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在認(rèn)識(shí)碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料制品時(shí)，很多人看到具有碳纖維紋路的制品第一感覺(jué)就是酷，具有時(shí)尚科技感。今天我們就來(lái)探討不同碳纖維紋路來(lái)做碳纖維復(fù)合材料制品有什么不一樣。

碳纖維在復(fù)合材料中起到承載載荷的作用，外界作用于CFRP復(fù)合材料上的力都會(huì)經(jīng)塑料傳遞給碳纖維，所以對(duì)CFRP復(fù)合材料的破壞首先要破壞碳纖維。

那么對(duì)碳纖維的破壞基本可分兩種，一種是平行于碳纖維方向的拉伸力，這個(gè)力會(huì)將碳纖維拉斷，所以要求碳纖維具備較高的拉伸強(qiáng)度；另一種是剪切力，這個(gè)力垂直于碳纖維方向，要求碳纖維具備較高的抗剪切強(qiáng)度。可惜在所有碳纖維供應(yīng)商產(chǎn)品性能參數(shù)一欄里都沒(méi)有出現(xiàn)碳纖維剪切強(qiáng)度的表述。這是因?yàn)槭紫忍祭w維剪切強(qiáng)度很小，另一方面碳纖維本身屬于一維材料，在直徑尺度很小，對(duì)碳纖維制品的任何剪切力都可以分解成不同方向碳纖維的拉伸力。

有了這個(gè)概念，那么進(jìn)行復(fù)合材料制品設(shè)計(jì)過(guò)程中，盡可能了解制品的受力情況，然后對(duì)制品的纖維排布方向進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化，盡可能的使作用于碳纖維復(fù)合材料外力分解成不同方向上碳纖維的拉伸力，因?yàn)槔鞆?qiáng)度高是碳纖維的最大優(yōu)勢(shì)，以己之長(zhǎng)攻彼之短嘛。二維的編織布是制造碳纖維復(fù)合材料制品和預(yù)浸料的原料，也是進(jìn)行纖維排布方向優(yōu)化的基礎(chǔ)。那么對(duì)不同碳纖維布編制方向的了解將會(huì)有助于碳纖維復(fù)合材料制品的設(shè)計(jì)。

平紋編織的特點(diǎn)是經(jīng)紗和緯紗以一上一下的規(guī)律交織。也就是經(jīng)緯紗每隔一根紗就交錯(cuò)一次（如圖1、2），所以交織點(diǎn)最多，使織物堅(jiān)牢、耐磨、硬挺、平整，但彈性較小，光澤一般，平紋織物密度不可能太高，較為輕薄，耐磨性較好，透氣性較好，布面均勻且正反面相同。這種碳纖維布的纖維束由于一直處于上下起伏的狀態(tài)，纖維彎曲點(diǎn)比較多，在受拉伸過(guò)程中伸長(zhǎng)率較高。同時(shí)由于相鄰兩根經(jīng)紗和相鄰兩根緯紗交織點(diǎn)位置由于纖維束的滑動(dòng)出現(xiàn)眼孔。平紋編織的變種形式也很多，比如12K經(jīng)紗與1K緯紗混合編織。由于經(jīng)線(xiàn)和緯線(xiàn)方向上纖維束的反射光不同，因此平紋編織纖維布可觀察到格子狀的外觀，類(lèi)似于國(guó)際象棋的棋盤(pán)。

圖1

圖2

斜紋編織纖維布具有與纖維束排布方向有一定夾角的斜向紋路（如圖3、4），這個(gè)紋路方向上并不存在纖維束，而是由于纖維束經(jīng)緯向編織過(guò)程，經(jīng)向或緯向纖維束跳過(guò)兩束緯向或經(jīng)向纖維進(jìn)行編織。也就是纖維束一上一下的編織頻率減小，纖維束浮長(zhǎng)增大，同時(shí)相鄰兩個(gè)纖維束錯(cuò)開(kāi)一個(gè)編織位。這樣就造成了斜紋編織布的斜向紋路特點(diǎn)。這種斜紋外觀具有很強(qiáng)的立體感，用來(lái)做汽車(chē)改裝制品，比如面板、引擎蓋、排氣筒等。

圖3

圖4

緞紋編織具備單獨(dú)的、互不連續(xù)的經(jīng)交織點(diǎn)（或緯交織點(diǎn)）在組織循環(huán)中有規(guī)律的均勻分布如圖（5、6），這樣的編織形式稱(chēng)為緞紋。它的特點(diǎn)是經(jīng)線(xiàn)（或緯線(xiàn)）浮線(xiàn)較長(zhǎng)，交織點(diǎn)較少，它們雖形成斜線(xiàn)，但不是連續(xù)的，相互間隔距離有規(guī)律而均勻，此纖維布結(jié)構(gòu)形式稱(chēng)為緞紋組織。緞紋纖維布經(jīng)紗和緯紗至少隔三根才交織一次，因此這種編織結(jié)構(gòu)使織物密度更高，因而纖維布更加厚實(shí)。這種緞紋纖維布表面平滑勻整，質(zhì)地柔軟，富有光澤或稍呈紋路。這類(lèi)纖維布強(qiáng)度低于平紋和斜紋。

圖5

圖6

這三種編織形態(tài)由于碳纖維束受到彎曲和其他纖維束的影響造成碳纖維布的強(qiáng)度有差異，而且表征碳纖維編織布強(qiáng)度會(huì)有拉伸力、撕扯力、頂破力、彎曲力等，這些也是隨著編織方式的不同各有差異?？傮w來(lái)說(shuō)在碳纖維束排布方向上的拉伸強(qiáng)度與纖維強(qiáng)度和纖維摩擦力相關(guān)。而與纖維束不同的方向上的拉伸力則與纖維的編織形態(tài)關(guān)系較大了，一方面這一拉伸力可分為纖維平行方向和垂直方向上的力，平行方向的力要求纖維強(qiáng)度高，垂直方向上的力則與編織形態(tài)對(duì)纖維束的阻力有關(guān)了。

東華大學(xué)紡織學(xué)院在研究編織結(jié)構(gòu)對(duì)織物強(qiáng)度的影響則有平紋>斜紋>緞紋。而在撕扯強(qiáng)度方面則有緞紋>斜紋>平紋。不過(guò)單獨(dú)研究編制結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料的影響有一些片面，需要綜合基體材料及制品受力情況來(lái)考量。

本文說(shuō)論述碳纖維布的概念屬于狹義范疇，碳纖維布有編織類(lèi)的，就像我們今天將的平紋、斜紋、緞紋編織；針刺類(lèi)的，像針刺薄氈和無(wú)紡布；還有一種無(wú)緯布，就是整個(gè)纖維布的纖維排布在一個(gè)方向上，這在預(yù)浸料中很常見(jiàn)，靠網(wǎng)胎和樹(shù)脂保持布狀形態(tài)。碳纖維布是我們?cè)O(shè)計(jì)復(fù)合材料的基礎(chǔ)，根據(jù)受力情況優(yōu)化某一方向上纖維束的排布方向是關(guān)鍵，可設(shè)計(jì)性是復(fù)合材料得以存在的優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)復(fù)合材料制品企業(yè)在這一方面的研究應(yīng)該更深。