一种低面密度低损伤高模碳纤维展纱装置、方法与流程

本发明属于复合材料，涉及一种低面密度低损伤高模碳纤维展纱装置、方法，主要用于轻量化航天器复材结构领域，尤其在大型、复杂、可变形复合材料结构制造领域具有很好的应用价值。

背景技术：

1、超薄预浸料在一些大型、复杂、可变形的复合材料结构制造中能发挥重要的作用，如薄壁结构采用超薄预浸料可以增强复合材料铺层方向的可设计性，能更好地满足薄壁件力学性能的要求。并且，合理地利用薄层，可以有效地提高基体抗裂纹扩展、抑制层间开裂，从而提高复合材料抵抗损伤的能力。纤维展纱(薄层化)是指通过一定的方法，在保证纤维的力学性能不会遭到破坏、纤维单丝在不发生断裂和出现起毛的情况下，通过一定的方法使纤维束展宽、展薄。碳纤维展纱是预浸料制备过程中的关节环节，实现碳纤维丝束高效、低损、高展宽比的分散，是研制高性能超薄预浸料的前提。在诸多薄层化处理的方法中，气流展纱具有成本低，展纱过程中纤维丝束不易断裂的优点，但气流展纱得到的纤维束不均匀，需要结合机械展纱进一步优化。

2、高模量碳纤维超薄预浸料制备存在很多技术问题，主要是展纱的难度大、薄层化效果不理想，其展纱厚度均匀性和损伤的控制是难点：

3、1.厚度均匀性差问题：相对于普通碳纤维，高模量碳纤维易发生断裂，靠传统机械碾压的方式损伤程度大且难以均匀展薄。

4、2.表面磨损问题：高模量碳纤维在展纱过程中经常出现纱毛，导致乱纱和断纱，影响生产效率和产品外观，材料性能得不到有效转换，产品性能不稳定。

5、所以高模量碳纤维低面密度展纱方法难度较大、工艺技术要求较高，国内技术尚未成熟。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种低面密度低损伤高模碳纤维展纱装置、方法，解决高模量碳纤维展纱厚度均匀性差和表面磨损问题。

2、本发明解决技术的方案是：第一方面，提出一种低面密度低损伤高模碳纤维展纱装置，包括预热模块、气流展纱腔室、横向摆动辊、一组机械展纱辊；

3、预热模块，用于通过加热使高模量碳纤维表面的上浆剂软化，减弱纤维之间的结合力；

4、气流展纱腔室，提供垂直于纤维前进方向的气流，使纤维弯曲下垂；

5、横向摆动辊，设置在气流展纱腔室之后，用于提供展纱的横向作用力，使各丝束之间的排布更加均匀；

6、一组机械展纱辊，用于对展纱的包覆角进行调节，并通过上下振动作用力以左右振动作用力释放张力，使纤维进一步均匀化。

7、进一步的，所述预热模块的加热方式包括辐射加热，加热温度选取100℃至150℃之间。

8、进一步的，所述气流展纱腔室提供的气流速度在5m/s至15m/s之间。

9、进一步的，所述横向摆动辊的振幅在5mm至15mm之间，频率在10hz至20hz之间。

10、进一步的，所述一组机械展纱辊包括张力辊组、上下振动辊、左右振动辊，纤维首先经过包覆角可调节的张力辊组，包覆角调节范围0～100°，之后经过上下振动辊和左右振动辊，进行张力释放，使纤维进一步均匀化。

11、进一步的，所述上下振动辊和左右振动辊，振幅在5mm至15mm之间，频率在10hz至20hz之间。

12、第二方面，提出一种低面密度低损伤高模碳纤维展纱方法，包括以下流程：

13、将高模量碳纤维分布均匀，经过预热使高模量碳纤维表面的上浆剂软化；

14、经过预热的高模量碳纤维进行气流展纱，气流垂直于纤维前进方向；

15、气流展纱后经过横向摆动辊，通过横向摆动辊的横向作用，使各丝束之间的排布更加均匀；

16、经过横向摆动辊后，先经过张力辊组，调节包覆角范围在0～100°之间，之后经过上下振动辊和左右振动辊，进行张力释放，完成展纱过程。

17、进一步的，预热方式包括辐射加热，加热温度选取100℃至150℃之间。

18、进一步的，所述气流展纱的气流速度在5m/s至15m/s之间。

19、进一步的，所述横向摆动辊、上下振动辊和左右振动辊，振幅在5mm至15mm之间，频率在10hz至20hz之间。

20、本发明与现有技术相比的有益效果是：

21、(1)本发明提供的一种低面密度低损伤高模碳纤维展纱方法，通过合理设计展纱方式和工艺参数，优化纤维运行路径，解决了高模量碳纤维展纱厚度均匀性差和表面磨损问题。具有可操作性强、产品性能稳定的特点，填补了国内高模量碳纤维低损伤均匀展薄的技术及制备方法的空白。

22、(2)本发明可应用于两步热熔法制备厚度≤0.03mm高模量碳纤维超薄预浸料，由其制成的层合板力学性能好、轻量化潜力大、高应变下的折叠适应性强、结构功能一体化设计自由度大，在航天器结构设计方面具有很大的灵活性和经济性，能够提高复合材料的结构效率。产品可满足国内高端用高模量碳纤维预浸料的使用要求，具有重大的实用价值和经济价值。

技术特征：

1.一种低面密度低损伤高模碳纤维展纱装置，所述高模碳纤维是指经过高温石墨化、模量更高的碳纤维，其特征在于，包括预热模块、气流展纱腔室、横向摆动辊、一组机械展纱辊；

2.根据权利要求1所述的一种低面密度低损伤高模碳纤维展纱装置，其特征在于，所述预热模块的加热方式包括辐射加热，加热温度选取100℃至150℃之间。

3.根据权利要求1所述的一种低面密度低损伤高模碳纤维展纱装置，其特征在于，所述气流展纱腔室提供的气流速度在5m/s至15m/s之间。

4.根据权利要求1所述的一种低面密度低损伤高模碳纤维展纱装置，其特征在于，所述横向摆动辊的振幅在5mm至15mm之间，频率在10hz至20hz之间。

5.根据权利要求1所述的一种低面密度低损伤高模碳纤维展纱装置，其特征在于，所述一组机械展纱辊包括张力辊组、上下振动辊、左右振动辊，纤维首先经过包覆角可调节的张力辊组，包覆角调节范围0～100°，之后经过上下振动辊和左右振动辊，进行张力释放，使纤维进一步均匀化。

6.根据权利要求5所述的一种低面密度低损伤高模碳纤维展纱装置，其特征在于，所述上下振动辊和左右振动辊，振幅在5mm至15mm之间，频率在10hz至20hz之间。

7.基于权利要求1～6任一项所述装置的一种低面密度低损伤高模碳纤维展纱方法，其特征在于，包括以下流程：

8.根据权利要求7所述的一种低面密度低损伤高模碳纤维展纱方法，其特征在于，预热方式包括辐射加热，加热温度选取100℃至150℃之间。

9.根据权利要求7所述的一种低面密度低损伤高模碳纤维展纱方法，其特征在于，所述气流展纱的气流速度在5m/s至15m/s之间。

10.根据权利要求7所述的一种低面密度低损伤高模碳纤维展纱方法，其特征在于，所述横向摆动辊、上下振动辊和左右振动辊，振幅在5mm至15mm之间，频率在10hz至20hz之间。

技术总结
本发明涉及一种低面密度低损伤高模碳纤维展纱装置、方法，包括预热模块、气流展纱腔室、横向摆动辊、一组机械展纱辊；预热模块，用于通过加热使高模量碳纤维表面的上浆剂软化，减弱纤维之间的结合力；气流展纱腔室，提供垂直于纤维前进方向的气流，使纤维弯曲下垂；横向摆动辊，设置在气流展纱腔室之后，用于提供展纱的横向作用力，使各丝束之间的排布更加均匀；一组机械展纱辊，用于对展纱的包覆角进行调节，并通过上下振动作用力以左右振动作用力释放张力，使纤维进一步均匀化。本发明解决了高模量碳纤维展纱厚度均匀性差和表面磨损问题，具有可操作性强、产品性能稳定的特点。

技术研发人员：靳楠,张鑫,武海生,李波,罗锦涛,赵臻璐,孙天峰,刘佳,黎昱,张建峰,于海静
受保护的技术使用者：北京卫星制造厂有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15