一种高导热高模量碳纤维织物及其制备方法
阅读说明：本技术 一种高导热高模量碳纤维织物及其制备方法 (High-heat-conductivity high-modulus carbon fiber fabric and preparation method thereof ) 是由 黄立叶 孙海成 王刚 吴伟 高峰阁 于 2020-12-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种高导热高模量碳纤维织物及其制备方法,通过对高导热高模量碳纤维编织设备中纤维通过约束路径的表面粗糙度、纤维接触部位的罗拉半径、导丝孔的曲率半径等,减少高模量纤维在编织过程中的磨损及过大的弯折角的产生,减少断丝、毛丝的产生,进而实现高导热高模量碳纤维的成功编织,同时保证纤维较高的性能保持率。(The invention discloses a high-heat-conductivity high-modulus carbon fiber fabric and a preparation method thereof, wherein abrasion and overlarge bending angle of high-modulus fibers in a weaving process are reduced by restricting the surface roughness of a path, the roller radius of a fiber contact part, the curvature radius of a yarn guide hole and the like of the fibers in high-heat-conductivity high-modulus carbon fiber weaving equipment, and the generation of broken yarns and broken yarns is reduced, so that the successful weaving of the high-heat-conductivity high-modulus carbon fibers is realized, and meanwhile, the higher performance retention rate of the fibers is ensured.)
技术领域
本发明属于碳纤维制品技术领域，具体涉及一种高导热高模量碳纤维织物及其制备方法。
背景技术
高导热高模量碳纤维具有高导热、超高模量、低膨胀以及轻质高强等优异性能，是最好的结构功能一体化材料之一，可广泛应用于高精密集成电路等散热领域以及卫星结构件等对热尺寸稳定性要求高的领域。传统的散热材料使用铜、铝等金属，其密度大热膨胀系数高难以满足部分领域高精度要求，因此高导热高模量碳纤维复合材料具发展前景的高导热候选材料之一。
高导热高模量碳纤维同时具有高模量特性，压缩模量低，断裂延伸率小，抗剪切性能差，屈曲性差，编织时容易断丝及起毛，纱线经过罗拉表面、穿综及纱线交织时极易产生磨损、毛丝、断丝等，难以编织成型，传统的编织工艺不再适用，增加了高导热高模量碳纤维的编织难度，阻碍了高导热高模量碳纤维布的应用。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种高导热高模量碳纤维织物及其制备方法，减少了高导热高模量碳纤维编织过程中纤维的损伤，提高高导热高模量碳纤维织物中碳纤维的性能保持率，促进高导热高模量碳纤维及其制品的应用。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高导热高模量碳纤维织物，所述碳纤维织物采用热导率为500W/(m·K)-1000W/(m·K)，模量为700GPa-960GPa的高导热高模量碳纤维制成，所述高导热高模量碳纤维在编织前经过预上浆工序。
进一步的，所述高导热碳纤维织物的结构为平纹、斜纹、缎纹中的一种。
本发明还提供一种高导热高模量碳纤维织物的制备方法，具体步骤如下：
S1，经纱放纱：将经纱碳纤维纱线由多轴筒纱架上退绕，退绕下的经纱碳纤维纱线经过光滑的导丝杆后由导丝杆组合引出多轴筒纱架；
S2，小角度集丝：将引出多轴筒纱架的经纱碳纤维纱线引入集丝板的导丝孔，所述导丝孔内壁光滑，所述集丝板使经纱碳纤维纱线的幅宽与织物最终幅宽相同；
S3，大罗拉整经及经纱张力控制：集丝后的经纱碳纤维纱线引入张力补偿装置，所述张力补偿装置对经纱碳纤维纱线进行整经，整体调节经纱碳纤维纱线的微张力；
S4，提综：通过张力补偿装置的经纱碳纤维纱线进入编织机，经纱碳纤维纱线穿过综框；
S5，引纬与打纬：纬纱放置于在纬纱纱架上，纬纱从纬纱纱筒上退绕，由刚性杆引纬，并采用传统打纬方式进行打纬，得到高导热高模量碳纤维织物；
S6后，织物卷取，得到高导热高模量碳纤维织物后，采用织物卷取装置进行收卷。
进一步的，步骤S1中，多轴筒纱架采用伺服电机驱动的主动式放丝，所述多轴筒纱架上设置有纱筒，单个纱筒可灵活转动，且纱筒转动灵活度可进行微调，退绕时放丝角度小于10°，放丝张力小于5N每轴。
进一步的，步骤S1中，所述导丝杆组合包括导丝横杆和导丝竖杆，所述导丝竖杆为多个，所述导丝横杆设置所述导丝竖杆的外侧，所述导丝杆和导丝竖杆的直径不小于10mm，导丝横杆的直径不小于30mm；所述导丝杆、导丝横杆和导丝竖杆均为表面粗糙度为3μm-10μm的喷砂镀硬铬材质。
进一步的，步骤S2中，所述导丝孔为圆形，所述导丝孔内表面的面曲率半径不小于15mm，所述导丝孔内表面采用表面粗糙度为3μm-10μm的喷砂镀硬铬材质，经纱碳纤维纱线与导丝孔轴向的夹角小于10°。
进一步的，步骤S3中，所述张力补偿装置包括前罗拉、中罗拉、后罗拉及支撑架，所述前罗拉、中罗拉和后罗拉均带有轴承，所述中罗拉的轴承上还带有弹簧，所述前罗拉、中罗拉和后罗拉表面粗糙度为3μm-10μm，直径不小于60mm。
进一步的，步骤S4中，所述综框的提综方式为机械式缓慢提综，所述综眼为陶瓷材质，所述综眼表面进行喷砂镀硬铬处理，所述综眼的表面粗糙度为3μm-10μm，所述综眼内表面的曲率半径不小于5mm，碳纤维纱线在所述综眼处的最大折弯角度小于5°。进一步的，步骤S6中，采用织物卷取装置进行收卷时，所述高导热高模量碳纤维织物相邻织物层之间还设置有离型纸，所述离型纸用于避免相邻织物层间摩擦及挤压导致织物损伤。
进一步的，步骤S5中，所述经纱碳纤维纱线传送速度由所述织物卷取装置的织物卷取速度控制，所述纬纱密度由每次打纬时所述织物卷取装置的织物卷取速度控制。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明在现有技术难以编织高导热高模量碳纤维的情况下，提供一种高导热高模量碳纤维织物的制备方法，通过在将多轴筒纱架中的导丝杆、导丝杆组合和张力补偿装置中的滚动轴的表面制成光滑的，以及集丝板上的导丝孔和综框上的综眼的内表面也制成光滑的，从而避免编织时高导热高模量碳纤维束通过上述设备时与导丝杆、导丝杆组合、滚动轴、导丝孔和综眼出现过多摩擦而导致高导热高模量碳纤维束出现断丝和起毛，减少高导热高模量碳纤维在编织过程中纤维的损伤，使高导热高模量碳纤维织物可以顺利编织，并提高织物的平整度，提高碳纤维布中碳纤维的性能保持率(＞90％)，促进高导热高模量碳纤维及其制品的应用。
本发明的制备方法中，放丝架中的导丝杆直径不小于10mm，导丝杆组合中导丝横杆的直径不小于30mm，导丝竖杆的直径不小于10mm，通过采用较大的直径可减少高导热高模量碳纤维编织时产生毛丝及断丝的情况，提高得到织物的质量。
本发明的制备方法中导丝杆、导丝横杆、导丝竖杆、导丝孔、罗拉和综眼的表面粗糙度均为3μm-10μm，避免设备表面过于光滑甚至镜面情况导致的纤维在设备表面的黏连，同时避免因设备表面粗糙度过大，导致的纤维损伤，减少纤维毛丝及断丝的产生。
本发明的制备方法中，导丝孔、综眼要求的曲率半径分别大于15mm和5mm，通过采用较大的曲率半径，减小纤维在导丝孔、综眼处的弯折情况，减少毛丝和断丝的产生，尽可能增加纤维的性能保持率。
本发明的制备方法中，张力补偿装置采用罗拉+弹簧的方式对高导热高模量碳纤维束进行张力补偿，在织布时，实现自动补偿高导热高模量碳纤维束的张力的目的，保证了高导热高模量碳纤维束的松紧度与平整度。
本发明提供的一种高导热高模量碳纤维织物，采用热导率为500W/(m·K)-1000W/(m·K)，模量为700GPa-960GPa的高导热高模量碳纤维制成，并且在高导热碳纤维在编织前经过预上浆工序，得到高导热高模量碳纤维织物具有高导热、超高模量、低膨胀以及轻质高强等优异性能，是最好的结构功能一体化材料之一。
附图说明
图1本发明编织过程整体图；
图2导丝杆组合结构图；
图3集丝板结构图；
图4导丝孔结构图；
图5张力补偿装置结构图；
图6综框结构示意图
图7成功编织效果图；
附图中：10-碳纤维纱线；20-多轴筒纱架；21-纱筒；22-导丝杆；30-导丝杆组合；31-导丝横杆；32-导丝竖杆；40-集丝板；41-导丝孔；50-张力补偿装置；51-前罗拉；52-中罗拉；53-后罗拉；54-支撑架；60编织机；61-综框；62-综眼；62-辊轮；70-织物卷取装置；80-碳纤维纱线；90-纬纱纱架；91-纱筒。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
本发明的实施方式并不受以下实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化、微调，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
如图1至7所示，本发明提供一种高导热高模量碳纤维织物，高导热高模量碳纤维织物采用热导率为500W/(m·K)-1000W/(m·K)，模量为700GPa-960GPa的高导热碳纤维制成，高导热碳纤维在编织前经过预上浆工序，所用上浆剂具有耐磨、韧性高的性能。
优选的，如图7所示，高导热碳纤维织物的结构为平纹、斜纹、缎纹中的一种。
本发明提供的一种高导热高模量碳纤维织物的编织方法，具体如下：
(1)经纱放纱。将经纱碳纤维纱线10放置在多轴筒纱架20上，退绕时放丝角度小于10°，放丝张力小于5N每轴，纱架上单个纱筒21可转动灵活，且其转动灵活度可进行微调，引纱后，对每束经纱碳纤维纱线10进行张力测试，并通过纱筒21转动灵活度调节单束经纱张力，使各经纱张力保持一致。
优选的，本发明多轴筒纱架20的纱筒21制作时应保证转动灵活，无卡滞，纱筒21总数量为500，也可根据实际情况进行纱筒21数量的调整。
优选的，本发明多轴筒纱架20采用伺服电机驱动的主动式放丝。
优选的，本发明去除了多轴筒纱架20前端的导丝孔，由相互垂直的且可灵活转动的导丝杆组合30代替，经纱碳纤维纱线10由导丝杆组合30引出多轴筒纱架20，如图2所示，导丝杆组合30包括导丝横杆31和导丝竖杆32，导丝横杆31为一个，导丝竖杆32为多个，所述导丝横杆31设置所述导丝竖杆32的外侧即经纱碳纤维纱线10穿出导丝竖杆32的一侧，导丝杆组合30可以保持经纱碳纤维纱线10的平展状，同时减少经纱碳纤维纱线10从导丝孔经过时产生毛丝、断丝情况。
优选的，导丝杆22和导丝竖杆32的直径不小于10mm，导丝横杆31的直径不小于30mm，导丝杆22、导丝横杆31和导丝竖杆32均采用表面粗糙度为3μm-10μm的喷砂镀硬铬材质。
(2)集丝。经纱碳纤维纱线10从多轴筒纱架20上引出后经过集丝板40，使经纱碳纤维纱线10的幅宽与高导热高模量碳纤维织物最终幅宽相同；
优选的，如图3、4所示，集丝板40上均匀分布有多个圆形导丝孔41，导丝孔41内壁光滑，导丝孔41与经纱碳纤维纱线10的接触面曲率半径不小于15mm，导丝孔41采用表面粗糙度为3μm-10μm的喷砂镀硬铬材质制作。
优选的，多轴筒纱架20和集丝板40间的长度尽可能长，使经纱碳纤维纱线10与导丝孔41轴向的夹角小于10度。
(3)整经及经纱张力控制。经纱碳纤维纱线10经集丝板40集丝后引入张力补偿装置50，如图5所示，张力补偿装置50采用罗拉加弹簧的方式进行经纱碳纤维纱线10的张力补偿，张力补偿装置50包括前罗拉51、中罗拉52，后罗拉53和支撑架，前罗拉51、中罗拉52和后罗拉53均带有轴承，中罗拉52的轴承上还带有弹簧，通过三个罗拉对经纱碳纤维纱线10进行整经，其中，中罗拉52可对整体经纱进行微张力调节，抵消由于后续提综时因综框的上下浮动而导致经纱的张力变化，有效地避免经纱碳纤维纱线10在编织过程中因张力过大导致断裂或者张力过小导致织物平整度差的问题。
优选的，前罗拉51、中罗拉52和后罗拉53表面粗糙度为3μm-10μm，直径不小于60mm。
(4)提综。将经纱碳纤维纱线10穿过带有特殊综眼62的综框61。
优选的，综框61上设置的综眼62由上下两个辊轮组成，综眼62内表面需要光滑。
优选的，如图6所示，综眼62为陶瓷材质，综眼62的表面进行喷砂镀硬铬处理，综眼62的表面粗糙度为3μm-10μm，综眼62与经纱碳纤维纱线10接触面的曲率半径不小于5mm，纱碳纤维纱线10在综眼62处的最大折弯角度小于5°
(5)引纬与打纬。为减少纬纱摩擦，纬纱从纱筒21的经向退绕，不经过储纬器，直接由刚性杆放纬。纬纱采用传统打纬方式进行打纬，设置纬纱密度为33束/10cm，纬纱密度由每次打纬时所述织物卷取装置70的织物卷取速度控制。
(6)织物卷取。得到高导热高模量碳纤维织物后，采用织物卷取装置70进行收卷，织物卷取装置70的织物卷取速度控制经纱碳纤维纱线10经纱的传送速度，进而实现控制纬纱的密度，由于本发明采用碳纤维纱线编织得到高导热高模量碳纤维织物，织物收卷时在相邻织物层之间增加离型纸，离型纸可避免相邻织物层间摩擦及挤压导致碳纤维纱线损伤。
优选的，纬纱也为碳纤维纱线，经纱碳纤维纱线10和纬纱在编织机60中编织时，提综方式采用机械式缓慢提综，该提综方式可调节控制提综速度和提综幅度，避免提综速度过快、经纱开口角度过大导致高导热高模量碳纤维经纱脆断。
优选的，本发明提供的编织系统中电气设备的防尘等级在IP65以上，防止了编织过程中高导热高模量碳纤维产生的毛丝会进入电气设备内部，造成电气设备的短路，造成电气设备的损伤，增加设备成本。
优选的，编织机60的最大幅宽为2m，可根据需求设定。
以下为本发明提供的一种高导热高模量碳纤维织物编织装置的实际使用示例：
实施例1
采用热导率为500W/(m·K)，模量为800GPa的高导热高模量碳纤维作为经纬纱进行平纹碳布的编织，碳纤维经、纬纱纱线的线密度为0.23g/m，经、纬纱密度为42束/10cm，幅宽500mm，经纱轴数为210轴。
采用上述制备方法进行编织，其中，导丝杆22与导丝杆32直径为10mm，导丝杆32直径为30mm，导丝孔41与经纱碳纤维纱线10接触面曲率半径为15mm，使用表面粗糙度为5μm的喷砂镀硬铬材质；综眼62表面进行喷砂镀硬铬处理，表面粗糙度为10μm，综眼62与经纱的接触面曲率半径为5mm；前罗拉51、中罗拉52和后罗拉53表面进行喷砂镀硬铬处理，表面粗糙度为10μm，直径为60mm。
使用此方法可实现高导热高模量碳纤维织物成功编织，不出现断纱情况。编织完成后，得到的高导热高模量碳纤维织物的幅宽为500mm，面密度为190g/m2，具有正交两个方向的高模量和高导热特性。对编织前后纱线的力学及热导率进行测试，以表征纱线的性能保持率。
表1编织前后纱线力学及热导率性能数据
为表征编织后碳纤维的性能保持率，本发明对编织前单束碳纤维纱线的力学性能及热导率进行了测试；作为对比，编织后将纱线从织物中小心抽出，测试力学性能及热导率；测试结果如表1所示，由测试结果可以得出，纤维编织后力学性能下降较小，纤维性能保持率均在在94％以上，说明本发明的制备方法可以减少纤维在编织过程中的磨损及过大的弯折角的产生，减少断丝、毛丝的产生，进而实现高导热高模量碳纤维的成功编织，同时保证纤维较高的性能保持率。
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