近年來，輕質復合材料的需求正在不斷增長。目前最常用的技術是將 3k 碳纖維絲束用于機織預成型，而將傳統的 12k碳纖維絲束用于 UD。但是最近，人們對使用12k 碳纖維絲束制造超輕質復合材料產生了濃厚的興趣。

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12k碳纖維及其展絲：a）6mm寬的原始纖維；b）12mm寬的擴展絲束；c）20mm寬的擴展絲

相比于3k絲束而言，12k絲束碳纖維成本要低得多。在本公眾號前期撰稿文章《高性能碳纖維的價格影響因素分析》（閱讀原文）提到根據日本東麗公司提供相關數據，其旗下某型號碳纖維3k規格產品的成本為50-70美元/kg，6k規格產品的為40-50美元/kg，但當產品為12k規格碳纖維時，其成本可下降到不足30美元/kg。

盡管展絲是一種用于超輕材料的新技術，但一些制造商使用的技術仍是基于對舊紡織方法的改進，比如用于展開 300k 絲束，這對 12k 碳纖維絲束展絲無明顯的借鑒意義。采用氣流法將常規/標準纖維絲束轉化為具有懸垂性、抗損傷性、抗疲勞和抗沖擊性、節能和低CO2排放等優點的超細鋪展纖維束，可實現增強鋪展。

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展絲前后絲束截面圖，左側為標準絲束，右側為展絲后示意圖

展絲后復合材料結構在機械和熱負荷下可能會受到影響。通常來說，層壓復合材料的損傷行為是橫向微裂紋、纖維斷裂和分層。通常，當第一層失效時，整個鋪層厚度的橫向微裂紋就會發生，隨后出現分層損傷。纖維斷裂通常發生在損傷的最后階段。根據第一層失效理論，層厚度在控制復合材料力學性能，即抗失效性方面起著關鍵作用：層越薄，性能越好。根據相關研究，由薄層制成的復合材料通常在失效前達到的最大強度更大。與傳統絲束制成的層壓板相比，擴展絲束層壓板在靜態、沖擊和疲勞載荷下具有更好的抗微裂紋、分層和劈裂損傷的強度。

展絲前后碳纖維單向帶示意圖，展絲后單向帶纖維實現均勻分散，不但具有超輕、超薄結構，還易于后處理和機械化加工

目前有多種制造薄層的技術，其中，最有前途和最具成本效益的方法是通過“氣流牽引展絲技術”。在這種方法中，通過將12k長絲絲束通過配備有風道和真空的擴散區，真空通過風道向下吸入空氣，當空氣在真空的幫助下流過風道時，絲束沿氣流方向向下下垂，從而失去張力，并導致瞬間處于無張力狀態；均勻的氣流在絲束上不斷運轉，絲束連續穩定地展開。由于使用了低速氣流，因此在鋪展過程中不會損壞纖維長絲。利用這項技術，可將展開的絲束組裝成超薄的UD片材或機織物，并轉換成薄層。

在下一期文章中會詳細介紹這種氣流分絲技術，敬請期待……

原文始發于微信公眾號（艾邦高分子）：碳纖維增強樹脂基復合材料的絲束擴展技術（一）：背景介紹