碳纖維纏繞工藝起毛影響因素研究

王華畢 程祖錦 趙飛 鄭磊 唐自佳 王立強 祖磊 扶建輝

摘 要? 為了減少碳纖維復(fù)合材料在纏繞過程中由于纖維與纏繞設(shè)備之間的摩擦產(chǎn)生斷絲起毛問題，從纖維本身和纏繞設(shè)備兩方面對其展開研究。首先結(jié)合掃描電子顯微鏡與原子力顯微鏡觀察纖維表面形貌，在微觀層面分析起毛原因；設(shè)計了一款碳纖維起毛量測試裝置用來測量不同工藝條件下纖維起毛量的變化，進而選取出最優(yōu)纏繞工藝條件。同時將優(yōu)化后的工藝條件應(yīng)用于試驗樣件的纏繞，顯著減少了碳纖維纏繞過程中纖維起毛的現(xiàn)象，提升了試驗樣件的力學性能。

關(guān)鍵詞? 碳纖維纏繞；起毛；紗寬；導(dǎo)紗桿材質(zhì)；導(dǎo)紗桿運動狀態(tài)

ABSTRACT? In order to reduce the fiber fuzzing phenomenon in the winding process of carbon fiber composite materials， research was conducted from both the fiber itself and the winding equipment. Firstly， the surface morphology of the fiber was observed by combining scanning electron microscopy and atomic force microscopy to analyze the fuzzing causes at the micro level; a carbon fiber fuzzing measurement device was designed to measure the changes of fiber fuzzing under different process conditions， and then the optimal winding process conditions were selected. At the same time， the optimized process conditions were applied to the winding of the test samples， which significantly reduced the fiber fuzzing phenomenon in the winding process of carbon fiber， and improved the mechanical performance of the test samples.

KEYWORDS? winding carbon fiber; hairiness; yarn width; material of yarn guide rod; motion state of yarn guide rod

1 引言

碳纖維復(fù)合材料密度很低，制品質(zhì)量非常??；力學性能優(yōu)異，其強度和彈性模量都很高；化學性能穩(wěn)定，不易腐蝕，使用壽命長。基于其優(yōu)良的性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、體育用品和醫(yī)療領(lǐng)域[1]。

復(fù)合材料殼體成型方法主要為纏繞成型，是指將纖維在紗架引出后，在浸膠槽內(nèi)與樹脂充分接觸后，經(jīng)過一系列導(dǎo)紗桿，通過絲嘴后在芯模上按照設(shè)定的軌跡進行纏繞。相比較干法纏繞，濕法纏繞的設(shè)備成熟，成本較低，可以充分發(fā)揮碳纖維特點，是目前生產(chǎn)產(chǎn)品的主要纏繞方式[2]。在濕法纏繞過程中，張力、樹脂浸潤性、纏繞速度等這些工藝參數(shù)對展紗寬度、樹脂含量等因素起關(guān)鍵性作用，共同影響產(chǎn)品的力學性能。因此，在實際生產(chǎn)時，如何保證這些工藝參數(shù)的穩(wěn)定性是關(guān)鍵[3，4]。濕法纏繞過程如圖 1所示。

碳纖維屬于脆性材料，在纏繞成型過程中會出現(xiàn)纖維損傷產(chǎn)生一定量的毛絲[5]，碳纖維起毛引起復(fù)合材料性能的降低，嚴重影響復(fù)合材料制品優(yōu)良性能的發(fā)揮；國產(chǎn)碳纖維在纏繞過程中磨損起毛的現(xiàn)象普遍存在[6，7]，有關(guān)纏繞過程中各環(huán)節(jié)對起毛的影響研究嚴重不足，嚴重制約國產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料性能的提升和應(yīng)用。如何減少纏繞過程中碳纖維絲束的斷絲起毛現(xiàn)象，對于碳纖維的研制、生產(chǎn)和使用都有重要意義。

在纏繞復(fù)合材料制品的過程中測試碳纖維絲束在不同工藝條件下的斷絲起毛程度，得到碳纖維纏繞的最佳工藝條件，對于充分發(fā)揮碳纖維復(fù)合材料的強度具有重要的指導(dǎo)意義。本文為獲得纏繞時碳纖維起毛量使用的方法是搭建簡易纏繞平臺，用海綿吸收碳纖維絲束表面的毛絲，然后使用電子天平稱量。

2 碳纖維絲束

2.1 實驗材料

本次實驗采用國產(chǎn)T700級碳纖維進行測試，碳纖維性能參數(shù)如表 1所示。

碳纖維樣件制備用樹脂：環(huán)氧樹脂 5313A、固化劑5313B為上海華誼樹脂有限公司生產(chǎn)；清洗設(shè)備用工業(yè)酒精為太倉新太酒精有限公司生產(chǎn)；起毛量測試用海綿為南通永嘉恒業(yè)海綿制品有限公司生產(chǎn)。

2.2 微觀層面研究

纏繞工藝過程中纖維紗束產(chǎn)生毛絲量的主要原因應(yīng)從纖維表面結(jié)構(gòu)形態(tài)和纏繞設(shè)備相關(guān)材料特性兩方面著手研究。首先觀察碳纖維微觀結(jié)構(gòu)，采用電子顯微鏡等方式探明碳纖維表面溝槽、缺陷以及粗糙度等表面特征，在微觀層面分析產(chǎn)生毛絲的原因。

2.2.1 掃描電子顯微鏡觀察

碳纖維單絲表面形貌是決定纏繞時纖維與纏繞設(shè)備之間摩損情況的主要因素，通常采用電子掃描電子顯微鏡（SEM）觀察碳纖維表面形貌和截面形狀，測量單絲直徑，分析組成成分和紡絲工藝[8-12]。

使用Gemini 500型掃描電子顯微鏡觀察碳纖維微觀形貌，本次實驗使用的放大倍數(shù)為2K和5K。測量碳纖維單絲直徑并進行統(tǒng)計分析，取六組，每組各五個測量數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值。通過電鏡觀察測量碳纖維單絲直徑的實驗結(jié)果如圖 2所示。

圖 2測量纖維直徑的方法為從六張SEM圖片中，每張圖片任意挑選5根碳纖維測量其直徑并記錄，得到該種碳纖維直徑的算數(shù)平均值為6.97μm。

通過掃描電子顯微鏡觀察到的碳纖維形貌圖如圖 3所示。

圖 3中 （a）與（b）為碳纖維表面微觀形貌，圖 3 中（c）與（d）為碳纖維截面的微觀形貌。由此可見，該碳纖維表面較為光滑，部分纖維表面有微小溝槽和顆粒；測試后纖維表面由于與導(dǎo)紗桿摩擦出現(xiàn)破損。碳纖維截面大部分為近似圓形樣式，小部分為魯洛克斯三角形樣式；在纏繞時纖維絲與導(dǎo)紗桿之間接觸面積不同，部分纖維受到磨損較大，是導(dǎo)致纖維起毛的主要原因。

掃描電子顯微鏡具有材料實時微區(qū)成分分析功能，使用掃描電子顯微鏡進行碳纖維絲束的化學元素成分分析如圖 4所示。

由圖 4顯示的分析結(jié)果可知，碳纖維單絲表面主要以碳（C）元素為主，還存在氧（O）元素和少量硅（Si）元素。這種元素構(gòu)成原因是碳纖維生產(chǎn)過程中用到的紡絲油劑和上漿劑中分別含有硅油和環(huán)氧樹脂，因此會檢測到氧元素與硅元素的存在；上漿劑顆粒的存在會導(dǎo)致纖維絲之間產(chǎn)生粘連，損傷纖維絲表面。

2.2.2 原子力顯微鏡觀察

使用專用雙面膠將剪裁好的碳纖維絲束分離出小束粘貼固定在載物片上，將試樣在雙面膠上粘牢，確保測試過程中試樣不會移動。使用Dimension Icon型原子力顯微鏡觀察，掃描范圍3μm×3μm，獲得碳纖維表面形貌圖、碳纖維表面粗糙度數(shù)值。

由圖 5可知，兩根碳纖維表面光滑、無褶皺和溝槽，測試后得到碳纖維的表面粗糙度，國產(chǎn)T700碳纖維表面算術(shù)平均粗糙度（Ra）為34.9nm，均方根粗糙度（Rq）為48.5nm。在文獻[8]中進口碳纖維表面算術(shù)平均粗糙度（Ra）為9.28nm，均方根粗糙度（Rq）為11.5nm。纖維表面粗糙度值較大，與導(dǎo)紗桿之間的磨損程度加劇，因此纖維表面粗糙度值較大是國產(chǎn)碳纖維在纏繞過程中起毛嚴重的重要原因，反應(yīng)了國產(chǎn)碳纖維生產(chǎn)的工藝水平與進口碳纖維生產(chǎn)技術(shù)之間還存在著一定的距離。

3 碳纖維纏繞過程起毛量影響因素

3.1 碳纖維起毛量測試裝置及方法

根據(jù)影響纖維磨損起毛的不同因素設(shè)計了一款纖維起毛量測試裝置來量化表征不同影響因素對纖維起毛的影響程度[13，14]，本裝置使用海綿來收集碳纖維絲束起毛量，測試裝置如圖 6所示。

根據(jù)不同因素對起毛量的影響，設(shè)計可以更改各影響因素參數(shù)的纖維起毛量測試裝置。纖維紗筒安裝在張力控制器上，用以提供纖維纏繞過程中額外施加的張力；纖維導(dǎo)紗桿穿過軸承與制動裝置，可更換不同材質(zhì)導(dǎo)紗桿，通過松緊制動裝置可更改導(dǎo)紗桿不同的運動狀態(tài)；收集毛絲的海綿前面的四根導(dǎo)紗桿可實現(xiàn)不同角度與不同高度的變化；絲嘴處安裝傳感器實時檢測出紗口纖維張力大小對張力控制器進行反饋；纖維纏繞速率由連接機床的計算機來控制。

該裝置設(shè)置了樹脂浸潤裝置，但是使用過程中發(fā)現(xiàn)浸潤樹脂后海綿吸收大量樹脂，影響纖維毛絲量的收集：部分毛絲隨樹脂與纖維從海綿中帶走；海綿被樹脂填充，不再吸收毛絲；大團毛絲與樹脂被海綿吸收時，形成阻礙加劇了海綿處毛絲的產(chǎn)生。由于以上原因仍采用干紗形式進行起毛量測試，以獲取各工藝因素對起毛量的影響規(guī)律。

測試方法為：將纖維紗筒固定在張力控制器上，牽引碳纖維依次通過七根直徑為10 mm的導(dǎo)紗桿，在纖維離開導(dǎo)紗桿后勻速從收集裝置的海綿之間通過，如圖 7所示，測試結(jié)束后，使用精度為0.01mg 的電子天平稱量收集到的碳纖維起毛量，作為纏繞系統(tǒng)對碳纖維的磨損程度的指標。規(guī)定常規(guī)測試時纏繞線速度為15 m/min，使用不銹鋼導(dǎo)紗桿，采用固定狀態(tài)，碳纖維測試長度為50 m，在海綿上施加的載荷為2.5N，每組測試五次，取測試結(jié)果的算術(shù)平均值記錄[15，16]。進行不同工藝起毛量測試時，更改相應(yīng)的工藝條件。

3.2 碳纖維起毛量測試

3.2.1 選擇合適的海綿進行測試

碳纖維起毛量測試裝置中負責收集毛絲的部分如圖 7所示。海綿上方蓋板施加壓力使其與碳纖維接觸，將表面的毛絲吸附到海綿上，由于不同規(guī)格的海綿對毛絲的吸附能力不同，為了保證海綿既不會對纖維絲束產(chǎn)生額外的磨損，又能夠?qū)y試產(chǎn)生的毛絲充分收集，需要進行不同海綿對纖維毛絲吸附能力的測試，選取三種不同型號海綿如圖 8所示。

分別使用三種密度海綿進行纖維經(jīng)過導(dǎo)紗桿和纖維不經(jīng)過導(dǎo)紗桿的纖維起毛量測試，稱量海綿上毛絲重量得到如圖 9所示結(jié)果。

如圖9測試結(jié)果所示，纖維經(jīng)過導(dǎo)紗桿的測試中，海綿上收集到的毛絲量由多到少分別為18kg/m3密度海綿、10kg/m3密度海綿和35kg/m3密度海綿，纖維未經(jīng)過導(dǎo)紗桿的測試中，海綿上收集到的毛絲量由多到少分別為10kg/m3密度海綿、18kg/m3密度海綿、35kg/m3密度海綿。此次測試的目的通過收集到的毛絲量來判斷，即找出纖維經(jīng)過導(dǎo)紗桿后收集到的毛絲量較多且纖維未經(jīng)過導(dǎo)紗桿后收集到的毛絲量較少的海綿。密度為10kg/m3的海綿，在纖維不過導(dǎo)紗桿時收集到的毛絲量偏多是因為該海綿表面對纖維磨損較大，不利于起毛量測試結(jié)果的準確性；密度為35kg/m3的海綿與纖維的磨損最小，但是在纖維經(jīng)過導(dǎo)紗桿測試時收集到的毛絲量過少，說明此種海綿吸附毛絲的能力較差，不利于毛絲的收集；進而選取密度為18kg/m3的海綿進行該纖維的起毛量測試。

3.2.2 展紗寬度對起毛量的影響測試

相鄰兩根導(dǎo)紗桿之間的距離與角度影響纖維絲束的展紗寬度[17，18]，纖維的展寬大小對于纖維毛絲量的收集和纖維與樹脂浸潤程度有一定的影響。影響纖維展寬的因素主要與相鄰兩根導(dǎo)紗桿之間的距離與角度有關(guān)，所以設(shè)置相關(guān)實驗進行驗證。

導(dǎo)紗桿排列位置如圖10所示，即相鄰兩根桿間距離L、桿間連線與水平線之間的角度α，主要影響了碳纖維與導(dǎo)紗桿之間的接觸面積，纖維與導(dǎo)紗桿之間接觸距離的圓心角為包角。包角增大，接觸時間變長，有利于纖維的充分展開，同時也會影響纏繞張力的大小。根據(jù)摩擦學理論，導(dǎo)紗桿后纖維張力T（φ）與包角φ之間的關(guān)系如公式（1）所示。

式中，μs為纖維與導(dǎo)紗桿之間的摩擦系數(shù)。由上式可知，纏繞張力隨著包角的增大而增大，而張力的變化與展紗寬度的變化成正比。因此，碳纖維的展紗寬度大小與包角φ的大小有關(guān)。

根據(jù)圖10中的導(dǎo)紗桿位置，得到包角φ與L及α的關(guān)系，如公式（2）所示。

從式（2）中可以發(fā)現(xiàn)，L減少、α增加均會使包角φ增加。因此，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)紗桿之間的相對位置來探究其對纖維展開寬度的影響，以及對纖維起毛量的影響，由圖 11可以看出，隨著導(dǎo)紗桿之間角度變大，展紗寬度與起毛量逐漸增加；隨著導(dǎo)紗桿之間高度變大，展紗寬度與起毛量逐漸降低。說明隨著展紗寬度增加，纖維內(nèi)部毛絲暴露出來，纖維受到磨損面積增加，從而增加了起毛量；反之起毛量下降。隨著導(dǎo)紗桿角度差增大，張力逐漸增大，纖維展寬逐漸增大，起毛量增加變快；隨著導(dǎo)紗桿高度差增大，張力逐漸變小，纖維展寬逐漸變小，起毛量增加變慢。所選碳纖維紗束在紗筒上寬度為6mm，所以在纏繞過程中認為達到該展寬即可達到均勻纏繞的目的，即使用導(dǎo)紗桿間角度差為50°～60°與100mm～150mm之間時，纖維展寬較好，不會在纏繞中對纖維產(chǎn)生過度磨損而發(fā)生起毛現(xiàn)象。

3.2.3 不同材質(zhì)導(dǎo)紗桿對起毛量的影響測試

纏繞過程中碳纖維在經(jīng)過導(dǎo)紗裝置時會發(fā)生磨損產(chǎn)生起毛現(xiàn)象[19]，從而影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的力學性能。

在纏繞過程中，纖維運動方向與導(dǎo)紗桿軸向方向垂直，纖維在運動過程中會與導(dǎo)紗桿之間產(chǎn)生摩擦對纖維磨損嚴重，從而纖維絲束產(chǎn)生起毛斷絲的現(xiàn)象；在纏繞過程中由于張力作用纖維與導(dǎo)紗桿接觸產(chǎn)生磨擦，增加了張力，然后張力的增加又增加了摩擦作用加劇了纖維的磨損；纖維磨損起毛后與樹脂結(jié)合時會產(chǎn)生毛細現(xiàn)象，降低樹脂對纖維的浸潤程度，從而影響復(fù)合材料制品的強度。目前常見作為導(dǎo)紗桿的材料有不銹鋼、鋁合金、尼龍、聚四氟乙烯等，因此分別使用以上四種材料作為導(dǎo)紗桿進行纖維起毛量測試，選擇出起毛量最少的導(dǎo)絲圓桿材質(zhì)，測試結(jié)果如圖 12所示。

通過圖12可知，將不同導(dǎo)絲圓桿材質(zhì)按照起毛量由少到多進行排列：聚四氟乙烯<玻纖<不銹鋼<鋁合金；根據(jù)對不同導(dǎo)紗桿測試后起毛量的排序，結(jié)合不同導(dǎo)絲圓桿材質(zhì)與纖維之間的摩擦系數(shù)的排序，可以發(fā)現(xiàn)碳纖維起毛量的多少與碳纖維和導(dǎo)絲圓桿之間摩擦系數(shù)的大小成正相關(guān)。

由以上結(jié)論可以得出，尼龍棒導(dǎo)紗桿在測試過程中與纖維之間磨損劇烈，起毛量最多且導(dǎo)紗桿也被磨損；聚四氟乙烯棒作為導(dǎo)紗桿時對碳纖維絲束的磨損較小，這是因為聚四氟乙烯材料的摩擦系數(shù)低，所以實際工藝中選擇聚四氟乙烯棒為導(dǎo)紗桿材質(zhì)對纖維磨損較小。

3.2.4 不同導(dǎo)紗桿運動狀態(tài)對起毛量的影響測試

纖維纏繞過程中，導(dǎo)紗桿運動狀態(tài)可以分為不隨纖維運動而運動的靜止狀態(tài)和隨纖維運動而運動的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)[20]。導(dǎo)紗桿處于不同的運動狀態(tài)時，纖維通過導(dǎo)紗桿產(chǎn)生的磨損不同，所以在不同運動狀態(tài)下碳纖維纏繞產(chǎn)生的起毛量不同，進而選擇出產(chǎn)生起毛量少的導(dǎo)紗桿運動狀態(tài)。本裝置通過松緊導(dǎo)紗桿穿過的制動裝置實現(xiàn)導(dǎo)紗桿固定與旋轉(zhuǎn)運動狀態(tài)的改變，測試結(jié)果如圖 13所示。

由圖 13可以看出，導(dǎo)紗桿在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時纖維起毛量較少，這是因為導(dǎo)紗桿處于滾動狀態(tài)下，導(dǎo)紗桿與纖維共同向前運動，二者之間摩擦方式由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，滾動摩擦的實質(zhì)為靜摩擦，這使得纖維與接觸部件間的摩擦力不會超過導(dǎo)紗桿滾動的最大阻力，當軸承的阻力很小時，纖維與接觸部件的摩擦力同樣很小，進而使得纖維與接觸部件的起毛量減少；在導(dǎo)紗桿處于靜止狀態(tài)時，導(dǎo)絲圓桿與纖維間為滑動摩擦，隨著纖維內(nèi)部張力的增大，纖維與接觸部件的正壓力變大，使得兩者之間的滑動摩擦力增大，進而引起起毛量的增大。

由以上結(jié)論可以得出，導(dǎo)紗桿處于運動狀態(tài)隨纖維共同向前滾動時，對纖維的磨損程度最小，選用合適的軸承改裝導(dǎo)紗桿，使其處于可滾動的狀態(tài)進行纏繞。

3.3 測試裝置應(yīng)用效果

為了驗證測試得到的工藝參數(shù)優(yōu)化效果，實際纏繞使用未經(jīng)過起毛測試的碳纖維纏繞樣件、起毛量少的工藝方案進行樣件纏繞進行性能測試與未進行改進的裝置纏繞樣件的性能進行對比，三種方案的復(fù)絲拉伸強度對比如圖 14所示。

由圖14可以發(fā)現(xiàn)未經(jīng)過起毛測試的纖維（原絲）與環(huán)氧樹脂結(jié)合制成的復(fù)絲平均拉伸強度為4630MPa；經(jīng)過未改進設(shè)備起毛測試的纖維（未改進設(shè)備測試）與環(huán)氧樹脂結(jié)合制成的復(fù)絲平均拉伸強度為4116MPa，該復(fù)絲拉伸強度為原絲強度的88.9%；經(jīng)過改進設(shè)備起毛測試的纖維（改進設(shè)備測試）與環(huán)氧樹脂結(jié)合制成的復(fù)絲平均拉伸強度為4434MPa，該復(fù)絲拉伸強度為原絲強度的95.8%。由此發(fā)現(xiàn)，以原絲的平均拉伸性能為標準改進后的纏繞設(shè)備將樣件性能提高了6.9%。單根纖維性能提升應(yīng)用到復(fù)合材料制品纏繞上將有更加顯著的性能提升，性能的提升即可在同等強度下減少纏繞層數(shù)，降低制品質(zhì)量，達到減重的目的。

4 結(jié)語

本文主要介紹了使用電子顯微鏡觀察碳纖維表面結(jié)構(gòu)與粗糙度分析；碳纖維纏繞過程不同工藝因素下對起毛量的影響程度，根據(jù)其影響規(guī)律選擇出合適的導(dǎo)紗桿間相對位置、導(dǎo)紗桿材質(zhì)、導(dǎo)紗桿運動形式，對纖維纏繞工藝做出指導(dǎo)，以提高復(fù)合材料制品性能。

（1）纖維原絲本身結(jié)構(gòu)形式與表面粗糙度是影響纏繞工藝中起毛量的重要因素，要提高纖維原絲制作技術(shù)，縮小與進口纖維之間的差距。

（2）通過增大桿間角度α、減小桿間距離L，能夠延長纖維和導(dǎo)紗桿之間的接觸時間，有利于纖維的充分展開，但是會增加纏繞時的張力。但α不可過大、L不可過小，不然會使纖維因所受張力過大而產(chǎn)生劈裂和纖維損傷，從而導(dǎo)致纏繞過程中纖維起毛量迅速增大。當兩桿之間位置關(guān)系α為50°～60°，L為100mm～150mm之間時，纖維展寬正常，不會在纏繞中對纖維產(chǎn)生過度磨損而發(fā)生起毛現(xiàn)象。

（3）導(dǎo)紗桿材質(zhì)選用聚四氟乙烯時，碳纖維與導(dǎo)紗桿之間的摩擦系數(shù)最小，通過測試后的纖維起毛量少于其他材質(zhì)導(dǎo)紗桿，對纖維的磨損較小，所以導(dǎo)紗桿材質(zhì)選用聚四氟乙烯材料，可以減小導(dǎo)紗過程中對纖維的磨損；而且使用中發(fā)現(xiàn)使用聚四氟乙烯材料表面不會殘留樹脂，避免了因為樹脂殘留的原因而導(dǎo)致的纖維起毛。

（4）纏繞時經(jīng)過固定導(dǎo)紗桿的纖維展紗寬度較大，經(jīng)過可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)紗桿的纖維展紗寬度較小。這是因為二者摩擦形式不同，固定導(dǎo)紗桿與纖維之間的摩擦力大于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)紗桿與纖維之間摩擦力，所以固定的導(dǎo)紗桿纖維起毛量多于旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)紗桿。在纏繞過程中使用滾動導(dǎo)紗桿來降低纖維的磨損。

對于本研究所用碳纖維與纏繞設(shè)備來說，導(dǎo)紗桿之間角度差為55°±5°、高度差為125mm±25mm，導(dǎo)紗桿材質(zhì)為聚四氟乙烯，導(dǎo)紗桿運動狀態(tài)為旋轉(zhuǎn)狀態(tài)是合適的工藝條件；實際纏繞中對選出各工藝參數(shù)的穩(wěn)定控制是制備高性能復(fù)合材料纏繞件的關(guān)鍵。

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