碳化硅纤维长丝机织预制件织造关键技术

碳化硅纤维长丝采用机织的方式织成的织物具有经、纬密的均匀性好，变异系数小，织物参数可控的优点。此外，与编织、缝合、穿刺等生产方式相比，机织的生产效率更高，能耗更少，成本更低。三维机织物可作为复合材料的预制件，但因碳化硅纤维脆性大 ,织造过程中易出现起毛、断裂等问题，如何在织机上实现碳化硅纤维长丝预制件的稳定生产，成为近年来复合材料研究领域的重要课题之一。

碳化硅纤维长丝织造关键技术

碳化硅纤维长丝通过织机可制成复合材料预制件，但碳化硅纤维直径粗、脆性大、织造过程易起毛、断裂, 因此织造过程中控制点多、难度大，目前国内碳化硅纤维长丝机织物织造还不成熟，主要存在以下几个方面的问题：

（1） 织物的经密与纬密设计不合理，成型结构不稳定，外观不平整；

（2）上机经纱张力控制不均匀，导致纬纱歪扭明显，严重的可能导致断经；

（3）纬纱张力不稳定，造成布边疏密不匀、脱边等不良现象；

（4）开口不清，造成织造断纱；

（5）卷取缠绕方式不合理，造成布面抖动，布卷成型不良；

（6）布边设计的不合理，边纱的张力大小和施加方式，边纱的穿入方式控制不合理，造成荷叶边、卷边等不良现象。

针对以上问题，苏州赛菲集团组织技术人员进行研究与攻关，主要在以下几个方面进行改造，基本解决了碳化硅纤维长丝织造过程的关键技术问题。

1.整经和多经轴送经系统

整经是碳化硅纤维长丝织造的准备阶段，其工艺参数的设定和控制是关键。碳化硅纤维断裂伸长小、弹性低、脆性大，整经过程中经纱张力过大会出现毛丝、叉丝，因此经纱通道要保持全程通畅且足够光滑，筒子架上的所有丝筒结构紧凑，保持张力恒定。整经采用分批整经的方法，即将全幅织物所需总经根数分成若干经轴，将其放置在多经轴送经机架上，实现可持续送经，满足织造要求。送经方式为被动送经，依靠织机卷取机构实现送经，通过气动控制经轴张力，每个经轴气压控制在0.2M Pa内。

苏州赛菲集团采用的整经机可实现整经速度 5m /min，不会因速度过快而造成卷绕不匀。采用多经轴分批整经，每根经纱经导纱杆牵引通过特制的瓷眼引出，且筒子整体按照 V 行排布，保证了丝筒之间不分绞。筒子架上的丝经过伸缩筘、导纱辊后卷绕在经轴上，整个过程中各接触面光滑。整经过程中经轴表面平整，卷绕密度合适而均匀，整经张力适当且恒定。整个整经过程实现张力、排列、卷绕三均匀。

织造工艺流程

2. 专用织造设备的研究

由于碳化硅纤维的特殊性能，织造碳化硅纤维长丝须采用专用的织造设备。苏州赛菲集团改进的 2.5D 多功能刚性剑杆织机，采取四梭升降织造，气缸控制剑杆引纬，且剑杆引纬设有缓冲装置。织造工艺流程见图 1。

织机采用刚性剑杆，最大限度地避免了布面起毛。其主要特点是不需要任何引导装置就可将纬纱传输到织口中心位置，设备占地面积小。设备的核心可调工艺控制参数包括：织机车速、上机张力、综平时间、织造开口等。

由于碳化硅纤维延展性差，故施加张力时要有适宜的控制点，一方面保证多经轴架上气压控制稳定，在经纱分层时实施上浆工艺，避免起毛。钢筘打纬的过程也会对织造产生负面影响，为减少经纱通过钢筘时筘齿磨毛经纱，在保证经密要求的基础上要增加穿入数，减小筘号。

织造过程中，梭子中卷绕所需纬纱，引纬依靠剑杆来回抓取梭子，由于引纬承受张力对边纱容易造成损伤，需要按照织物组织结构设定边纱。碳化硅纤维模量高、脆性大，且无法承受较大的剪切力，因此不能用作边纱，需选取特定纱代替，同时要控制好边纱根数等参数，保证在循环引纬时顺利形成光边。织造过程中，后梁高低、胸梁位置会影响各层经纱张力及开口控制，故碳化硅纤维要选取合适的调节位置，才有利于纤维的织造。织机采取被动送经，卷取机构的选取是控制经纱张力的关键，一般采取的独立步进电机传动、积极式卷取，可实现变纬变密卷取；上下辊夹持配合织机程序卷布，卷取收布另外增设一个电磁感应卷取辊，通过张力杆控制成品布卷取。

织造示意图

3. 织物结构工艺设计

碳化硅纤维长丝的织造是在织物结构工艺设计的基础上实现的，大多采用 2.5D 多层织物。2.5D 多层织物设计是通过经纱上下移动，与多层纬纱交织，得到角联锁组织 。角联锁包括层间角联锁和贯穿深度角联锁。通过增加经纬纱交织的数目设计出更多角联锁结构，例如带衬经、衬纬的角联锁结构等 。

在实际织造时，综框上下运动易与碳化硅纤维产生摩擦，从而引起起毛、断裂等现象。因此，在设计织物结构时，要考虑到提综顺序，保证织造前后两纬升起、降落的综框落差不要太大，即在设计角联锁结构的时候可以通过考虑更换纬纱的顺序来调节。