近年来，轻质复合材料的需求正在不断增长。目前最常用的技术是将 3k 碳纤维丝束用于机织预成型，而将传统的 12k碳纤维丝束用于 UD。但是最近，人们对使用12k 碳纤维丝束制造超轻质复合材料产生了浓厚的兴趣。
12k碳纤维及其展丝：a）6mm宽的原始纤维；b）12mm宽的扩展丝束；c）20mm宽的扩展丝
相比于3k丝束而言，12k丝束碳纤维成本要低得多。在本公众号前期撰稿文章《高性能碳纤维的价格影响因素分析》（阅读原文）提到根据日本东丽公司提供相关数据，其旗下某型号碳纤维3k规格产品的成本为50-70美元/kg，6k规格产品的为40-50美元/kg，但当产品为12k规格碳纤维时，其成本可下降到不足30美元/kg。
尽管展丝是一种用于超轻材料的新技术，但一些制造商使用的技术仍是基于对旧纺织方法的改进，比如用于展开 300k 丝束，这对 12k 碳纤维丝束展丝无明显的借鉴意义。采用气流法将常规/标准纤维丝束转化为具有悬垂性、抗损伤性、抗疲劳和抗冲击性、节能和低CO2排放等优点的超细铺展纤维束，可实现增强铺展。
展丝前后丝束截面图，左侧为标准丝束，右侧为展丝后示意图
展丝后复合材料结构在机械和热负荷下可能会受到影响。通常来说，层压复合材料的损伤行为是横向微裂纹、纤维断裂和分层。通常，当第一层失效时，整个铺层厚度的横向微裂纹就会发生，随后出现分层损伤。纤维断裂通常发生在损伤的最后阶段。根据第一层失效理论，层厚度在控制复合材料力学性能，即抗失效性方面起着关键作用：层越薄，性能越好。根据相关研究，由薄层制成的复合材料通常在失效前达到的最大强度更大。与传统丝束制成的层压板相比，扩展丝束层压板在静态、冲击和疲劳载荷下具有更好的抗微裂纹、分层和劈裂损伤的强度。
展丝前后碳纤维单向带示意图，展丝后单向带纤维实现均匀分散，不但具有超轻、超薄结构，还易于后处理和机械化加工
目前有多种制造薄层的技术，其中，最有前途和最具成本效益的方法是通过“气流牵引展丝技术”。在这种方法中，通过将12k长丝丝束通过配备有风道和真空的扩散区，真空通过风道向下吸入空气，当空气在真空的帮助下流过风道时，丝束沿气流方向向下下垂，从而失去张力，并导致瞬间处于无张力状态；均匀的气流在丝束上不断运转，丝束连续稳定地展开。由于使用了低速气流，因此在铺展过程中不会损坏纤维长丝。利用这项技术，可将展开的丝束组装成超薄的UD片材或机织物，并转换成薄层。
在下一期文章中会详细介绍这种气流分丝技术，敬请期待……
原文始发于微信公众号（艾邦高分子）：碳纤维增强树脂基复合材料的丝束扩展技术（一）：背景介绍