氣流展纖工藝中不同壓差和送絲速度對碳纖維展寬的影響

牛雪娟 徐妍慧

（1 天津工業大學機械工程學院，天津 300387）

（2 天津市現代機電裝備技術重點實驗室，天津 300387）

文 摘 為探究氣流展纖工藝中不同出口壓差和送絲速度對碳纖維絲束展寬效果的影響，依據Venturi原理，搭建氣流展纖試驗平臺，并記錄大絲束碳纖維展寬過程，計算不同工藝參數下碳纖維絲束在不同階段的展寬率和展寬均勻程度。研究結果表明：通過搭建的氣流展纖試驗臺，能獲得展寬率高于400%，展寬均勻程度在90%以上的碳纖維絲束，得到的碳纖維絲束的展寬率與出口壓差呈正相關，與送絲速度呈負相關；碳纖維絲束的展寬均勻程度與出口壓差呈負相關，與送絲速度呈正相關。

0 引言

復合材料被廣泛運用于航空航天、交通運輸、建筑橋梁以及新能源技術等多個領域［1］。其中，碳纖維復合材料是一種具有質輕、高強高模等優異性能的新一代增強材料。大絲束碳纖維更是碳纖維中最具發展潛力和前景的品種［2］。在實際應用中，需要通過展纖工藝將碳纖維絲束展寬展薄，以得到物理性能偏差小、力學性能更佳的復合材料。

傳統的機械展纖方法，由于存在機械摩擦，會導致纖維表面磨損，甚至出現斷絲。因此近年來，研究人員開始逐漸嘗試氣流展纖法，以應對有高表面質量和高機械性能要求的應用［3］。日本開發了氣流控制絲束輥壓方法，能夠精確控制氣流，充分展寬纖維束［4］。陳金良等［5］通過設計高溫射流沖擊試驗裝置，以研究大絲束碳纖維在射流沖擊作用下的展寬效果。CHEN等［6］設計了一種高效的碳纖維氣動鋪展系統。

本文搭建氣流展纖試驗平臺［5-6］，分析不同出口壓差以及送絲速度對碳纖維絲束展寬率以及展寬均勻程度的影響，以期為氣流展纖工藝的進一步優化和改進提供思路。

1 氣流展纖機理

氣流展纖器的工作基于Venturi效應，即：當流體在通過小斷面時，出現流速增大的現象，同時在高速流動流體的附近會產生低壓區域，從而造成吸附作用。在氣流展纖器中，展纖通道內的氣流通過氣流間隙時，就會產生Venturi 效應，具體展纖機理如圖1所示。其中圖1（a）為碳纖維束剛進入氣流場時的初始狀態。氣流間隙相對展纖通道為小斷面，因此氣流間隙處的氣流速度高于展纖通道中央的氣流速度，即V1＜V2，在Venturi 效應影響下，氣流間隙附近會產生低壓區，即P2＞P1。在低壓區的作用下，碳纖維逐漸向兩側展寬，最終狀態如圖1（b）所示。

圖1 氣流展纖原理圖Fig.1 Schematic diagram of airflow expansion fiber

2 試驗

2.1 原材料

選取滄州中麗新材料科技有限公司定制生產的48K碳纖維絲束進行實驗。該型號為無捻纖維，展纖前無須解捻。碳纖維絲束原始寬度為16 mm，單絲直徑為7 μm，絲束表面包裹有上漿劑。

2.2 試驗臺

搭建氣流展纖試驗臺如圖2所示。其中，Ⅰ為放卷裝置；Ⅱ為鋁制加熱箱；Ⅲ為預展纖熱風槍；Ⅳ為傳送輥組；Ⅴ為張力檢測裝置；Ⅵ控制面板；Ⅶ為氣流展纖器；Ⅷ為收卷裝置。

圖2 氣流展纖試驗臺Fig.2 Air spread fiber test bench

氣流展纖器為對稱結構，是氣流展纖試驗平臺的核心部分，其詳細幾何參數如圖3所示。纖維入口寬20 mm，纖維出口寬度100 mm。展纖通道由相對對稱面分布的隔板圍成，寬100 mm，長300 mm。隔板上分布有9 個氣流間隙，溝通展纖器的內外流場。氣流間隙寬度均為5 mm，相鄰兩氣流間隙的間距為20 mm。最右側氣流間隙至碳纖維出口的距離為24 mm。

圖3 氣流展纖器幾何信息圖Fig.3 Geometrical information diagram of air spreader

氣流展纖器的3 維模型如圖4 所示。用無影膠粘接透明亞克力板制成氣流展纖器，并檢測其氣密性，如圖5所示。

圖4 氣流展纖器3維模型Fig.4 3D model of air spreader

圖5 氣流展纖器實物Fig.5 Real air spreader

碳纖維絲束從纖維入口進入展纖通道，在氣流壓差作用下展開后，從纖維出口離開展纖通道。而氣流在離心風機的作用下，從氣流入口1和氣流入口2進入展纖通道。通過氣流間隙后，從氣流出口離開氣流展纖器。展纖通道正下方放置有4 個ESP32-CAM，用于拍照記錄碳纖維展開的情況。展纖器的兩個氣流出口通過一個Y 型接頭與變頻離心風機相連接，可通過調節風機頻率改變氣流出口壓差。

2.3 展纖流程設計

碳纖維絲束在傳送輥組的牽引作用下，通過加熱箱，使保護絲束的上漿劑融化，有利于后續展寬。根據上漿劑的樹脂體系，試驗中將加熱箱內溫度設置為180～230 ℃。為使絲束中單絲充分向兩側分散，在氣流展纖試驗臺中設置預展纖工序，如圖6 所示。采用固定溫度（400 ℃）和風速（4 m/s）的熱風槍對碳纖維絲束進行吹拂，氣流方向與纖維束面垂直。預展之后的碳纖維絲束繞過張力監測裝置，實時監測，以確保張力穩定在一定區間內。碳纖維絲束進入展纖通道后，因受到來自兩側氣流間隙的氣流造成的壓力差而展寬。收卷裝置帶有超聲測距傳感器，通過反饋調節電機的轉速，以確保收卷的線速度不變。展寬后的碳纖維絲束纏繞于收卷筒上。

圖6 熱風槍吹拂前后絲束形態對比Fig.6 Comparison of tow shape before and after heat gun blowing

2.4 試驗參數

利用YYT-2000B傾斜式微壓計測量并計算離心風機頻率與氣流出口壓差之間的關系，如表1所示。

表1 離心風機頻率與氣流進出口壓差對照表Tab.1 Comparison table of centrifugal fan frequency and air flow inlet and outlet pressure difference

同時，分別在氣流展纖器出口壓差為50、60、70、80、90、100 和110 Pa，以及送絲速度為40、60 和80 cm·min-1條件下進行碳纖維絲束展寬試驗。試驗序號及參數如表2和表3所示。

表2 試驗方案參數表1Tab.2 Test scheme parameter of table 1

表3 試驗方案參數表2Tab.3 Test scheme parameter of table 2

3 結果與討論

待碳纖維絲束展寬狀態穩定后，打開ESP32-CAM 拍照記錄。碳纖維絲束剛進入氣流展纖器時，寬度變化不明顯。因此只取后三個ESP32-CAM 拍攝的圖像進行處理并組合，從左到右分別記為第一階段、第二階段和第三階段。圖7所示為碳纖維絲束展寬至失效的情況。不同氣流出口壓差及送絲速度參數下，碳纖維絲束的正常展寬情況如圖8 所示，碳纖維絲束未展寬，或已展寬至失效的情況未在其中。

圖7 碳纖維絲束展寬至失效圖Fig.7 Drawing of a carbon fiber tow stretching to failure

圖8 碳纖維絲束展寬情況Fig.8 The stretching of carbon fiber tow

3.1 展寬率分析

在展纖器的纖維出口上方放置直尺，讀取纖維出口處的主體碳纖維絲束寬度，忽略兩側散亂碳纖維單絲的影響。各試驗參數情況下，碳纖維絲束經過氣流展纖后的寬度如表4所示。其中B-a、C-a和C-b試驗參數下，碳纖維絲束未有明顯展寬，A-e、A-f、A-g、Bf和B-g試驗參數下碳纖維絲束展寬至失效。

表4 碳纖維絲束展寬寬度Tab.4 The width of a carbon fiber bundle

碳纖維絲束原始寬度為16 mm。計算纖維絲束的展寬率，公式如下：

式中，RB為展寬率，wb為經過氣流展纖后碳纖維絲束的寬度，wo為碳纖維絲束的原始寬度。各試驗參數下，碳纖維絲束經過氣流展纖后的展寬率如圖9所示。

圖9 碳纖維絲束展寬率Fig.9 Elongation of carbon fiber tow

從圖9 可得，當送絲速度一定時，隨著出口壓差增大，碳纖維絲束的展寬率呈現一定的正加速增長。直至由于出口壓差過大，碳纖維絲束展寬至失效。且隨著送絲速度增快，能使碳纖維絲束展寬的最低出口壓差隨之增大，碳纖維絲束在展寬至失效前能達到的最大展寬率也隨之增大。在送絲速度為40 cm/min 時，碳纖維絲束的最大展寬率為393.75%，而當送絲速度為60和80 cm/min時，碳纖維絲束的最大展寬率分別為450%和468.75%。可以看出碳纖維絲束的最大展寬率逐漸趨于穩定。其原因是，碳纖維絲束的最大展寬率受到展纖通道寬度的限制。

3.2 展寬均勻程度分析

利用MATLAB對圖8進行灰度化和歸一化處理。在此基礎上，設置合理閾值進行二值化處理，使二值化處理圖接近碳纖維照片，如圖10 所示。二值圖由黑色和白色的像素點構成，其示意圖如圖11所示。

圖10 照片與二值化圖對照Fig.10 Comparison between a photo and a binary image

圖11 二值圖像素點示意圖Fig.11 A diagram of the pixel points of the binary map

圖11中紅色方框內黑色像素點的占比表示碳纖維展寬的均勻程度。紅框的橫向范圍從第j-2 列至第j+2列，縱向范圍從第iA行至第iB行。展寬越均勻，碳纖維單絲間白色縫隙越少，照片中碳纖維所在區域內的顏色越接近，二值化處理后，黑色像素點占比越高。因此，計算所得數值越大，均勻程度越好。計算公式如下：

式中，RU為展寬均勻程度，Cb為紅框內黑色像素點的數量，j為圖像中間列像素點縱坐標，iA為第j列第一個黑色像素點的行坐標，iB為第j列最后一個黑色像素點的行坐標。

分別計算不同出口壓差和送絲速度下的碳纖維絲束展寬均勻程度，結果如圖12所示。

圖12 碳纖維絲束展寬均勻程度Fig.12 Distribution uniformity of carbon fiber tow

從圖12 可得，試驗中碳纖維絲束的展寬均勻程度基本保持在90%以上。在送絲速度為40 cm/min時，碳纖維絲束的展寬均勻程度隨著出口壓差的增大明顯逐漸降低。在送絲速度為和80 cm/min 時，碳纖維絲束的展寬均勻程度首先保持在一個較高的范圍內。隨著出口壓差的進一步加大，呈現逐漸降低的趨勢。造成這一現象的原因是，隨著出口壓差增大，碳纖維絲束受到更大的來自低壓區的吸力，向兩側展寬的范圍也隨之增大。由于碳纖維單絲之間的纏繞或交錯，形成簇狀，難以均勻分布在展寬區域中，造成空白間隙的存在，從而降低了碳纖維絲束的展寬均勻程度。

在同樣的70 Pa 和80 Pa 出口壓差下，隨著送絲速度增快，碳纖維絲束的展寬均勻程度有所提高。其原因是，相同出口壓差下，送絲速度增快，碳纖維絲束的展寬率降低，單絲之間的纏繞交錯沒有明顯體現，從而展寬均勻程度相對更高。其次，送絲速度越快，碳纖維絲束通過展纖通道所需的時間越短，受到氣流的干擾影響越小，也會從一定程度上提高其展寬均勻程度。

4 結論

（1）從氣流出口壓差對碳纖維絲束展寬情況的影響看：當送絲速度不變時，氣流出口壓差越大，碳纖維絲束的展寬率越大，但是受到展纖通道寬度的限制，且展寬均勻程度呈加速降低趨勢。

（2）從送絲速度對碳纖維絲束展寬情況的影響看：當氣流出口壓差不變時，碳纖維絲束的展寬率隨著送絲速度的增快而減小，展寬均勻程度越高。

（3）送絲速度越快，能使碳纖維絲束展寬的最低氣壓差越大。隨著出口壓差增大，展寬率呈加速增長趨勢，展寬均勻程度一開始基本不變，后明顯降低。

（4）本文中的氣流展纖試驗臺能夠有效將碳纖維絲束展寬。當送絲速度為80 cm/min，氣流出口壓差為100 Pa 時，能夠得到均勻程度較好且展寬充分的碳纖維絲束，其展寬率為343.75%，三個階段的展寬均勻程度穩定在95.5%左右。通過提高送絲速度以及出口壓差，展寬率可以達到450%甚至更高，但展寬均勻程度會降低至90%。