一文详解碳纤维开纤技术的特征、材料性能优势以及常见产品

一文详解碳纤维开纤技术的特征、材料性能优势以及常见产品

碳纤维开纤技术是近年来材料科学领域的重要创新之一。通过将碳纤维丝束在大范围内均匀展开，这项技术不仅实现了材料的轻量化，还显著提升了其机械性能和加工性能。本文将详细介绍碳纤维开纤技术的特征、材料性能优势以及常见产品形式。

碳纤维的优异特性

碳纤维不仅具有质轻、坚固、耐腐蚀等特性，而且还具有优异的导电性、耐热性、尺寸稳定性、化学稳定性等。

机械/动态特性：

• 与金属等相比，比重小（1.7～2.0）且更轻。
• 弹性模量高（200～650GPa）和高刚性。
• 高强度（3000MPa～7000MPa）。
• 振动衰减性优异。
• 各向异性材料，可根据目的进行适当的结构设计。

热性能：

• 在惰性气氛中耐热性优异。
• 热膨胀系数小，尺寸稳定性好。
• 具有导热性。

电磁特性：

• 具有电磁波屏蔽性。
• X射线的透过性好。

化学特性：

• 具有优异的耐化学性。

电学特性：

• 具有一定的导电性。

碳纤维的开纤技术及优势

开纤技术，又称为展纱技术，它是将碳纤维丝束在大范围内较薄且均匀地展开而制造开纤纱的技术。碳纤维是由数千至数万根长丝组成的束丝，其截面呈圆形或略扁。经过开纤后，数千至数万根长丝沿宽度方向铺展，截面呈扁平。

采用碳纤维开纤纱的织物主要具有以下优点：

实现薄层化，卷曲角度减小，机械性能提高

a）由于卷曲小，树脂分散均匀

下图对比了碳纤维开纤前后，使用其织物加工的层压板结构图，其中左侧为碳纤维开纤前结构图，在使用传统碳纤维织物（3K）的层压板中，富含树脂的部分分布不均匀。而在右图使用碳纤维开纤纱织物制成的层压板中，树脂和碳纤维均匀分散，机械性能得以提高。

b）提高碳纤维的直线度，将纤维的性能发挥到极限

未经开纤处理的碳纤维丝束较粗，表面凹凸较大，由于纤维束的弯曲，强度降低，树脂浸渍较差，层间易剥离（如下左图所示）。经过开纤处理后，碳纤维丝束内部薄、轻、凹凸不匀下降，编织角度小。具有优异的树脂浸渍性能，层间不易剥离，因此疲劳性能等显示出较高物理性能值（如下右图所示）。因此，经过开纤处理后，纤维祈福较小，并且可以缓解应力集中。

薄层CFRP复合材料的内部损伤抑制效果

c）不会因横向裂纹而产生层间剥离

由传统的碳纤维及其织物制成的层压材料容易在层与层之间出现横向裂纹和分层（如下左图所示）；经过开纤处理后，使用碳纤维开纤织物制备的层压板，不易产生横向裂纹，不易发生层间剥离（如下右图所示），从而使得疲劳强度提升。

使用碳纤维展纱织物的CFRP 层压板拉伸、弯曲和层间剪切强度提高

常见的碳纤维开纤产品

3.1 碳纤维开纤纱

经过开纤处理后，可以将12K～48K规格PAN级碳纤维束丝连续开纤至2～40mm的宽度，而且根据碳纤维的种类，可以开纤宽度的范围也有所不同。

3.2 碳纤维开纤织物

开纤后的碳纤维可以用于经编、纬编等织物，形成比以往碳纤维纺织品更薄的结构，成形性（树脂浸渍）和物性提高。

开纤前后形成的碳纤维织物

3.3 碳纤维开纤预浸料

根据用途可以加工厂预浸料/半浸料等各种类型的中间材料，并可以改变浸渍树脂的类型，如热固性树脂或热塑性树脂。

• 预浸料：用热固性树脂或热塑性树脂浸渍碳纤维开纤纱或开纤织物而制成的CFRP（碳纤维增强塑料）成型用基材。由于它是用树脂浸渍的，因此可以用于短时间的热压成型。
• 半浸料：将热塑性树脂薄膜层压在开纤纱或开纤织物上而制成的CFRTP（碳纤维增强热塑性塑料）成型基材。由于具有柔韧性，它是一种具有高成型性的材料，可以通过热压成型成为CFRTP。