一种声波法与机械多辊筒法相结合大丝束碳纤维展开装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种声波法与机械多辊筒法相结合大丝束碳纤维展开装置，包括用于放置纤维束的放纱装置，其特征在于：纤维束自放纱装置引出后进入张力控制装置，由张力控制装置控制纤维束的表面张力并保证张力恒定，张力调整好的纤维束从压送辊和第二支撑辊之间通过后被引进预展纱装置，由预展纱装置采用声波扩纤法将纤维束预展开，预展开后的纤维束被引入主展纱装置，由主展纱装置采用机械多辊筒扩纤法将纤维束展开，展开后的纤维束通过牵拉收卷装置收卷。本发明提供的设备能有效的将大丝束碳纤维充分展开。
【专利说明】一种声波法与机械多辊筒法相结合大丝束碳纤维展开装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种声波法与机械多辊筒法相结合大丝束碳纤维展开装置。
【背景技术】
[0002]由于大丝束碳纤维，如48K、60K以至于360K、480K等的价格要比小丝束的便宜得多，大丝束售价只有小丝束的50% -60%使先进复合材料的成本可以大幅度降低。大丝束碳纤维和小丝束碳纤维一样，都可以制成复合材料，但材料和加工成本却相差很大。因为从石油原料到碳纤维，增值关系是I到3，而把碳纤维做成复合材料，增值到10，也就是说碳纤维在复合材料中的成本仅仅占25% -30%，后续纤维制品零件成型加工成本占70% -75%。选择低成本大丝束碳纤维可使后续加工节省一大部分成本，可以实现高性能碳纤维复合材料低成本化，满足航天航空、风电叶片和汽车制造等方面与日俱增的需求。
[0003]但是大丝束碳纤维存在随着纤维束根数增多而发生纤维的曲折、扭结的现象，且树脂基体不容易浸润到大丝束纤维束内部，单丝间容易产生孔隙，且容易造成纤维相和树脂相的富集与分离等缺陷，同时会随丝束直径增加，在复合材料成型过程中出现纤维屈曲及铺层角度错位的可能性也在增加，从而使复合材料强度、刚度受影响，力学性能降低、分散性大，不能满足结构设计的要求，无法发挥碳纤维增强材料高性能优势，这样造成了大丝束碳纤维大量应用尚有困难。
[0004]突破低成本大丝束碳纤维发挥高性能优势关键技术就是开发大丝束碳纤维展开技术，这在很大程度上能避免此类缺陷的产生。如果大丝束碳纤维展开足够宽，比如说传统50K碳纤维是6mm，利用碳纤维展开技术至4倍以上，可以比传统小丝束12K碳纤维更加轻薄，制得更为轻质的低成本高性能大丝束碳纤维复合材料。
[0005]目前，围绕大丝束碳纤维展开装置主要采用机械多滚筒方式，通过辊子滚压、左右摆动或上下震动方式将纤维束展宽拉薄，展开效果通过控制震动幅度，但展开宽度有限，至多两倍，若加大震动幅度易造成碳纤维折断，且震动频率受限制。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种能够有效将大丝束碳纤维束展开的设备。
[0007]为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种声波法与机械多辊筒法相结合大丝束碳纤维展开装置，包括用于放置纤维束的放纱装置，其特征在于:纤维束自放纱装置引出后进入张力控制装置，由张力控制装置控制纤维束的表面张力并保证张力恒定，张力调整好的纤维束从压送辊和第二支撑辊之间通过后被引进预展纱装置，由预展纱装置采用声波扩纤法将纤维束预展开，预展开后的纤维束被引入主展纱装置，由主展纱装置采用机械多辊筒扩纤法将纤维束展开，展开后的纤维束通过牵拉收卷装置收卷。
[0008]优选地，所述张力控制装置包括位于第一导纱罗拉与第一支撑辊之间的张力稳定辊，纤维束依次绕经第一导纱罗拉、张力稳定辊及第一支撑辊，在张力稳定辊上挂有重锤，通过改变重锤的重量来调整张力稳定辊的位置，在张力稳定辊的上方及下方分别安装有用于检测其上限位置的上限位置传感器及检测其下限位置的下限位置传感器。
[0009]优选地，通过所述张力控制装置控制纤维束的表面张力的步骤为:
[0010]通过改变所述重锤的重量，使所述张力稳定辊在其重力作用下有不同位移，从而改变了所述第一导纱罗拉与所述张力稳定辊之间及所述张力稳定辊与所述支承棍之间的距离，从而改变纤维束表面包角和张紧程度，达到控制纤维束表面张力的目的。
[0011]优选地，通过所述张力控制装置保证张力恒定的步骤为:
[0012]当行进中的纤维束的张力增大时，所述张力稳定棍向上移动，而张力减小时，则向下移动；当所述张力稳定辊到达其上限位置时，所述上限位置传感器检测到这样的位置并且将此结果信号反馈到所述放纱装置，增加放纱旋转速度，以便增加纤维束供给而使所述张力稳定棍下降；当所述张力稳定棍到达其下限位置时，所述下限位置传感器检测到这样的位置并且将此结果信号反馈到所述放纱装置，以便减少纤维束的供给而使所述张力稳定辊上升，这样纤维束的张力总是保持恒定。
[0013]优选地，所述预展纱装置包括低频发电机、功率放大器、扬声器、第一展纱辊及第二展纱辊，低频发电机与功率放大器相连，功率放大器连接扬声器，第一展纱辊及第二展纱辊布置在扬声器的出声口附近，纤维束依次绕经第一展纱辊及第二展纱辊后进入所述主展纱装置。
[0014]优选地，所述预展纱装置将纤维束预展开的步骤为:
[0015]利用所述低频发电机的电磁感应原理，将通电的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动产生变化的感应电流信号，由所述功率放大器将感应电流信号放大，接着变化的电流通过线圈，产生变化的磁场，从而让所述扬声器的膜片振动，引起四周空气的震荡，借助空气震荡使纤维束跟着不断振动，将纤维束展开。
[0016]优选地，所述低频发电机是在交变电压下工作，采用变频或者变压的形式；变频形式的低频发电机频率可选择范围20-50HZ ;变压形式的低频发电机电压可选择范围是4-12V ;所述扬声器装在密封的胶合板内，产生声波范围在80-130dB ;所述第一展纱辊及所述第二展纱辊的表面经过高抛光处理。
[0017]优选地，所述主展纱装置包括左右摆动的摆动杆、上下运动的震动杆、升降杆和固定杆，纤维束以S形依次绕经摆动杆、上下运动的震动杆、升降杆和固定杆。
[0018]优选地，所述主展纱装置将纤维束展开的步骤为:
[0019]由所述摆动杆向纤维束施加水平方向的拉力，同时由所述震动杆向纤维束施加垂直方向的拉力，从而使得纤维束被拉宽、变薄，所述震动杆在震动过程中，远离相邻的摆动杆及升降杆时，会受到相反作用力，纤维束会在震动杆作用下上下拉开，当靠近相邻的摆动杆及升降杆时，被拉长的纤维束会被抖散，以达到所需的宽度；改变升降杆上下位置，改变了升降杆和固定杆之间的距离，因此改变碳纤维的张紧和包角，稳定碳纤维的展开铺平效果。
[0020]本发明提供的设备能有效的将大丝束碳纤维充分展开。张力控制装置可以控制纤维束保持张力恒定；大丝束碳纤维展开过程中利用声波扩纤法和机械多辊筒扩纤法相结合的方式，可使使纤维束充分展开；为使纤维束避免在预展开过程中由于抖动使纤维束振散开，在利用声波扩纤法展开过程中，加了一对展纱辊，这样可以沿着振动棍表面均匀铺平，稳定碳纤维的展开铺平效果；更进一步，主展纱采用机械多辊筒展纱方式，使纤维束充分均匀展开，丝束展开宽度大原来纤维束的4倍。这种工艺可以使丝束扩展宽度宽，不起或少起毛，稳定性好，展宽后的纤维束平行伸展，纤维间交叉小，制得的复合材料空隙含量低等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本发明提供的一种声波法与机械多辊筒法相结合大丝束碳纤维展开装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0022]为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
[0023]结合图1，本发明提供的一种声波法与机械多辊筒法相结合大丝束碳纤维展开装置。利用声波扩纤法和机械多辊筒扩纤法相结合的方式展开大丝束碳纤维系统，包括用于放置纤维纱筒的纱架I构成的放纱装置10，纤维束缠绕在纤维纱筒上，纤维束由纱架I引出后经过第一导纱罗拉2.1被导入张力控制装置20。
[0024]张力控制装置20通过调节第一导纱罗拉2.1和第一支承棍6.1之间的张力稳定棍3的位置，调整纤维束表面张力。张力稳定辊3位置是由挂在它上面重锤4的质量决定的，通过改变重锤4重量，会使张力稳定辊3在其重力作用下有不同位移，改变了第一导纱罗拉2.1与张力稳定辊3之间及张力稳定辊3与第一支承棍6.1之间的距离，因此改变了纤维束表面包角和张紧程度，这样就可以控制纤维表面张力。同时为了保证纤维束张力恒定，在张力稳定辊3的上方、下方分别安装用于检测其上限位置的上限位置传感器5.1和用于检测其下限位置的下限位置传感器5.2。实现方式，当行进中的纤维束的张力增大时，张力稳定棍3向上移动，而张力减小时，则向下移动。然而，当张力稳定辊3到达其上限位置时，上限位置传感器5.1检测到这样的位置并且将此结果信号反馈到放纱装置10，增加放纱旋转速度，以便增加纤维束供给而使张力稳定棍3下降。相反，当张力稳定棍3到达其下限位置时，下限位置传感器5.2检测到这样的位置并且将此结果信号反馈到放纱装置10，以便减少纤维束的供给而使张力稳定辊3上升，这样纤维束张力总是保持恒定。
[0025]将张力调整好的纤维束从压送辊7和第二支撑辊6.2之间通过。压送辊旋转方向与纤维束喂入方向一致，是单方向旋转的，以便防止纤维束被拉回。
[0026]纤维束由第二导纱罗拉2.2引进预展纱装置30。预展纱装置30即声波扩纤装置，利用低频的声波在气体介质中振动丝束，使丝束展开。该装置由低频发电机8、功率放大器
9、扬声器11、第一展纱辊12.1、第二展纱辊12.2组成。首先利用低频发电机8的电磁感应原理，将通电的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动产生变化的感应电流，功率放大器9将电信号放大，接着变化的电流通过线圈，产生变化的磁场，从而让扬声器11的膜片振动，引起四周空气的震荡，借助空气震荡使纤维束跟着不断振动，将纤维束展开。简单的说，低频发电机8将机械能转化为电能，功率放大器9将该电信号放大，扬声器11就是电信号转化为声波释放，声波引起空气扩散和振动，借助空气振动纤维束，使纤维束展开。第一展纱辊12.1及第二展纱辊12.2作用是为了使纤维束上有合适的张力，防止纤维的垂直抖动减少纤维的损伤。扬声器11的电阻是8欧姆、功率为100瓦特。低频发电机8是在交变电压下工作，采用变频或者变压的形式。变频形式低频发电机8频率可选择范围20-50HZ。变压形式低频发电机8电压可选择范围是4-12V。扬声器11装在密封的胶合板内，产生声波范围在80-130dB。第一展纱辊12.1及第二展纱辊12.2的表面经过高抛光处理。
[0027]预展开纤维束被引入主展纱装置40。主展纱装置40利用机械多滚筒之间相互作用将纤维束扩展和分散。它是由一根左右摆动的摆动杆13、一根上上下运动的震动杆14、一根升降杆15和一根固定杆16组成。将一束纤维以S形绕过摆动杆13、上下运动的震动杆14、升降杆15和固定杆16。由摆动杆13向纤维束施加水平方向的拉力，同时由震动杆14向纤维束施加垂直方向的拉力，从而使得纤维束被拉宽、变薄。震动杆14在上下震动过程中，当背离摆动杆13及升降杆15方向运动时，会受到相反作用力，纤维束会在震动杆14作用下上下拉开，当靠近摆动杆13及升降杆15方向运动时，被拉长的纤维束会被抖散，以达到所需的宽度。改变升降杆15上下位置，改变了升降杆15和固定杆16之间的距离，因此改变碳纤维的张紧和包角，稳定碳纤维的展开铺平效果。
[0028]最后纤维束通过牵拉收卷装置50。牵拉卷曲装置50中，纤维束从第一牵拉辊17.1及第二牵拉辊17.2中间通过，展开纤维束以稳定速度行进，这样纤维束表面张力一致。第一牵拉辊17.1及第二牵拉辊17.2表面由硅橡胶。经过牵拉区的纤维束最终被收纱筒18收卷。
【权利要求】
1.一种声波法与机械多辊筒法相结合大丝束碳纤维展开装置，包括用于放置纤维束的放纱装置(10)，其特征在于:纤维束自放纱装置(10)引出后进入张力控制装置(20)，由张力控制装置(20)控制纤维束的表面张力并保证张力恒定，张力调整好的纤维束从压送辊(7)和第二支撑辊(6.2)之间通过后被引进预展纱装置(30)，由预展纱装置(30)采用声波扩纤法将纤维束预展开，预展开后的纤维束被引入主展纱装置(40)，由主展纱装置(40)采用机械多辊筒扩纤法将纤维束展开，展开后的纤维束通过牵拉收卷装置(50)收卷。
2.如权利要求1所述的一种声波法与机械多辊筒法相结合大丝束碳纤维展开装置，其特征在于:所述张力控制装置(20)包括位于第一导纱罗拉(2.1)与第一支撑辊(6.1)之间的张力稳定辊(3)，纤维束依次绕经第一导纱罗拉(2.1)、张力稳定辊(3)及第一支撑辊(6.1)，在张力稳定辊(3)上挂有重锤(4)，通过改变重锤(4)的重量来调整张力稳定辊(3)的位置，在张力稳定辊(3)的上方及下方分别安装有用于检测其上限位置的上限位置传感器(5.1)及检测其下限位置的下限位置传感器(5.2)。
3.如权利要求2所述的一种声波法与机械多辊筒法相结合大丝束碳纤维展开装置，其特征在于:通过所述张力控制装置(20)控制纤维束的表面张力的步骤为: 通过改变所述重锤(4)的重量，使所述张力稳定辊(3)在其重力作用下有不同位移，从而改变了所述第一导纱罗拉(2.1)与所述张力稳定辊(3)之间及所述张力稳定辊(3)与所述支承棍(6.1)之间的距离，从而改变纤维束表面包角和张紧程度，达到控制纤维束表面张力的目的。
4.如权利要求2所述的一种声波法与机械多辊筒法相结合大丝束碳纤维展开装置，其特征在于:通过所述张力控制装置(20)保证张力恒定的步骤为: 当行进中的纤维束的张力增大时，所述张力稳定棍(3)向上移动，而张力减小时，则向下移动；当所述张力稳定辊(3)到达其上限位置时，所述上限位置传感器(5.1)检测到这样的位置并且将此结果信号反馈到所述放纱装置(10)，增加放纱旋转速度，以便增加纤维束供给而使所述张力稳定棍(3)下降；当所述张力稳定棍(3)到达其下限位置时，所述下限位置传感器(5.2)检测到这样的位置并且将此结果信号反馈到所述放纱装置(10)，以便减少纤维束的供给而使所述张力稳定辊(3)上升，这样纤维束的张力总是保持恒定。
5.如权利要求1所述的一种声波法与机械多辊筒法相结合大丝束碳纤维展开装置，其特征在于:所述预展纱装置(30)包括低频发电机(8)、功率放大器(9)、扬声器(11)、第一展纱辊(12.1)及第二展纱辊(12.2)，低频发电机(8)与功率放大器(9)相连，功率放大器(9)连接扬声器(11)，第一展纱辊(12.1)及第二展纱辊(12.2)布置在扬声器(11)的出声口附近，纤维束依次绕经第一展纱辊(12.1)及第二展纱辊(12.2)后进入所述主展纱装置(40)。
6.如权利要求5所述的一种声波法与机械多辊筒法相结合大丝束碳纤维展开装置，其特征在于:所述预展纱装置(30)将纤维束预展开的步骤为: 利用所述低频发电机(8)的电磁感应原理，将通电的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动产生变化的感应电流信号，由所述功率放大器(9)将感应电流信号放大，接着变化的电流通过线圈，产生变化的磁场，从而让所述扬声器(11)的膜片振动，引起四周空气的震荡，借助空气震荡使纤维束跟着不断振动，将纤维束展开。
7.如权利要求5所述的一种声波法与机械多辊筒法相结合大丝束碳纤维展开装置，其特征在于:所述低频发电机(8)是在交变电压下工作，采用变频或者变压的形式；变频形式的低频发电机(8)频率可选择范围20-50HZ ;变压形式的低频发电机(8)电压可选择范围是4-12V;所述扬声器(11)装在密封的胶合板内，产生声波范围在80-130dB ;所述第一展纱辊(12.1)及所述第二展纱辊(12.2)的表面经过高抛光处理。
8.如权利要求1所述的一种声波法与机械多辊筒法相结合大丝束碳纤维展开装置，其特征在于:所述主展纱装置(40)包括左右摆动的摆动杆(13)、上下运动的震动杆(14)、升降杆(15)和固定杆(16)，纤维束以S形依次绕经摆动杆(13)、上下运动的震动杆(14)、升降杆(15)和固定杆(16)。
9.如权利要求8所述的一种声波法与机械多辊筒法相结合大丝束碳纤维展开装置，其特征在于:所述主展纱装置(40)将纤维束展开的步骤为: 由所述摆动杆(13)向纤维束施加水平方向的拉力，同时由所述震动杆(14)向纤维束施加垂直方向的拉力，从而使得纤维束被拉宽、变薄，所述震动杆(14)在震动过程中，远离相邻的摆动杆(13)及升降杆(15)时，会受到相反作用力，纤维束会在震动杆(14)作用下上下拉开，当靠近相邻的摆动杆(13)及升降杆(15)时，被拉长的纤维束会被抖散，以达到所需的宽度；改变升降杆(15)上下位置，改变了升降杆(15)和固定杆(16)之间的距离，因此改变碳纤维的张紧和包角，稳定碳纤维的展开`铺平效果。
【文档编号】D02J1/18GK103757784SQ201410028093
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月22日 优先权日:2014年1月22日
【发明者】李炜, 李蓓蓓, 朱家强, 王滨 申请人:东华大学, 上海晋飞复合材料科技有限公司, 上海晋飞日精复合材料有限公司