陳 晨，劉 站，高維升，付莎莎

（西安工程大學，陜西西安 710048）

碳纖維具有質(zhì)量輕、強度高、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，碳纖維及其復合材料形成了一個嶄新的材料體系。其中，碳纖維二、三維織物是碳纖維復合材料中不可缺少的組成部分。以碳纖維織物為增強體的復合材料（CFRP）作為當下先進的高科技產(chǎn)品，被廣泛應用于體育設備、建筑材料加固、交通、航空航天等領域。碳纖維及其織物憑借其優(yōu)異的性能已成為世界各國必不可少的重要材料[1]。國產(chǎn)碳纖維的生產(chǎn)現(xiàn)處在起步階段，在質(zhì)量上同國外產(chǎn)品有一定的差距。國產(chǎn)碳纖維在織造過程中，存在易起毛、易粘連、易斷頭等問題[2]，給國產(chǎn)碳纖維織造技術提出了新課題。本課題主要介紹了碳纖維織物在國內(nèi)外的研究情況，并對其今后的發(fā)展提出了建議。

1 碳纖維平面織物的織造技術

常見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)緯兩個方向相互交替疊放的。

1.1 碳布織造的難點

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，碳纖維相對其它紗線織造起來比較困難。我國的碳纖維原絲性能與國外有一定的差距，所以采用常規(guī)織布機來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題。研究發(fā)現(xiàn)，碳纖維在導絲過程中損失率為7%～8%[3]，轉(zhuǎn)換成全年經(jīng)濟損失可達上百萬元。這給國產(chǎn)碳纖維編織工藝帶來了技術性難題。近年來，相關學者通過大量實驗發(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 織布機的改進

針對國內(nèi)碳纖維編織存在的問題，有學者提出從增加紗架及張力控制兩方面來改進織布設備。在采用碳纖維進行織布時，由于碳纖維本身特性，為了解決工藝問題，往往會除去整經(jīng)工序，并增加筒子架和張力機，把碳纖維從筒子架上引出到張力機進行張力調(diào)整，以提高碳纖維的織造效率，降低纖維損耗。這是我國碳纖維平面織物織造領域關鍵性的一步。

2 碳纖維三維織物的織造技術

碳纖維三維機織物作為碳纖維復合材料的預制件，織物中的紗線相對于平面織物來說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，其結構為空間網(wǎng)狀類型?？椢锏娜S結構將為復合材料提供良好的力學性能，主要在層間性能和沖擊損傷容限方面具有顯著的優(yōu)勢[5]。

目前，碳纖維三維織物主要形式包括機織物、針織物、編織物等結構。以上三類復合材料織物中機織物整體力學性能優(yōu)異，結構可設計性好，應用廣泛[6]。

2.1 三維機織物的特點

三維織物與傳統(tǒng)二維織物對比，具有以下優(yōu)秀特點，見表1。

表1 三維織物與傳統(tǒng)二維織物對比

碳纖維三維機織物具有良好的力學性能和層間性能，是目前市場上先進的結構織物。

2.2 碳纖維三維織機的改造

碳纖維三維織機的改造主要是以傳統(tǒng)織機為基礎進行改進，制造出改進型織機和立體三維織機。

為了節(jié)約設備成本，大多用傳統(tǒng)織機對碳纖維紗線進行三維織造。若要在傳統(tǒng)織機上織造碳纖維三維織物，則需要在原有的基礎上進行一些工藝改進，以適應碳纖維本身的特性。

2.2.1 使用多軸編織或筒子架送料

經(jīng)紗在織造時各層的紗線用量不一樣，所以產(chǎn)生張力不一致，對于碳纖維這類高模量低延伸率的長絲，使用筒子架送料有利于紗線張力的均勻控制，同時也避免了整經(jīng)工序?qū)μ祭w維的損傷。此方法的缺點是送料數(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)紗穿過分層裝置時，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構

采用間歇卷繞裝置和平行打緯機構可使上下層的緯紗處于同一垂直面上。采用傳統(tǒng)織機織造碳纖維三維織物時，具有機械化程度高，織造方便等特點。傳統(tǒng)織機可以織造各類結構的織物，但由于三維織物厚度很大，且傳統(tǒng)織機是單梭口織機，在每次引入紗線時，綜框都有多次的開口，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行。為了保證織造的連貫性，提升產(chǎn)品質(zhì)量，改進碳纖維三維織造工藝是必要的。

為了提高效率，又要避免普通織機存在的上述缺陷，需要對織機開口、引緯等機構進行改進。由于多梭口引緯的方式，在織物的織造原理上與常規(guī)織機相比沒有改變，所以稱之為改進型織機。

2.3 碳纖維三維織機國內(nèi)外對比

目前，碳纖維三維機織物織造關鍵技術主要被美國、德國和英國等國家所掌握[7]。碳纖維三維機織復合材料在美國航空航天局ACT計劃支持下被廣泛深入研究。其中，美國波音公司和大西洋公司都先后制造出大型三維織機設備，國外眾多大學也對三維織造技術進行廣泛的研究。亞洲等工業(yè)發(fā)展較快的國家也先后投入到碳纖維三維織物的織造研究中，我國對三維機織物的研究也已開展。由于我國碳纖維三維織機設備還處于研究和實驗階段，國內(nèi)的碳纖維三維織機目前還處于半機械的狀態(tài)，要達到連續(xù)地自動化生產(chǎn)還需進一步投入研究。目前，我國碳纖維三維機織工藝存在缺陷，織物質(zhì)量較低，僅限于小批量生產(chǎn)，設備在織造碳纖維時存在如起毛、易粘連、易斷頭等問題有待解決。此外，我國碳纖維三維織物的幾何模型還僅僅是經(jīng)驗、理論模型，對比其它工業(yè)發(fā)達國家關鍵技術還相對落后。

3 碳纖維織物加工縫合技術

鑒于我國碳纖維三維織物的發(fā)展現(xiàn)狀，通過三維織物解決層間斷裂問題，需要進口國外先進設備，成本較高。早前，美國ACT計劃和ALAFS計劃就曾提出可以利用縫紉技術作為一項關鍵的技術來解決碳纖維織物層間強度低，容易發(fā)生分層破壞等問題，其優(yōu)點是縫紉是一項低成本的制造技術，可廣泛應用于民用行業(yè)。

碳纖維縫紉技術是采用縫紉的方式對碳纖維層織物沿厚度方向用高性能纖維增強。由于高性能纖維縫紉線的增強作用，阻止了層織物分層破壞，并大大提高了沖擊韌性和層間強度[8]。雖然不同種類的高性能纖維縫紉線對碳纖維布加固具有一定的增強作用，但在后處理的過程中，由于縫紉線和縫料的材質(zhì)不一樣，導致成型件整體的力學性能不高。為了發(fā)揮碳纖維織物應有的力學性能，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，由于縫紉時的磨損，碳纖維縫紉線斷線問題依然存在，這成為碳纖維織物加工縫紉的技術瓶頸。目前，國內(nèi)有關縫紉技術的專家做了相關的研究，在碳纖維縫紉斷線問題上取得了突破性的進展。

3.1 碳纖維縫紉線改性

針對碳纖維縫紉線在縫紉過程中起毛、斷線等問題，一方面，可以通過外部方法對碳纖維進行保護。有關學者提出，利用化學方法對碳纖維縫紉線進行保護，通過上漿處理可降低縫紉線表面的摩擦系數(shù)，進而減少纖維的損傷[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，可以通過對碳纖維縫紉線本身的結構進行改進，對碳纖維縫紉線進行適當?shù)募幽怼＜幽淼淖饔檬窃黾永w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，但斷線問題并沒有徹底解決。碳纖維縫線折斷的另一個原因是碳纖維無法承受縫紉過程中動態(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 縫紉機機構改進

國內(nèi)通過縫紉機改進的方式來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。這兩種改進機構的方法都取得了一定的成效。

4 結語

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

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

（2）我國雖然已在碳纖維織造、縫紉斷線問題上有了突破性的改進，但碳纖維斷線問題還未徹底解決，需進一步研究。

（3）國內(nèi)碳纖維織造過度依賴國外先進碳纖維三維織造設備，缺乏自主創(chuàng)新的信心，不利于我國碳纖維織物織造設備的研發(fā)。

碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展是一種機遇。期待在不久的將來，我國織造水平將趕超國外，在碳纖維領域擁有自主知識產(chǎn)權及核心競爭力。