二维碳纤维织物的结构、性能及应用简介

二维碳纤维织物的结构、性能及应用简介前言碳纤维是由有机纤维（聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶纤维或酚醛纤维等）经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料纤维。碳纤维的含碳量在90%以上，呈黑色，具有强度高、比模量高（强度为钢铁的10倍，质量仅有铝材的一半）、质轻、耐腐蚀、耐疲劳、热膨胀系数小、摩擦因数小、耐高低温等优越性能，在工程上应用较多。目前世界碳纤维年产量达到4.0x104t以上的公司主要有日本的东丽、东邦人造丝和三菱人造丝，美国的HEXCEL、ZOLTEK、ALDILA，德国的SGL西格里集团，韩国的泰光产业，我国台湾的台塑集团等，他们掌握了碳纤维生产的核心技术。在国内，目前利用自主技术研制的少数T300、T700和T800级碳纤维产品已经达到国际同类产品水平，尽管国内碳纤维产量少，但碳纤维的用量需求较大。近年来，我国碳纤维需求量保持在15%左右的增速。碳纤维一般不单独使用，常被加工成织物、毡、席、带、纸等，作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。其中，碳纤维织物是碳纤维重要的应用形式之一。碳纤维技术进展及发展趋势碳纤维规格型号日本东丽是全球最大的碳纤维厂商，它的型号几乎已成为碳纤维的标杆了，日本东丽的产品有T系列和M系列，T代表高强度，M代表高模量。内业人士交流碳纤维都是说T多少，甚至国产碳纤维也要说明是T多少水平。常见的T300、T400、T700、T800、T1000等，就是按照拉伸强度来进行划分的等级。T300的拉伸强度为3530MPa,T400拉伸强度为4410MPa,T700拉伸强度为4900MPa，T800碳纤维分为两种，一种解捻拉伸强度5490MPa,—种无捻拉伸强度5880MPa。强度最高的是T1000，拉伸强度高达6370MPa。这一系列碳纤维模量相差并不是很大,最低位T300的230GPa,最高位T1000的294GPa,模量均不是太大。东丽公司的M系列碳纤维主打高模量，最初是M30,模量为294GPa,其实与T800、T1000的模量相当。高模量系列碳纤维M30拉伸模量为294GPa，M35拉伸模量为343GPa,M40拉伸模量为377GPa,M46拉伸模量为436GPa,M50拉伸模量为475GPa,M55拉伸模量为540GPa,M60拉伸模量为588GPa,可以看出来M系列碳纤维的拉伸模量拉开的差距还是挺大的。技术进展当前,碳纤维向两个方面发展：一是提高,二是普及。提高是指小丝束碳纤维（1〜24K）的质量提高，普及是指大丝束碳纤维（48〜540K）的产量大幅度增加，价格日趋下降。随着航空航天飞行器各项性能的不断提高,对结构件用材料的性能要求也越来越高。国外碳纤维主要生产商都在积极地开发超高强度、超高模量的碳纤维。日本东丽公司已开发出高强型T1000系列碳纤维，其抗拉模量为295GPa,拉伸强度达7.05GPa,而高强高模MSJ型抗拉模量达640GPa,抗拉强度为3.62GPa。在新工艺和新技术方面,日本三大公司和韩国cheil合成工业公司继承发明了PAN原丝至碳化等系统的新技术，其中三菱人造丝公司提出相当于T700性能水平碳纤维的PAN原丝指标。美国wilkinson公司也在研制PAN原丝，而英国国防安全部在研制中空碳纤维原丝及碳纤维。在预氧化、碳化方面,东丽最近发表了30K-100KPAN基大丝束的烧成方法,可以使长度较短的大丝束进行连续碳化。三菱人造丝发明的新型碳化炉,可抑制碳化反应生产的分解物附着和堆积于炉壁和纤维上,从而稳定高效地生产高强度高模量的碳纤维。东丽公司则研制一种三叶形断面的PAN原丝及碳纤维,可改进与树脂的粘合性、压缩强度和抗弯强度。今后日本先进复合材料的发展方向是：在增强材料方面,进一步提高碳纤维的强度和模量,降低成本；在树脂基体方面,主要提高树脂的冲击后压缩强度和耐湿热性；在复合材料成型技术方面,进一步实现整体成型技术,固化监控、自动化技术及三维复合材料技术,同时提高复合材料性能和降低制造成本。总的来讲,制备碳纤维的新技术可归纳为三大方面：（1） 研究发展廉价原丝。在高性能碳纤维成本中原丝所占比例约为40-60%,国外从两方面降低原丝的成本,一是试探采用聚丙烯腈外的其它材料作为制备高性能碳纤维的原丝,包括低密度聚乙烯、高密度聚乙烯和聚丙烯等其它聚烯类高分子材料以及木质素等；二是改进现有工艺聚丙烯腈原丝的技术，达到降低成本的目的，包括采用纺织用的聚丙烯腈、化学改性、辐照稳定化处理等。研究发展新的预氧化技术。预氧化工序在高性能碳纤维成本中所占的比例约为15-20%，而且预氧化工序的时间也比较长。缩短生产周期，降低成本有重大现实意义。目前在预氧化方面的新思路是采用等离子技术。研究发展新的碳化和石墨化技术。碳化和石墨化是制备高性能碳纤维的关键工序，在成本中所占比例约为25-30%，对产品的最终性能影响极大。在碳化和石墨化方面的新思路是采用微波技术。最新碳纤维技术动向碳纤维技术开发新方向包括：碳纤维性能的提高；基体树脂技术；成型技术三个方面。碳纤维性能的提高为了适应用途方面的性能提高，谋求强度、弹性模量及成本的平衡：碳纤维的抗压缩强度提高，通过把硼离子在高电压下进行加速照射，使结晶结构微细化，抗压缩强度可提高1.3-2.0倍；高弹性模量化碳纤维弹性模量达到690GPa,抗拉强度达到3.4GPa；为了提高耐冲击性，使碳纤维和基体树脂的粘接平衡，对碳纤维界面进行表面处理；碳纤维价格降低。基体树脂技术低温固化的耐热性树脂；热熔融树脂；不燃树脂；碳纳米纤维配合碳纤维树脂预浸料，提高层间抗剥离强度和耐压缩强度。成型技术努力开发成型的高速化、低价格化、适应批量生产的成型技术及中间体材料。这些技术包括：高速成型技术：树脂灌注成型、树脂膜灌注成型(RFI)、RTM成型、挤拉成型、高速缠绕(FW)成型、SMC/BMC成型等技术并进行积累。带有数字控制(NC)的自动铺层法：在航空飞机部件的高压釜成型中，为了优先使曲面形预浸料铺层合理化和高速化，引入了带NC的自动铺层机。全自动纤维分布：复合材料的成型材料(窄幅预浸料)被开发出自动铺层的先进装置。非加热成型技术：由于电子射线和光固化为非加热成型技术，是低成本、高性能的大型结构复合材料的制造方法。RTM成型技术的进化：把批量生产、低压、低温、强化纤维体积分数、方向、位置设定自由等特征为研发的意向。另外，因为补强材料、夹层芯材和嵌件一体成型的可行性，使船身等大型构件的成型成为可能。ACM热成型体系：由连续纤维增强热塑性树脂基体的ACM片材的成型法。碳纤维的发展趋势当今世界碳纤维有如下发展趋势：产品性能趋向于高性能化；低成本化，价格将大幅度降低；航天航空和文体用品领域用量稳定增加，民用工业用量增幅较大，已超过前两者。特别是随着大丝束碳纤维的大规模生产，其价格将不断降低，民用工业用量将继续保持大幅度增加的趋势。目前，碳纤维的市场需求在北美、欧洲、亚洲基本上呈鼎足之势。按应用领域划分，世界聚丙烯腈基碳纤维主要用于宇航、文体休闲用品、其它工业等领域，其总体消费比例分别为25.2%、31.4%、43.4%，不同地区各有侧重。文体用品方面，目前碳纤维材料已从钓鱼竿和高尔夫球棒推广到网球拍、羽毛球拍、高尔夫球杆、冰雪运动器材、水上运动器材等方面，需求量稳步、较快增长。其中高尔夫球杆、网球拍和钓鱼竿是体育用品用碳纤维复合材料的三大支柱产品、约占该类产品的80%。一般产业对碳纤维材料的应用发展比较迅速，包括基础设施的修复、更新和加固；新能源开发如沿海油气田、深海油田的钻井平台、管道和缆绳等，以及风力发电机的螺旋桨和风叶；汽车的刹车系统、转动轴、车身以及环保汽车用的压缩天然气气瓶；电子领域的应用主要有通信、广播、地球观测、空间探测以及各种飞行器的高精度天线。一般产业的需求增长较快，将成为碳纤维新的主要应用领域。根据纤维的方向，可以将碳纤维布分为单向布、双向布、多项布等；根据织造方式不同，可以分为机织碳纤维布、针织碳纤维布等。机织碳纤维布机织碳纤维布，主要有：平纹布，斜纹布，缎纹布，单向布等。单向布碳纤维单向织物是将大量的碳纤维长丝沿一个主方向（通常是经向）均匀平铺，用较少的碳纤维丝将主方向上的碳纤维丝编织在一起，形成较薄的、以主方向上纤维受力的碳纤维织物。特点就是在某个方向强度很高，而在与纤维垂直的方向强度很低。表1澳盛单向碳布力学性能指标产品型号强度级别克重（g/m2）理论厚度（mm）抗拉强度（MPa）弹性模量（GPa）伸长率（%）SHBI-200咼强I级2000.111>3400>2.3x105>1.6I-300高强I级3000.167>3400>2.3x105>1.6II-200高强II级2000.111>3000>2.0x105>1.5II-300咼强II级3000.167>3000>2.0x105>1.5碳纤维单向织物可用于建筑或工程上的柱、桥工程等的修复加固或烟囱的加固，是加固补强的理想材料，其拉伸强度在2400MPa〜3400MPa之间，比普通碳素钢板的拉伸强度（240MPa）更高。织物质量轻（200g/m2〜300g/m2）且厚度薄（0.1mm〜0.2mm）,具有一定的柔软性能，幅宽在20cm〜100cm，织物卷绕长度为50m〜100m，在桥梁加固的实际应用中较为灵活，广泛应用于建筑桥梁的抗震修复和加固补强。碳纤维单向织物在飞机、体育运动器材领域的应用也较为广泛，如在某军用飞机上应用了99g/m2〜110g/m2（经密15根/cm）的碳纤维单向织物；体育方面如高尔夫球杆、鱼杆等。双向布双向碳纤维布是使用碳纤维丝束，经、纬双向编织而成，双向碳纤维布可以避免单向布只在一个方向上受力的缺点。双向碳纤维布材料轻、薄、柔软、强度高、耐老化，除了作为加固材料，还可以作为碳纤维复合材料的外观件，做出来的材料具有碳纤维酷炫的外观质感。平纹编织布平纹编织的特点是经纱和纬纱以一上一下的规律交织。也就是经纬纱每隔一根纱就交错一次，所以交织点最多，使织物坚牢、耐磨、硬挺、平整，但弹性较小，光泽一般，平纹织物密度不可能太高，较为轻薄，耐磨性较好，透气性较好，布面均匀且正反面相同。这种碳纤维布的纤维束由于一直处于上下起伏的状态，纤维弯曲点比较多，在受拉伸过程中伸长率较高。同时由于相邻两根经纱和相邻两根纬纱交织点位置由于纤维束的滑动出现眼孔。平纹编织的变种形式也很多，比如12K经纱与1K纬纱混合编织。由于经线和纬线方向上纤维束的反射光不同，因此平纹编织纤维布可观察到格子状的外观，类似于国际象棋的棋盘。平纹编织具有均匀对称性，结构上是完整的，拥有最佳的纤维稳定性和合理的孔隙率。但是这种织物具有非常高的褶皱率，从而消弱了约15%的纤维力学强度。图1平纹织物斜纹编织布斜纹编织纤维布具有与纤维束排布方向有一定夹角的斜向纹路，这个纹路方向上并不存在纤维束，而是由于纤维束经纬向编织过程，经向或纬向纤维束跳过两束纬向或经向纤维进行编织。也就是纤维束一上一下的编织频率减小，纤维束浮长增大，同时相邻两个纤维束错开一个编织位。这样就造成了斜纹编织布的斜向纹路特点。这种斜纹外观具有很强的立体感，目前在汽车改装应用市场上非常火爆，用来做汽车改装制品，比如面板、引擎盖、排气筒等。斜纹的编织可以最大程度上保留纤维的强度及模量。图2斜纹织物缎纹编织布缎纹编织具备单独的、互不连续的经交织点（或纬交织点）在组织循环中有规律的均匀分布，这样的编织形式称为缎纹。它的特点是经线（或纬线）浮线较长，交织点较少，它们虽形成斜线，但不是连续的，相互间隔距离有规律而均匀，此纤维布结构形式称为缎纹组织。缎纹纤维布经纱和纬纱至少隔三根才交织一次因此这种编织结构使织物密度更高，因而纤维布更加厚实。这种缎纹纤维布表面平滑匀整，质地柔软，富有光泽或稍呈纹路。缎纹编织具备相当高的双向强度，高纤维含量，低孔隙率，非常优越的柔韧性。我们经常能听见的是四枚缎纹、五枚锻纹、八枚锻纹。图3缎纹织物表2澳盛科技双向布生产规格序号品名规格型号纤维克重（g/m2）幅宽（mm）13k平纹200g碳纤布C13KP200g2001000150023k平纹200g碳纤布C13KT200g2001000150033k平纹210g碳纤布C13KP210g2101000150043k平纹210g碳纤布C13KT210g2101000150053k平纹220g碳纤布C13KP220g2201000150063k平纹220g碳纤布C13KT220g2201000150073k平纹240g碳纤布C13KP240g2401000150083k平纹240g碳纤布C13KT240g2401000150096k平纹300g碳纤布C16KT300g3001000106k平纹540g碳纤布C16KP540g54010001112k平纹400g碳纤布C112KP400g4001000

1212k平纹400g碳纤布C112KT400g40010001312k平纹420g碳纤布C112KP420g42010001412k平纹480g碳纤布C112KP480g48010001512k平纹480g碳纤布C112KT480g48010001612k平纹600g碳纤布C112KP600g60010001712k平纹640g碳纤布C112KP640g6401000表3康得复材双向布生产规格产品编号 纤维类型织物经纬密度（根/10cm）幅宽厚度织物密度经纱纬纱结构经向密度纬向密度（cm）（mm）（g/m2）CK03P2003K3K平纹50501000.3200CK03P2403K3K平纹60601000.32240CK03T2003K3K斜纹50501000.3200CK03T2403K3K斜纹60601000.32240CK03S3203K3K缎纹80801000.36320CK12P40012K12K平纹25251000.46400CK12P48012K12K平纹30301000.52480CK12T48012K12K斜纹30301000.52480CK12T64012K12K斜纹40401000.64640其它碳纤维布-展宽布展宽布是通过特殊的工艺使常规的2-3毫米宽度的碳纤维纱宽度增加数倍展宽布相比传统碳纤维布具有更轻、更薄、单丝平行排列且密度分布均匀的特点在使用中具有更好的减重效果。图4展宽布表4展宽布生产规格品名规格型号纤维克重（g/m2）幅宽（mm）碳纤展宽布12k88g881000碳纤展宽布12200g2001000碳纤维双向机织物的应用碳纤维双向机织物主要在工业产品领域作为结构材料。碳纤维平纹织物多用于结构件的抗拉、抗剪和抗震加固，与配套胶黏剂共同使用，可构成完整、性能卓越的碳纤维织物增强体系。碳纤维斜纹和缎纹织物主要用作一些构件的表面。目前，航空航天业仍然是碳纤维消费的最大市场，占据了市场份额的21%。国防、航空航天领域应用的碳纤维织物一般是特制的军用牌号1K和3K碳纤维织物，以平纹织物为主，其特点是织造较为精细，强度高，一般和特制树脂配合使用。在船舶工业、交通工业、建筑加固、体育器材等方面也有大量应用。针织轴向织物针织工艺具有技术灵活性、结构多样性、原料普适性、装备高效性的特点，随着原料和装备的不断研发和创新，针织产品在产业用纺织品领域的比重日渐提升。据悉，世界上第一种进入服役的第五代战斗机，美国的F-22“猛禽”战斗机通过采用包括碳纤维多轴向经编复合材料在内的多种碳纤维增强复合材料，主翼垂尾翼、平尾翼以及机身蒙皮等部位用量比例高达35%，明显减轻了机身重量，提高了机动灵活性以及抗疲劳、抗腐蚀等性能。针织轴向织物的开发主要是适应高强、高模类高性能纤维在纺织复合材料中的应用而发展起来的。轴向针织技术是一种将一组或多组平行伸直的纱线通过编织纱绑缚成整体的先进编织方法。由于被衬入的轴向纱线在织入时均呈直线状态因而能够充分发挥高性能纤维高强、高模的特性。针织轴向织物按照纱线衬入方向的不同可分为：单轴向、双轴向和多轴向织物；按照生产加工装备的不同可分为经编轴向织物和纬编轴向织物。经编经编单轴向织物

图5经编单轴向织物表5康得复材经编单轴向织物规格规格纤维面密度（g/m2）纤维规格/纤维克重标准幅宽（mm）标准卷（m）0°+45°45°90°CFF75U7512K/75GF/68tex1270100CFF100U10012K/100GF/68tex1270100CFF125U12524K/125GF/68tex1270100CFF150U15024K/150GF/68tex1270100CFF200U20024K/200GF/68tex1270100CFF250U25012K/250GF/68tex1270100CFF300U30024K/300GF/68tex1270100CFF300U30050K/300GF/68tex1270100经编双轴向织物

图6经编双轴向织物经编多轴向织物图7经编多轴向织物（缝编型）图8缝编型经编多轴向织物在针织过程中可能发生的损伤图9经编多轴向织物（针织型）表6康得复材经编二轴向织物规格规格纤维面密 纤维规格/纤维克重 标准幅标准度0°+45°45°90°宽卷长

（g/m2）（mm）（m）CFF300T30012K/10012K/10012K/1001270100CFF300T30012K/10012K/10012K/1001270100CFF450T45024K/15024K/15024K/150127050CFF450T45024K/15024K/15024K/150127050CFF600T60024K/20024K/20024K/200127050CFF600T60024K/20024K/20024K/200127050CFF600T60050K/20050K/20050K/200127050CFF600T60050K/20050K/20050K/200127050表7康得复材经编四轴向织物规格规格标准幅标准纤维面密 纤维规格/纤维克重度0°+45°45°90°宽*【丿卷长（g/m2）（mm）（m）CFF600T60024K/15024K/15024K/15024K/150127050CFF800T80024K/20024K/20024K/20024K/200127050CFF800T80050K/20050K/20050K/20050K/200127050CFF1000T100024K/25024K/25024K/25024K/250127050CFF1000T100050K/25050K/25050K/25050K/250127050纬编图10纬编单轴向织物

图10纬编单轴向织物In图12纬编多轴向织物图11In图12纬编多轴向织物图11纬编双轴向织物针织轴向织物的特点针织轴向织物中的纤维处于无屈曲状态，因此织物具有许多优良的力学性能国外研究发现，机织物中纱线的屈曲可使纤维强力损失达20%。针织轴向织物的纤维潜能利用率几乎能达到100%。针织轴向织物充分利用了纱线的拉伸力，可以减少单位长度内的纱线根数，减轻织物的质量，同时最大可能地利用所有纱线的强力。由于纱线具有聚束效应，大大提高了撕裂载荷，使织物具有良好的抗撕裂性能，可与纤维网编织在一起，进一步提高织物的撕裂强度和抗撕裂蔓延性，防止纱线滑移，提高尺寸稳定性。总结其优点如下：（1）抗拉强力高针织轴向技术使得织物的纱线层能按照特定的方向伸直取向,使增强纱线的力学性能得到充分利用。（2）悬垂性好针织轴向织物的悬垂性可根据衬纬结构由线圈系统进行调节，变形能力可通过加大线圈和降低组织密度来改变。（3）良好的尺寸稳定性和剪切性能针织轴向织物中由于引入了两组对角线纱线，使得织物的剪切变形受到抑制（4）铺设性和预成型性好针织轴向织物由于织物纤维中很容易形成通道，减小了浸润渗透压力、渗透性好、渗透速度快、有利于树脂的均匀分布。针织轴向织物的应用由于经编轴向织物具有较低的生产成本、较高的生产效率以及结构整体性、设计灵活性、抗撕裂性能好、层间剪切力强等优点而越来越引起人们的注意，在产业用领域具有很大的潜力，尤其是用作树脂复合材料的骨架，使用日趋广泛。例如：在空客A380型和波音B787型飞机的后承压框穹形框壳中，采用了0。/90。碳纤维经编织物；丹麦、德国、西班牙等制造商在2.5MW以上的部分叶片中采用了碳纤维经编织物；而在我们熟知的汽车领域，除F1赛车及顶级跑车外，德国宝马公司更是将大量的碳纤维经编织物用于其混合动力及新能源汽车的复合材料部件中。将经编轴向织物作为骨架材料与树脂复合后，制成纤维增强复合材料，可用于飞机、航天器、汽车、舰艇、装甲车、风能发电等方面。多轴向经编技术是在单轴向、双轴向技术的基础上发展起来的一种新型的多头衬纬编织技术，利用该技术，可以在织物的纵向、横向或是斜向按照使用要求以一定角度衬入增强纱线，可以充分发挥织物结构中每一组分的性能。多轴向技术是一种于20世纪70年代后期在国外迅速发展起来的新型织造技术，20世纪90年代得到广泛研究和推广应用，其特点为需求量大、生产效率高、生产成本低。由于碳纤维多轴向经编织物是由多层碳纤维纱片构成的三维网络整体结构，力学性能优异，预增强的可设计性灵活，制造成本低，广泛应用于航空航天、风力发电叶片、建筑、能源和医疗等领域的高性能复合材料中。其中碳纤维多轴向经编增强材料已经快速被推广和应用。按应用领域划分为航空航天、体育休闲和一般工业领域，总体消费比例分别为25.2%、31.4%、43.4%。目前，碳纤维多轴向经编织物预成型体/LCM工艺制件已在新一代大型飞机A380、B787和A400M等机型上得到广泛应用。A380型和B787型飞机的后承压框穹形框壳均采用0°/90。经编碳纤维织物制备预成型体;A380型机外翼翼梁、A400M型机货舱门、A380型机窗口框均采用碳纤维多轴向经编增强材料加强筋。目前，国际市场碳纤维复合材料在小型商务飞机和直升飞机上的使用量已占70%〜80%,在军用飞机上占30%〜40%，在大型客机上占15%〜50%。因此，碳纤维多轴向经编增强材