察发现，不锈钢镀镍综丝的综眼光洁度高于碳钢镀镍，方圆孔综丝综眼粗糙度低于椭圆孔综眼。基于织造中的纤维损伤试验验证及综丝在穿纱过程的便利程度，优选不锈钢椭圆孔综眼作为后续试验综丝，其综眼大小为4.76 mm2.06 mm，综丝直径为0.4 mm。（a）方圆孔综丝 （b）碳钢镀镍综丝 （c）不锈钢综丝 （d）小棕眼综丝图 2各型综丝综眼显微照片1.3试验参数设计根据综丝试验平台设计磨损试验，应保证试验变量唯一，综丝长度、综丝开口高度保持一致，纤维磨损次数、磨损区域长度保持不变，试验张力由纤维一端悬挂的重锤提供。具体试验参数如表 1 所示。2加捻工艺碳纤维可根据碳纤维丝束中单丝数量分为不同的规格，如12K、24K、48K等，通常认为12K碳纤维纱为 1 股纱，不同规格经纱的加捻捻度与加捻方式存在差异。碳纤维加捻方式分为单向捻与股线捻两种，单向捻指多股碳纤维纱经过一次加捻成为一股S捻纱或Z捻纱的加捻工艺，股线捻指多股碳纤维经过第一次加捻后成为Z捻（S捻）纱后再次合股加捻为Z捻（S捻）纱的加捻工艺，图 2 为单向捻加捻工艺示意图，图 3 为股线捻加捻工艺示意图。图 2单向捻加捻工艺示意图注：（a）4 并 1 股线；（b）2 并 1 股线。图 3股线捻加捻工艺示意图3纤维损伤试验3.1不同种类碳纤维磨损试验为了对比不同纤维品种碳纤维的耐磨性，设计CCF00H 212K113（H纤维）与CCF00G 212K1111（G纤维）两种不同碳纤维的磨损对比试验。G纤维与H纤维的区别在于线密度的差异，G纤维的线密度（约450 tex）大于H纤维（445 tex）线密度，其光泽度也略有差异。方案设计如表 2 所示，分别对比了 3 种不同加捻工艺参数下的纤维损伤情况，每组磨损试验重复 3 次，更换试验综丝列记录结果，避免由不同列综丝装造等因素造成的试验误差。开口驱动装置模拟试验目板送经张力控制单列综丝装造收卷装置表 1试验参数项目参数公差范围综丝长度/mm6800开口高度/mm902磨损区域长度/mm131纤维张力/gf1005磨损次数/次1200（a）（b）应用技术Weaving/Knitting Technology机织/针织技术纺织导报 China Textile Leader 2023 No.149 3.2不同加捻工艺碳纤维磨损试验采用G纤维，在捻度为40捻/m条件下，选择48K纤维进行纤维单根综丝磨损试验，在捻度为15捻/m条件下，选择48K与24K两种纤维进行纤维单根综丝磨损试验，其中48K纱线采用 2 并 1 股线捻加捻形式，试验参数设置如表 3 所示。3.3不同捻度碳纤维磨损试验基于对原料品种及加捻工艺的优选，选择不同加捻捻度进行纤维耐磨性试验。采用G纤维，纤维规格为48K，加捻工艺为单向捻，进行 0、15、20、30、40捻/m不同捻度纤维的耐磨性试验，试验参数如表 4 所示。4结果分析4.1不同碳纤维品种磨损试验结果针对已设计的试验参数进行试验，磨损结果如表 5 所示，由表 5 可以看出，在不同的捻度、加捻工艺条件下，G纤维的耐磨性均优于H纤维，这可能与原材料的性能有一定关系，因为G纤维的强度、模量均优于H纤维，纤维线密度也相对较大。4.2不同加捻工艺碳纤维磨损试验结果不同捻度、不同规格碳纤维进行加捻工艺耐磨性优选试验的结果如表 6 所示。由表 6 中纱线磨损结果可知，单向捻与股线捻的加捻工艺对纤维损伤的影响并不大，单向捻的耐磨性略优于股线捻，同时单向捻纱线的截面更加接近于圆形，因此单向捻的纤维损伤较小。4.3不同捻度碳纤维磨损试验结果48K单向捻碳纤维纱线在不同捻度下的单综丝磨损试验结果如表 7 所示，由表 7 可以看出捻度越小，纤维损伤越大，其中捻度为20、30、40捻/m的纤维损伤情况差异不大，但考虑到大捻度会对其力学性能产生影响，因此在保证连续化顺利织造的同时选择相对较小的捻度。5结语本文对碳纤维复合材料预制体连续化织造的纤维损伤情况进行研究，通过一系列的试验探究发现G纤维的耐磨性较好，单向捻的加捻工艺能够降低纤维损伤，48K纤维的加捻捻度以20捻/m为较优选择。相关研究为碳纤维连续化织造提供了纤维品种、加捻工艺、捻度的选择依据。参考文献1 张晓鸣“上海造”碳纤维应用再获新突破N文汇报，202202132 张国亮，王士华，李志强，等改性碳纤维增强纸基摩擦材料摩擦磨损性能J润滑与密封，2020，45（1）：59663 孙延汽车轻量化中碳纤维的应用分析J粘接，2019，40（12）：1041064 严瑛，陈燕碳纤维技术发展趋势及应用J合成材料老化与应用，2018，47（5）：1341385 张国亮，王士华，李志强，等改性碳纤维增强纸基摩擦材料摩擦磨损性能J润滑与密封，2020，45（1）：5966表 2磨损对比试验方案设计序号品种加捻工艺1H纤维48K20S股线捻G纤维2H纤维48K40S单向捻G纤维3H纤维48K40S股线捻G纤维表 3试验参数序号原料品种纤维规格捻度/（捻m1）加捻工艺1CCF800G24K15股线捻单向捻248K15股线捻单向捻348K40股线捻单向捻表4试验参数序号原料品种纤维规格加捻工艺捻度/（捻m1）1CCF800G48K单向捻0215320430540表 7加捻捻度优选结果捻度/（捻m1）015203040磨损情况 表 5原料品种耐磨性优选结果纤维原料HGHGHG加捻工艺股线捻单向捻股线捻捻度/（捻m1）204040磨损情况表 6加捻工艺优选结果加捻工艺股线捻单向捻股线捻单向捻股线捻单向捻捻度/（捻m1）401515纱线规格48K24K48K磨损情况