碳纤维复杂结构机织物的设计与研制*

孙 宏 朱 红 钱 坤 李林静

1.常州纺织服装职业技术学院, 江苏 常州 213164；2.江南大学纺织科学与工程学院, 江苏 无锡 214122

碳纤维作为高性能纤维材料中的佼佼者，具有轻质、高强、耐腐蚀、导电、传热、减震降噪、热膨胀系数小等优良特性，其是目前发现的能在2 000 ℃高温惰性环境下唯一不会降解的物质[1-2]。利用碳纤维丝束开发的机织物结构件经复合加工处理后，在航空航天、军事、车船制造、轨道交通等领域有着广泛的应用。如泛亚汽车技术中心有限公司正在开展一体化结构3D机织碳纤维复合材料避震塔的研究与应用探索工作[3]。目前，市场上的碳纤维机织物组织结构以平纹、斜纹及缎纹为主。复杂组织结构的碳纤维机织物的制备受碳纤维丝束的特殊规格、织物结构与工艺的优化度，以及织造时设备的匹配度等因素影响，产品应用范围有限[4-5]。

为进一步拓展碳纤维机织物的应用范围，本文借助半自动小样织机，对接结双层结构、间隔结构、正交结构和夹芯层结构的碳纤维机织物的组织结构和织造工艺进行优化，分析织造关键技术，以期为碳纤维复杂结构机织物的规模化生产与相关研究提供参考。

1 原料与纱线规格

使用的碳纤维丝束规格为T300-6K，扁平状，宽度为2 mm，线密度为397 tex；辅助纱线为软质PVC涤纶线，线密度分别为240 tex和302 tex，用作接结经纱及中层经纱或纬纱等的连接线。

2 碳纤维复杂结构机织物的组织结构和织造工艺的优化

2.1 碳纤维接结双层结构机织物

接结双层结构可以增加织物的厚度，且织物中孔隙率小，这将有效提高织物预制件的防紫外线和防辐射等性能，同时提升强力和耐冲击等力学性能。

设计时，先确定各层经纬纱与接结经纱的交织规律，画出接结双层结构经向剖面示意图，并由此画出织物组织图。本文研制的碳纤维接结双层结构机织物的组织示意如图1所示。接结方法选用接结经接结法，即除了表经和里经外，采用另一种经纱与表里纬交织，把表里层连接起来。这种接结方法可确保碳纤维丝束不会因表里层接结而产生弯折，同时织物结构密而不硬[6]。

图1 接结双层结构组织示意

穿综采用分区穿法，即表经穿前区、里经穿中区、接结经穿后区,每筘齿3入。所得织物如图2所示，其坯布经密为122根/(10 cm)、坯布纬密为128根/(10 cm)，成品经密为128根/(10 cm)、成品纬密为130根/(10 cm)，成品厚度为2.83 mm。

图2 碳纤维接结双层结构机织物

2.2 碳纤维间隔结构机织物

间隔结构机织物是由经向、纬向和厚度方向的三个系统纱线组成的一种三维空芯机织物。该结构的织物具有整体性好、质量轻及可设计性佳等优点，可作为复合材料的增强体，被广泛应用于航空航天、建筑、船舶等领域。

研制的间隔结构机织物组织示意如图3所示，上下两层均为地组织，故经纱系统分为两组——地经系统和间隔经纱系统。织造时，间隔经纱通过W形的运动规律将上下两层连接起来，形成了整体呈空芯结构的三维间隔机织物[7]。

图3 间隔结构组织示意

穿综采用分区穿法。由于间隔经纱张力比地经的小，故间隔经纱穿前区；上层经纱穿中区；下层经纱提升次数少，故穿后区。每筘齿3入。所得坯布经密为122根/(10 cm)、坯布纬密为59根/(10 cm)，成品经密为128根/(10 cm)、成品纬密为80根/(10 cm)，成品厚度为2.39 mm。

2.3 碳纤维正交结构机织物

正交结构机织物是地经纱、纬纱和接结经纱(又称缝经、绑定纱)三个系统的纱线呈正交状态配置而组成的。正交结构可以充分发挥碳纤维的优势特性，提高织物在外力作用下的均匀承载能力。本文采用贯穿正交结构在半自动小样织机上实现了织造。贯穿于厚度方向上的绑定纱为织物提供了结构稳定性，有效增强了织物的断裂强力和层间剪切强度，赋予了织物较好的抗冲击能力[8]。

研制的正交结构机织物的组织示意如图4所示。

图4 正交结构组织示意

穿综采用分区穿法，接结经纱穿入前区，地经纱穿入后区，每筘齿2入。所得坯布经密为84根/(10 cm)、坯布纬密为118根/(10 cm)，成品经密为88根/(10 cm)、成品纬密为120根/(10 cm)，成品厚度为2.86 mm。

2.4 碳纤维夹芯层结构机织物

设计的夹芯层结构机织物为三层组织结构，通过一定的规律将三个单层接结在一起，所得产品厚实、耐磨，且具有很好的结构稳定性[9]。设计时，夹芯层纱线均为302 tex的软质PVC涤纶线，表层、里层纱线均为397 tex的 T300-6K碳纤维丝束。为避免碳纤维丝束因弯曲而折断，接结方式采用中间层接结表里层。

图5 夹芯层结构组织示意

穿综采用分区穿法，表经穿前区、里经穿中区、接结经穿后区，每筘齿穿入数为3。所得织物效果见图6，坯布经密为149根/(10 cm)、坯布纬密为205根/(10 cm)，成品经密为156根/(10 cm)、成品纬密为210根/(10 cm)，成品厚度为3.52 mm。

图6 碳纤维夹芯层结构机织物

3 织造关键技术分析

碳纤维丝束呈扁平状，有一定宽度且表面光滑，这使得其在半自动小样织机上进行织造有一定的难度。因此，为了确保产品的质量，织造的关键在于准备阶段经纱的张力控制及预处理，送经阶段经纱的平顺输出，以及对综丝和钢筘的改进等。

3.1 准备阶段

为确保经纱张力均匀，整经时碳纤维丝束需轻轻地从纱筒上退绕下来，轻剪后平放。

为了避免碳纤维丝束在后续织造过程中因丝束与丝束、丝束与综眼、丝束与筘齿之间摩擦过度而出现拉丝、断纱等情况，织造前应对准备好的碳纤维丝束经纱进行预浸上浆处理，即将海藻酸钠上浆剂均匀涂抹于经纱表面，静置一段时间使碳纤维丝束自然晾干。上浆后的碳纤维丝束较未上浆的碳纤维丝束硬挺且表面平滑，不毛糙，这有利于保证开口清晰，易于织造。

3.2 送经阶段

在后梁到胸梁的位置搭建一个辅助平台，并在原有后梁装置的系纱带处配置一导杆，起承托经纱、平衡张力、使经纱自然伸直的作用。后梁上固定碳纤维丝束经纱时，将碳纤维丝束头端对齐，用双面胶将头端粘在光滑的圆杆上，再用白布包裹保护，这样能确保送经时经纱整体输出，且不互相纠缠。

3.3 穿综与穿筘

穿综环节可使用镊子作为辅助工具。每根碳纤维丝束依照穿综顺序轻轻地穿入综眼，再按照穿筘规则穿过钢筘。穿好后的碳纤维丝束放置于平台上，再将丝束整理好粘平，最后通过卷绕使穿好的丝束自然绷直。

虽然常规综丝孔眼直径约为2 mm，能满足扁平状的T300-6K碳纤维丝束的宽度要求，但为了增加碳纤维丝束的活动空间，可通过定制4 mm×4 mm的方孔综丝，或购买方孔闭环，再使用软质PVC涤纶线将方孔系在综框上制成特殊综丝，以确保织造时碳纤维丝束保持平整。

选择筘号时，应根据经纱线密度、经纱密度、织物组织及每筘穿入数等加以确定。本文研制的产品所用筘号规格均为40齿/(10 cm)，满足T300-6K碳纤维丝束在半自动小样织机上织造的需求。从制作的产品效果来看，间隔结构和正交结构的机织物中碳纤维丝束较紧密，布面有磨损起毛的现象，建议在上浆和穿筘等环节做进一步的优化。

4 结语

以碳纤维丝束为主要原料、以软质PVC涤纶线为辅助材料，利用半自动小样织机进行接结双层结构、间隔结构、正交结构、夹芯层结构的碳纤维机织物的设计与研制，得出：

(1)组织设计时，应先清楚织物的结构特征，再结合层数、各层经纱或纬纱的配置及基础组织，设计经纱绕纬纱运动趋势图，再根据纱线运动趋势图确定织物组织图。

(2)考虑到碳纤维丝束的脆性，故选择柔韧性好、强力佳的软质PVC涤纶线作为辅助材料对各层进行连接加固。

(3)复杂结构机织物多在两层以上，与单层织物相比，其厚度有所增加。因此，为避免织造过程中碳纤维丝束与丝束、丝束与综丝、丝束与筘齿之间过度摩擦，应严格控制张力，并采用合适的浆料对丝束预浸，搭建从后梁到胸梁处的承载平台，选用特制的综丝或钢筘，采用分区穿法进行穿综等措施，加以控制和改善。