陳 晨，劉 站，高維升，付莎莎

（西安工程大學(xué)，陜西西安 710048）

碳纖維具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、模量高、耐腐蝕、低膨脹、抗疲勞、與生物體相容性好等優(yōu)異性能。碳纖維既具有碳材料的固有本征，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟及可加工性，碳纖維及其復(fù)合材料形成了一個(gè)嶄新的材料體系。其中，碳纖維二、三維織物是碳纖維復(fù)合材料中不可缺少的組成部分。以碳纖維織物為增強(qiáng)體的復(fù)合材料（CFRP）作為當(dāng)下先進(jìn)的高科技產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用于體育設(shè)備、建筑材料加固、交通、航空航天等領(lǐng)域。碳纖維及其織物憑借其優(yōu)異的性能已成為世界各國(guó)必不可少的重要材料[1]。國(guó)產(chǎn)碳纖維的生產(chǎn)現(xiàn)處在起步階段，在質(zhì)量上同國(guó)外產(chǎn)品有一定的差距。國(guó)產(chǎn)碳纖維在織造過(guò)程中，存在易起毛、易粘連、易斷頭等問(wèn)題[2]，給國(guó)產(chǎn)碳纖維織造技術(shù)提出了新課題。本課題主要介紹了碳纖維織物在國(guó)內(nèi)外的研究情況，并對(duì)其今后的發(fā)展提出了建議。

1 碳纖維平面織物的織造技術(shù)

常見(jiàn)的碳纖維平面織物主要分為：平紋、斜紋和緞紋三類紋路。其中，碳纖維絲束是從經(jīng)緯兩個(gè)方向相互交替疊放的。

1.1 碳布織造的難點(diǎn)

由于碳纖維絲本身具有脆性、摩擦系數(shù)大、斷裂韌性小的特點(diǎn)，碳纖維相對(duì)其它紗線織造起來(lái)比較困難。我國(guó)的碳纖維原絲性能與國(guó)外有一定的差距，所以采用常規(guī)織布機(jī)來(lái)織造碳纖維布往往容易發(fā)生起毛、斷線、碳纖維損失率高等問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)，碳纖維在導(dǎo)絲過(guò)程中損失率為7%～8%[3]，轉(zhuǎn)換成全年經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)上百萬(wàn)元。這給國(guó)產(chǎn)碳纖維編織工藝帶來(lái)了技術(shù)性難題。近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，影響碳纖維編織性能的兩大主要因素，一是碳纖維本身的特性，如纖維的斷裂韌性、摩擦系數(shù)、抗彎剛度等；二是編織工藝參數(shù)，如彎紗深度、牽拉力等[4]。

1.2 織布機(jī)的改進(jìn)

針對(duì)國(guó)內(nèi)碳纖維編織存在的問(wèn)題，有學(xué)者提出從增加紗架及張力控制兩方面來(lái)改進(jìn)織布設(shè)備。在采用碳纖維進(jìn)行織布時(shí)，由于碳纖維本身特性，為了解決工藝問(wèn)題，往往會(huì)除去整經(jīng)工序，并增加筒子架和張力機(jī)，把碳纖維從筒子架上引出到張力機(jī)進(jìn)行張力調(diào)整，以提高碳纖維的織造效率，降低纖維損耗。這是我國(guó)碳纖維平面織物織造領(lǐng)域關(guān)鍵性的一步。

2 碳纖維三維織物的織造技術(shù)

碳纖維三維機(jī)織物作為碳纖維復(fù)合材料的預(yù)制件，織物中的紗線相對(duì)于平面織物來(lái)說(shuō)不僅可以沿平面方向分布，而且還能沿織物厚度方向分布，可以把各層織物緊密連接在一起，其結(jié)構(gòu)為空間網(wǎng)狀類型?？椢锏娜S結(jié)構(gòu)將為復(fù)合材料提供良好的力學(xué)性能，主要在層間性能和沖擊損傷容限方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)[5]。

目前，碳纖維三維織物主要形式包括機(jī)織物、針織物、編織物等結(jié)構(gòu)。以上三類復(fù)合材料織物中機(jī)織物整體力學(xué)性能優(yōu)異，結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性好，應(yīng)用廣泛[6]。

2.1 三維機(jī)織物的特點(diǎn)

三維織物與傳統(tǒng)二維織物對(duì)比，具有以下優(yōu)秀特點(diǎn)，見(jiàn)表1。

表1 三維織物與傳統(tǒng)二維織物對(duì)比

碳纖維三維機(jī)織物具有良好的力學(xué)性能和層間性能，是目前市場(chǎng)上先進(jìn)的結(jié)構(gòu)織物。

2.2 碳纖維三維織機(jī)的改造

碳纖維三維織機(jī)的改造主要是以傳統(tǒng)織機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)，制造出改進(jìn)型織機(jī)和立體三維織機(jī)。

為了節(jié)約設(shè)備成本，大多用傳統(tǒng)織機(jī)對(duì)碳纖維紗線進(jìn)行三維織造。若要在傳統(tǒng)織機(jī)上織造碳纖維三維織物，則需要在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行一些工藝改進(jìn)，以適應(yīng)碳纖維本身的特性。

2.2.1 使用多軸編織或筒子架送料

經(jīng)紗在織造時(shí)各層的紗線用量不一樣，所以產(chǎn)生張力不一致，對(duì)于碳纖維這類高模量低延伸率的長(zhǎng)絲，使用筒子架送料有利于紗線張力的均勻控制，同時(shí)也避免了整經(jīng)工序?qū)μ祭w維的損傷。此方法的缺點(diǎn)是送料數(shù)量由筒子架限制，并且筒子架的尺寸很大。

2.2.2 增加定位分層裝置

增加定位分層裝置的主要目的是使經(jīng)紗穿過(guò)分層裝置時(shí)，一方面減少碳纖維紗線與綜眼之間的磨損，另一方面減少紗線之間的相互粘連、磨損。

2.2.3 采用間歇卷繞裝置和平行打緯機(jī)構(gòu)

采用間歇卷繞裝置和平行打緯機(jī)構(gòu)可使上下層的緯紗處于同一垂直面上。采用傳統(tǒng)織機(jī)織造碳纖維三維織物時(shí)，具有機(jī)械化程度高，織造方便等特點(diǎn)。傳統(tǒng)織機(jī)可以織造各類結(jié)構(gòu)的織物，但由于三維織物厚度很大，且傳統(tǒng)織機(jī)是單梭口織機(jī)，在每次引入紗線時(shí)，綜框都有多次的開(kāi)口，加之紗線與鋼筘、綜絲、本身相互磨損，最終造成碳纖維紗線起毛、斷線，甚至影響織造工藝的進(jìn)行。為了保證織造的連貫性，提升產(chǎn)品質(zhì)量，改進(jìn)碳纖維三維織造工藝是必要的。

為了提高效率，又要避免普通織機(jī)存在的上述缺陷，需要對(duì)織機(jī)開(kāi)口、引緯等機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。由于多梭口引緯的方式，在織物的織造原理上與常規(guī)織機(jī)相比沒(méi)有改變，所以稱之為改進(jìn)型織機(jī)。

2.3 碳纖維三維織機(jī)國(guó)內(nèi)外對(duì)比

目前，碳纖維三維機(jī)織物織造關(guān)鍵技術(shù)主要被美國(guó)、德國(guó)和英國(guó)等國(guó)家所掌握[7]。碳纖維三維機(jī)織復(fù)合材料在美國(guó)航空航天局ACT計(jì)劃支持下被廣泛深入研究。其中，美國(guó)波音公司和大西洋公司都先后制造出大型三維織機(jī)設(shè)備，國(guó)外眾多大學(xué)也對(duì)三維織造技術(shù)進(jìn)行廣泛的研究。亞洲等工業(yè)發(fā)展較快的國(guó)家也先后投入到碳纖維三維織物的織造研究中，我國(guó)對(duì)三維機(jī)織物的研究也已開(kāi)展。由于我國(guó)碳纖維三維織機(jī)設(shè)備還處于研究和實(shí)驗(yàn)階段，國(guó)內(nèi)的碳纖維三維織機(jī)目前還處于半機(jī)械的狀態(tài)，要達(dá)到連續(xù)地自動(dòng)化生產(chǎn)還需進(jìn)一步投入研究。目前，我國(guó)碳纖維三維機(jī)織工藝存在缺陷，織物質(zhì)量較低，僅限于小批量生產(chǎn)，設(shè)備在織造碳纖維時(shí)存在如起毛、易粘連、易斷頭等問(wèn)題有待解決。此外，我國(guó)碳纖維三維織物的幾何模型還僅僅是經(jīng)驗(yàn)、理論模型，對(duì)比其它工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家關(guān)鍵技術(shù)還相對(duì)落后。

3 碳纖維織物加工縫合技術(shù)

鑒于我國(guó)碳纖維三維織物的發(fā)展現(xiàn)狀，通過(guò)三維織物解決層間斷裂問(wèn)題，需要進(jìn)口國(guó)外先進(jìn)設(shè)備，成本較高。早前，美國(guó)ACT計(jì)劃和ALAFS計(jì)劃就曾提出可以利用縫紉技術(shù)作為一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)來(lái)解決碳纖維織物層間強(qiáng)度低，容易發(fā)生分層破壞等問(wèn)題，其優(yōu)點(diǎn)是縫紉是一項(xiàng)低成本的制造技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于民用行業(yè)。

碳纖維縫紉技術(shù)是采用縫紉的方式對(duì)碳纖維層織物沿厚度方向用高性能纖維增強(qiáng)。由于高性能纖維縫紉線的增強(qiáng)作用，阻止了層織物分層破壞，并大大提高了沖擊韌性和層間強(qiáng)度[8]。雖然不同種類的高性能纖維縫紉線對(duì)碳纖維布加固具有一定的增強(qiáng)作用，但在后處理的過(guò)程中，由于縫紉線和縫料的材質(zhì)不一樣，導(dǎo)致成型件整體的力學(xué)性能不高。為了發(fā)揮碳纖維織物應(yīng)有的力學(xué)性能，選擇碳纖維作為縫紉線更為合適。若采用碳纖維作為縫紉線，由于縫紉時(shí)的磨損，碳纖維縫紉線斷線問(wèn)題依然存在，這成為碳纖維織物加工縫紉的技術(shù)瓶頸。目前，國(guó)內(nèi)有關(guān)縫紉技術(shù)的專家做了相關(guān)的研究，在碳纖維縫紉斷線問(wèn)題上取得了突破性的進(jìn)展。

3.1 碳纖維縫紉線改性

針對(duì)碳纖維縫紉線在縫紉過(guò)程中起毛、斷線等問(wèn)題，一方面，可以通過(guò)外部方法對(duì)碳纖維進(jìn)行保護(hù)。有關(guān)學(xué)者提出，利用化學(xué)方法對(duì)碳纖維縫紉線進(jìn)行保護(hù)，通過(guò)上漿處理可降低縫紉線表面的摩擦系數(shù)，進(jìn)而減少纖維的損傷[9]，或是采用類似包芯紗的方法也可以提高縫紉性能，但此方法成本較高[10]。另一方面，可以通過(guò)對(duì)碳纖維縫紉線本身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)碳纖維縫紉線進(jìn)行適當(dāng)?shù)募幽?。加捻的作用是增加纖維的抱絲程度，減少纖維損傷數(shù)量，防止縫紉線折斷[11,12]。上述方法都在一定程度上降低了斷線率，但斷線問(wèn)題并沒(méi)有徹底解決。碳纖維縫線折斷的另一個(gè)原因是碳纖維無(wú)法承受縫紉過(guò)程中動(dòng)態(tài)張力和剪切力的作用，使原本損傷的縫線拽斷。研究發(fā)現(xiàn)，在張力或剪切力峰值附近，斷線率極高。

3.2 縫紉機(jī)機(jī)構(gòu)改進(jìn)

國(guó)內(nèi)通過(guò)縫紉機(jī)改進(jìn)的方式來(lái)降低碳纖維縫紉斷線率的研究較少，僅有在縫針針眼處增加滑輪和增設(shè)縫線放松裝置的方法[13,14]。增加滾輪的目的是為了減少碳纖維與針眼的磨損，增設(shè)縫線放松裝置是為了去除縫紉中的張力、剪切力。這兩種改進(jìn)機(jī)構(gòu)的方法都取得了一定的成效。

4 結(jié)語(yǔ)

雖然我國(guó)碳纖維織物織造工藝發(fā)展起步較晚，但我國(guó)的工業(yè)化水平正在不斷提高，制造高精度自動(dòng)化新設(shè)備的能力也在不斷增強(qiáng)。隨著國(guó)產(chǎn)碳纖維越來(lái)越多地投入到民用設(shè)施中，碳纖維織物織造具有廣闊的市場(chǎng)前景。針對(duì)國(guó)內(nèi)碳纖維織物織造的發(fā)展現(xiàn)狀，仍存在以下不足。

（1）國(guó)產(chǎn)碳纖維原絲的性能與國(guó)外差距較大，以至于在后期織造過(guò)程中出現(xiàn)一系列問(wèn)題。因此，研制出高性能優(yōu)質(zhì)碳纖維是我國(guó)碳纖維發(fā)展的首要任務(wù)。

（2）我國(guó)雖然已在碳纖維織造、縫紉斷線問(wèn)題上有了突破性的改進(jìn)，但碳纖維斷線問(wèn)題還未徹底解決，需進(jìn)一步研究。

（3）國(guó)內(nèi)碳纖維織造過(guò)度依賴國(guó)外先進(jìn)碳纖維三維織造設(shè)備，缺乏自主創(chuàng)新的信心，不利于我國(guó)碳纖維織物織造設(shè)備的研發(fā)。

碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展是一種機(jī)遇。期待在不久的將來(lái)，我國(guó)織造水平將趕超國(guó)外，在碳纖維領(lǐng)域擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)及核心競(jìng)爭(zhēng)力。