作者：谢飞1，文立伟1* ，肖军1，李志慧2
( 1. 南京航空航天大学，南京210016; 2. 上海卫星装备研究所，上海200240)
摘要: 在直接预浸法制备自动铺丝预浸纱过程中，展纱宽度是影响预浸纱质量的一个关键因素。借助高速数字图像传感器，研究了展纱机构中，纤维束在错位排列的展纱辊/展纱杆上的展开规律和机理。研究结果表明，展纱杆对纤维束的展开作用明显优于展纱辊，纤维张力的增大、纤维束在展纱杆上包角的增大均有利于纤维束的展开; 当纤维牵引速率较低时，纤维束的展开宽度随速率的增大而增大; 纤维张力利于纤维束的展开，但是过大的张力会使纤维束展开不稳定，宽度波动较大，且易出现劈裂和纤维损伤的缺陷。该研究结果为自动铺丝预浸纱制备工艺提供了指导。
关键词: 自动铺丝; 预浸纱; 展纱宽度; 纤维张力; 展纱辊/展纱杆
中图分类号: TB332 文献标识码: A 文章编号: 1003 － 0999( 2015) 06 － 0036 － 06
1 前言
自动铺丝技术具有高效率、高质量、低成本的特点，主要用于复杂边界和复杂曲面构件的铺叠。自动铺丝技术采用预浸纱为原材料，预浸纱的工艺性能直接影响到自动铺丝工艺过程，并最终决定了复合材料构件的质量和性能。目前，自动铺丝预浸纱的制备方法主要有两种: ①分切法，即使用专用分切设备将宽幅预浸带按照一定的宽度要求( 12. 7mm、6. 35mm 和3. 175mm) 分切后覆膜收卷; ②直接预浸法，即将单/多束纤维束直接浸胶后覆膜收卷。前者适用于预浸纱的大批量生产，效率较高，预浸纱尺寸规整，但存在分切损伤，且成本较高; 后者成本低、无分切损伤，且预浸纱边缘质量较好，不存在毛刺，尤其适用于小批量的预浸纱制备( 如在空间结构中需求量很小的高模量碳纤维预浸纱) ，但其宽度及树脂含量控制难度大。纤维束的展纱宽度控制是直接预浸法的关键。
直接预浸法制备预浸纱的原理见图1，采用擦胶辊浸渍方式，即依靠纤维束与擦胶辊上所附胶膜的直接接触完成浸渍过程。在该制备工艺中，浸渍前纤维束的展纱宽度及均匀性对预浸纱宽度、树脂浸透性至关重要。目前，国内外对展纱宽度的研究较少。Wilson将纤维束处理为连续聚集态，认为纤维束在杆间的爬升高度决定了它的展纱宽度。Weustink和Irfan 等通过实验验证了Wilson 的结论，其中Irfan 对Wilson 的模型加以扩展，认为纤维束在辊上的往复运动以及展开平衡后释放纤维张力可以进一步增大展纱宽度。西北工业大学的冯一川等基于Wilson 的理论，通过建立模型研究了大丝束纤维束在曲型辊上的展开，认为展纱宽度与曲型辊曲率半径成反比，与纤维束爬升高度成正比。北京航空航天大学的罗云烽等研究了不同形状展纱辊对纤维束展开的影响，认为增大异型辊曲率和张力均可以促进纤维束展开。这些研究主要针对用于制备普通预浸料的大丝束纤维束，研究条件多为静态，对于小丝束纤维束在连续牵引条件下的展开宽度研究鲜有报道，而后者更贴近预浸纱的实际制备过程。
图1 预浸纱制备工艺流程
本文针对以上问题，借助高速数字图像传感器构建实验系统，研究了不同条件下，连续纤维束在错位排列的展纱辊/杆上的展开特征，分析了展开规律与机理，为直接预浸法制备工艺的改进、预浸纱宽度的在线控制提供了理论依据。
2 实验系统与材料
实验系统主要由开卷机构、限位机构、展纱机构、图像采集机构、收卷机构和控制系统组成。上述平台可实现纤维牵引速率和纤维张力的精确调控。在纤维展开机构中，纤维的展开通过错位对称排列的展纱辊/杆实现，如图2 所示。其中，展纱辊与展纱杆的区别在于，前者可以绕自身轴线转动，而后者不能转动。通过在辊杆固定板上设置孔位，可以实现展纱辊与展纱杆的更换，以及辊/杆相对位置的调整。图像在线采集机构的主体是基恩士公司的CV-3001 高速数字图像传感器，设置在展纱机构后，可以实时在线获取运动中纤维束的展开的图像，对纤维束宽度的检测精度可达0. 01mm。该传感器主要由CCD 摄像头、图像采集控制器和光源组成。实验中分别对展纱辊/杆的选取及相对位置、纤维张力、纤维牵引速率对纤维束展纱宽度的影响进行了研究。
图2 展纱辊/杆排列方式
3 实验结果与分析
3. 1 展纱辊和展纱杆对展纱宽度的影响
在目前的关于展纱宽度的研究中，纤维束的展开可以通过展纱辊或展纱杆完成。如Wilson 的研究采用了展纱杆; 罗云烽等人的研究采用了展纱辊;而Irfan 等人在实验中同时使用了展纱辊和展纱杆，却没有区分它们之间在展纱能力上的差别。而在本文前期实验中发现，在连续牵引条件下，展纱辊和展纱杆对纤维束的展开效果相差甚大。为分别探究展纱辊和展纱杆的展纱效果，在图2 的系统中分别设置了四种布局的实验，如表2 所示。其中，所有辊和杆的直径均为20mm，L = 200mm，α = 60°，纤维张力控制在5N，纤维束牵引速率为3m/min。
图3 展纱辊/杆对纤维束的展开图片
图4 展纱辊/杆对展纱宽度的影响
假设纤维束展开前的理想堆垛模型如图5 所示，每根纤维所受的张力相等。不考虑纤维自身重力及纤维间摩擦力的作用，当纤维束与展纱辊或杆表面接触时，纤维主要受到的力有周围纤维对其的支持力N、由纤维张力产生的压力T0，最下层纤维还受到支持力NS及摩擦力FS的作用。对于底层的纤维1 来说，它的左上和右上方向分别有n 和m 层纤维，其在水平方向所受到支持力的合力F为:
F = ( Nm － Nn) sinθ = （m － n/2） T。 tanθ ( 1)
式中，θ 为T。和Nm的夹角。而纤维2 在压力T。及周围纤维的支持力下保持平衡。
图5 纤维束堆垛模型
由公式( 1) 可知，当T。足够大，可以使纤维1 所受支持力的合力F 克服与接触面间的摩擦力FS时，纤维1 将向左产生横向运动。同时该过程会打破纤维2 的受力平衡，使纤维2 在压力T。以及上层纤维的支持力作用下向下滑移，进入下层纤维的间隙中。同理，纤维2 空出的位置也将由上层纤维来填补。因此，底层纤维( 纤维1) 的横向位移会引起连锁反应，造成部分上层纤维坍塌，使纤维束的厚度减小，宽度增大。从式( 1) 中可以看出，对于底层纤维，m和n 相差越大，即越靠近纤维束的边缘位置，纤维越容易克服摩擦力的作用产生横向运动; 越靠近纤维束中心位置，纤维越难以移动。也就是说，纤维束的展开主要是通过边缘附近纤维的横向位移和坍塌来实现的。
当纤维束在展纱辊上牵引运动时，底层纤维与辊面间无相对滑动，两者之间为静摩擦。而同等情况下，底层纤维与杆表面之间为滑动摩擦。由于滑动摩擦力始终小于静摩擦力，即运动中的纤维束在杆上展开时所受到的摩擦阻力要小于在辊上的摩擦阻力，纤维束可以获得较大程度的展开，因此，展纱杆的展纱能力要优于展纱辊。在设计展纱辊和展纱杆时，为取得较好的展纱效果，应尽可能控制其表面光滑。虽然相比较展纱辊，展纱杆拥有更好的展纱能力，但纤维与杆表面间的滑动摩擦会使纤维容易受到损伤，因此要合理控制展纱杆的数量。在实验中观察到，当展纱杆的数目达到3 个时，纤维出现了一定程度的损伤，且在展开过程中纤维束易出现劈裂的缺陷，如图6 所示。为保证纤维束充分稳定展开，同时避免出现展开缺陷，在下面的实验中均采用B组实验中的布局方式。
图6 展纱过程中形成的缺陷
3. 2 纤维张力对展纱宽度的影响
纤维张力是预浸纱制备过程中一个十分重要的工艺参数，影响着预浸纱的最终质量。研究纤维张力对预浸纱制备质量的影响，合理控制张力是非常必要的。其中，纤维张力对纤维束展开至关重要。为了研究纤维张力大小对纤维束展开宽度的影响，分别在丝束张力为5N、8N、12N 的条件下进行了三组实验，结果如图7 和图8 所示。
图7 不同张力下的纤维束展开图片
图8 纤维张力T对展纱宽度的影响
从图中可以看出，纤维张力对展纱宽度有着显著的影响，纤维张力增大，展纱宽度也随之增大。当纤维张力从5N 增大到8N 和12N 时，展纱宽度分别增加了约25%和40%。由上节分析可知，纤维张力越大，纤维所受的压力T0就越大，这样可以驱动更多的底层纤维运动并引起上层纤维坍塌，纤维束会取得更大程度的展开。因此，纤维张力可以在很大程度上促进纤维束的展开。实验数据表明，展纱宽度对张力的变化比较敏感，因此要对预浸纱制备过程的纤维张力进行严格精确地控制。此外，增大纤维张力虽然会促进纤维束展开，但同时会引起展纱宽度波动的增大，当T = 12N 时，展纱宽度的波动达到了0. 7mm，超过了自动铺丝用预浸纱所允许的最大宽度波动要求。张力过大还会带来纤维束劈裂、纤维损伤的缺陷。实验过程中观察到，当T = 8N时，纤维束开始出现劈裂的现象; 当T = 12N 时，劈裂现象出现频率更高，同时还会伴随着纤维损伤。
3. 3 展纱辊/杆相对位置对展纱宽度的影响
参照图2，展纱辊/杆的相对位置由辊/杆间距离L 及纤维束爬升角度α 确定。展纱辊/杆的相对位置主要影响了纤维束在展纱杆上包角φ 的大小。包角φ 增大意味着纤维与展纱杆间的接触区域增大，接触时间变长，更加利于纤维束的充分展开。此外，包角φ 的大小也会影响纤维张力的大小。根据摩擦学理论，展纱杆后纤维张力T( φ) 与包角φ之间的关系为:
T( φ) = Teμsφ ( 2)
式中，μs为纤维束与杆表面间的摩擦系数。由公式( 2) 可知，纤维张力随着包角φ 的增大而增大，而纤维张力可以促进纤维束的展开。因此，纤维束在展纱杆上的包角φ 的大小对纤维束的展开宽度有着重要的影响。根据图2 中的几何关系，可以确定包角φ 与展纱辊/杆间距离L 及纤维束爬升角度α的关系:
φ = π + 2α － 2arccos (r1 + r2/L)( 3)
从式( 3) 中可以看出，L 减小、α 增大均会使包角φ 增大。为此，通过两组实验分别探究α 和L 对纤维束展开宽度的影响。
3. 3. 1 纤维束爬升角度对展纱宽度的影响
参照图2可知，保持L= 150mm 不变，α从40°变化到70°，观察到的纤维束展开宽度如图9 和图10 所示。
图9 不同纤维束爬升角度α下的纤维束展开图片
图10 α对展纱宽度的影响
从图中可以看出，随着α 的不断增大，展纱宽度逐渐增大，两者近似为线性关系。由公式( 3) 可知，纤维束爬升角度α 线性地影响了纤维束在展纱杆上的包角φ，因此可以得出结论，包角φ 是影响展纱宽度的重要因素之一，两者之间也应成近似线性关系。随着包角的增大，展纱宽度逐渐增大，但同时由于纤维张力的变化，宽度的波动也会增大。在实验中观察到，当α = 70°时，纤维束展开不稳定，宽度的波动达到了0. 66mm，同时纤维束开始出现劈裂和纤维损伤的缺陷。
3. 3. 2 辊/杆间距离对展纱宽度的影响
保持α =60°不变，L 从50mm 一直变化到400mm，观察到的纤维束展开宽度如图11 所示。
图11 L 对展纱宽度的影响
由图可知，随着L 的不断增大，展纱宽度在逐渐减小。当L = 50mm 时，纤维束的展开宽度为L =300mm 时的140%左右。由于L 增大而引起的纤维束在展纱杆上包角φ 的减小是展纱宽度减小的原因之一。此外，当纤维束与展纱杆脱离接触后，纤维会有重新向纤维束的中心聚集的趋势，使纤维束的厚度增加，宽度减小。该现象对纤维束宽度的影响会随着辊/杆间的距离L 的增大而愈加显著。这两个因素共同作用会使展纱宽度随着L 的增大而减小。
3. 4 纤维牵引速率的影响
纤维牵引速率是与预浸纱制备效率直接相关的工艺参数，速率越大，制备效率越高，预浸纱的成本也随之降低，但是速率过大又会影响预浸纱的质量。为兼顾预浸纱的制备效率及质量，探究了不同纤维牵引速率( 1m/min、3m/min、5m/min 和8m/min) 对展纱宽度的影响，结果如图12 和图13 所示。
图12 不同纤维牵引速率v 下的纤维束展开图片
图13 纤维牵引速率v 对展纱宽度的影响
从图中可以看出，纤维牵引速率对展纱宽度影响较大。当纤维牵引速率在1 ～ 5m/min 的范围内，速率增大时，展纱宽度有明显的提升。此后，随着纤维牵引速率的继续增大，展纱宽度虽有增大，但增幅并不显著。由于纤维与杆表面的摩擦属于干摩擦，相对速率较低的情况下，纤维与杆表面间的滑动摩擦力会随着纤维牵引速率的增大而减小。因此，纤维牵引速率的增大会减小纤维运动的阻力，使其更易在张力的驱动下获得展开。此外，纤维牵引速率越小，展纱宽度的波动范围越小，纤维束展开越稳定。虽然纤维牵引速率越大越有利于提高预浸纱的制备效率，但是过大的牵引速率会使展纱宽度波动较大，易出现劈裂的现象。为保证纤维束取得稳定的展开，应合理控制纤维的牵引速率。
4 结论
展纱宽度对预浸纱的制备有着重要意义，其影响因素包括展纱辊/杆的选用、纤维张力、纤维束在展纱杆上的包角φ 以及纤维牵引速率。分析展纱实验的数据可以得到以下结论:
( 1) 展纱杆对纤维束的展开作用要明显优于展纱辊，这是因为纤维与杆表面的滑动摩擦力要小于与辊表面的静摩擦力，使纤维束更易获得展开。但展纱杆数目不宜过多，否则会引起纤维束的劈裂和纤维的损伤;
( 2) 纤维张力是纤维束在展纱辊或杆上展开的重要驱动力，纤维束的展纱宽度会随着纤维张力的增大而增大。但张力过大会引起展纱宽度波动过大，增大纤维损伤出现的概率;
( 3) 通过增大包角φ 可以使纤维束与展纱杆间的接触时间增大，利于纤维束的充分展开，同时会增大纤维过杆时的张力，促进展纱宽度的增加。但包角φ 不宜过大，否则会使纤维束因所受张力过大而出现劈裂和纤维损伤的现象;
( 4) 当纤维牵引速率较低时，通过增大纤维牵引速率可以减小纤维束与杆表面的滑动摩擦力，从而促进纤维束的展开; 纤维牵引速率较高时对纤维束的展开影响变弱，但会使宽度的波动增大;
( 5) 对于本实验所用ZT700 纤维而言，展纱杆数量应少于2 个，纤维张力在5 ～ 8N、纤维牵引速率在3 ～ 5m/min 是合适的工艺窗口，各参量的精确稳定控制和协调是制备高性能预浸纱的关键。
参考文献：略