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碳化硅纖維長絲采用機織的方式織成的織物具有經、緯密的均勻性好,變異系數小,織物參數可控的優點。此外,與編織、縫合、穿刺等生產方式相比,機織的生產效率更高,能耗更少,成本更低。三維機織物可作為復合材料的預制件,但因碳化硅纖維脆性大 ,織造過程中易出現起毛、斷裂等問題,如何在織機上實現碳化硅纖維長絲預制件的穩定生產,成為近年來復合材料研究領域的重要課題之一。
碳化硅纖維長絲織造關鍵技術
碳化硅纖維長絲通過織機可制成復合材料預制件,但碳化硅纖維直徑粗、脆性大、織造過程易起毛、斷裂, 因此織造過程中控制點多、難度大,目前國內碳化硅纖維長絲機織物織造還不成熟,主要存在以下幾個方面的問題:
(1) 織物的經密與緯密設計不合理,成型結構不穩定,外觀不平整;
(2)上機經紗張力控制不均勻,導致緯紗歪扭明顯,嚴重的可能導致斷經;
(3)緯紗張力不穩定,造成布邊疏密不勻、脫邊等不良現象;
(4)開口不清,造成織造斷紗;
(5)卷取纏繞方式不合理,造成布面抖動,布卷成型不良;
(6)布邊設計的不合理,邊紗的張力大小和施加方式,邊紗的穿入方式控制不合理,造成荷葉邊、卷邊等不良現象。
針對以上問題,蘇州賽菲集團組織技術人員進行研究與攻關,主要在以下幾個方面進行改造,基本解決了碳化硅纖維長絲織造過程的關鍵技術問題。
1.整經和多經軸送經系統
整經是碳化硅纖維長絲織造的準備階段,其工藝參數的設定和控制是關鍵。碳化硅纖維斷裂伸長小、彈性低、脆性大,整經過程中經紗張力過大會出現毛絲、叉絲,因此經紗通道要保持全程通暢且足夠光滑,筒子架上的所有絲筒結構緊湊,保持張力恒定。整經采用分批整經的方法,即將全幅織物所需總經根數分成若干經軸,將其放置在多經軸送經機架上,實現可持續送經,滿足織造要求。送經方式為被動送經,依靠織機卷取機構實現送經,通過氣動控制經軸張力,每個經軸氣壓控制在0.2M Pa內。
蘇州賽菲集團采用的整經機可實現整經速度 5m /min,不會因速度過快而造成卷繞不勻。采用多經軸分批整經,每根經紗經導紗桿牽引通過特制的瓷眼引出,且筒子整體按照 V 行排布,保證了絲筒之間不分絞。筒子架上的絲經過伸縮筘、導紗輥后卷繞在經軸上,整個過程中各接觸面光滑。整經過程中經軸表面平整,卷繞密度合適而均勻,整經張力適當且恒定。整個整經過程實現張力、排列、卷繞三均勻。
織造工藝流程
2. 專用織造設備的研究
由于碳化硅纖維的特殊性能,織造碳化硅纖維長絲須采用專用的織造設備。蘇州賽菲集團改進的 2.5D 多功能剛性劍桿織機,采取四梭升降織造,氣缸控制劍桿引緯,且劍桿引緯設有緩沖裝置。織造工藝流程見圖 1。
織機采用剛性劍桿,最大限度地避免了布面起毛。其主要特點是不需要任何引導裝置就可將緯紗傳輸到織口中心位置,設備占地面積小。設備的核心可調工藝控制參數包括:織機車速、上機張力、綜平時間、織造開口等。
由于碳化硅纖維延展性差,故施加張力時要有適宜的控制點,一方面保證多經軸架上氣壓控制穩定,在經紗分層時實施上漿工藝,避免起毛。鋼筘打緯的過程也會對織造產生負面影響,為減少經紗通過鋼筘時筘齒磨毛經紗,在保證經密要求的基礎上要增加穿入數,減小筘號。
織造過程中,梭子中卷繞所需緯紗,引緯依靠劍桿來回抓取梭子,由于引緯承受張力對邊紗容易造成損傷,需要按照織物組織結構設定邊紗。碳化硅纖維模量高、脆性大,且無法承受較大的剪切力,因此不能用作邊紗,需選取特定紗代替,同時要控制好邊紗根數等參數,保證在循環引緯時順利形成光邊。織造過程中,后梁高低、胸梁位置會影響各層經紗張力及開口控制,故碳化硅纖維要選取合適的調節位置,才有利于纖維的織造。織機采取被動送經,卷取機構的選取是控制經紗張力的關鍵,一般采取的獨立步進電機傳動、積極式卷取,可實現變緯變密卷取;上下輥夾持配合織機程序卷布,卷取收布另外增設一個電磁感應卷取輥,通過張力桿控制成品布卷取。
織造示意圖
3. 織物結構工藝設計
碳化硅纖維長絲的織造是在織物結構工藝設計的基礎上實現的,大多采用 2.5D 多層織物。2.5D 多層織物設計是通過經紗上下移動,與多層緯紗交織,得到角聯鎖組織 。角聯鎖包括層間角聯鎖和貫穿深度角聯鎖。通過增加經緯紗交織的數目設計出更多角聯鎖結構,例如帶襯經、襯緯的角聯鎖結構等 。
在實際織造時,綜框上下運動易與碳化硅纖維產生摩擦,從而引起起毛、斷裂等現象。因此,在設計織物結構時,要考慮到提綜順序,保證織造前后兩緯升起、降落的綜框落差不要太大,即在設計角聯鎖結構的時候可以通過考慮更換緯紗的順序來調節。
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