展开丝束的NCF
从左上角顺时针：CORIMA自行车轮中的Hexel PrimeTex 面料，Swift独木舟中的TeXtreme CF/Integra混合面料，NTPT不连续纤维预浸料管，TeXtreme展开式CF斜纹布，NTPT 400层块。
C-PLY面料在CHOMARAT制造
多尼尔平带织机
NTPT的15 g/㎡预浸带
卡尔迈耶TC54在线筒子架铺展区的钢纤维/碳纤维混合带，作为空客和Quickstep FUTURE项目的一部分。
图1高性能复合材料结构的延迟层失效
EPFL和NTPT完成的测试结果证实了斯蒂芬·蔡(Stephen Tsai)博士的说法，即在第一层和最后一层失效之前，展开式薄层板可以承受比传统厚层板更大的应力，并且在冲击后可以提高损伤容限。NTPT抵消了使用独特的内部开发的ATL设备（上图）所需的大量较薄层的劳动，该设备也出售给其他人。
图2使用更便宜、更大的丝束以相等的面积重量闭合间隙
PrimeTex碳纤维织物使用铺展技术来闭合织物中的间隙，以降低孔隙率，从而提高机械性能和表面质量。在相同的纤维面积重量(FAW)下，由3K丝束制成的PrimeTex 98 g/m2织物比传统1K碳纤维织物薄12%。同样，6K丝束PrimeTex可用于匹配传统3K机织物的FAW，12K PrimeTex可以匹配6K传统织物的FAW。
“展开丝束”是指将纤维展开成更薄、更平坦的增强体的做法，例如，5mm宽的12K高强度（HS）碳纤维丝束通常展开成25mm宽的胶带。这种单向胶带可用于自动铺带（ATL）和自动铺丝（AFP）工艺。它也可用于生产薄织物或多层无卷曲织物（NCF）。尽管可以铺放玻璃、芳纶和聚合物纤维，但碳纤维是推动铺放丝束技术增长的增强材料，因为从体育用品到航空航天等行业都在寻求更轻、更薄的复合材料。展开丝束加强件的重量可低至15 g/m2，厚度仅为0.02 mm（见“碳供应过山车的技术制动器？”）。
据一家全球碳纤维生产商的消息来源称，目前全球使用的碳纤维中有80%在进一步加工之前已经展开。这包括大多数50K、24K和部分12K碳纤维，它们比较小的1K、3K和6K丝束便宜，但可以展开生产重量小于300 g/m2的高质量增强材料。例如，东丽（日本东京）的环氧预浸料由T700S 12K平纹织物制成，其面积重量与3K丝束制成的织物相同，现在在火箭和太空结构中无处不在。
还可以定制面积重量以及其他性能，例如抗裂纹扩展性，以提高损伤容限。展开丝束的平整度意味着长丝比捆绑在普通纤维中的长丝更直。这导致更有效的承载能力，按重量计算，并改善了表面光洁度，以及美学吸引力。
毫无疑问，展开丝束是标志性“编织外观”的起点，这种外观越来越多地出现在体育用品、小型飞机和赛车运动应用中。
斯坦福大学（美国加利福尼亚州帕洛阿尔托）名誉教授、各向异性材料蔡武失效标准的共同开发者斯蒂芬·蔡博士表示，Spread-tow也被证明在层压板的设计中非常有用，这些层压板在第一层失效和最后一层失效之前能够承受更大的应力（见图1）。Chomarat（法国Le Cheylard和美国南卡罗来纳州Williamston）以C-PLY的名义推出了他的双角度CF多轴织物想法，将一层0°的薄纤维层与第二层20°的浅角纤维层结合在一起，在没有热压罐时间或成本的情况下，在树脂注入层压板中实现热压罐固化的unitape预浸料性能（见“双角度织物首次商业应用”）。
展开与编织：并行发展
如今，有许多公司可以提供铺带所需的设备以及带式织物织造设备。但这里提到的供应商是那些被认为取得了重大进展的供应商，这些进展往往代表了展开丝束技术的创新转折点。
1995年，查尔姆斯理工大学（瑞典哥德堡）的南丹·霍卡尔博士发明了带织物，即用带而不是丝束编织织物。他在2002年展示了自己的作品，学生安德烈亚斯·马茨曼和亨利克·布莱克看到了复合材料零件制造商的潜在价值，并于2003年创立了Oxeon（瑞典博罗斯），分别担任营销和销售副总裁兼首席执行官。
马茨曼说：“当我们开始Oxeon时，还没有什么叫做spread tow的东西。”。Oxeon于2005年推出了TeXtreme铺展丝束面料。TeXtreme展开式丝束织物已被广泛应用于赛车运动和体育用品，仅举几例，如Bauer、Bell、Cobra和Giro，以及工业和航空航天应用。后者包括BlackWing运动型飞机和与港机工程客舱解决方案公司（美国北卡罗来纳州格林斯伯勒）开发的新型商用飞机座椅，该座椅将其之前的复合材料座椅重量减轻了20%。
虽然Oxeon是第一个上市的公司，但其他地方也在不断发展。在2001年的一项专利申请中，重丝束碳纤维生产商Zoltek（美国密苏里州圣路易斯）详细介绍了一种碳纤维分流器装置，该装置使用了一个撑杆和两个或多个偏心分流器杆。同年，后来成为North Thin Ply Technology（NTPT，Renens，Switzerland）的创始人开始开发旨在改进CF帆的薄层材料。这种薄层技术于2005年被阿林吉美洲杯游艇使用，并被NTPT姊妹公司North Sails（美国米尔福德）命名为3Di。NTPT现在向航空航天、船舶、汽车、体育用品和消费品市场销售薄层预浸料以及用薄层材料制成的复合管和块。
同样在2005年，澳大利亚波音航空结构公司（维多利亚州墨尔本）为波音公司（美国伊利诺伊州芝加哥）的787梦想客机生产了超过9米长的后缘蒙皮，使用了碳纤维制造商Hexcel（美国康涅狄格州斯坦福德）开发的树脂注入和PrimeTex铺展丝束织物。值得注意的是，PrimeTex织物在结构上是独一无二的：Hexcel欧洲增强材料复合材料营销经理纪尧姆·库斯塔（Guillaume Coustaud）说：“我们不会将丝束分散成带子和织物。”。“我们使用专有技术编织织物，然后将其展开，从而得到更平坦的织物，而无需展开输入纤维”（见图2）。Hexcel PrimeTex面料已经扩展：例如，它们用于CORIMA自行车车轮和Fischer滑雪板，以及太空、国防、汽车和海洋应用。
与此同时，LIBA（德国奈拉）于2002年推出了用于生产CF多轴织物的MAX 5引纬机，于2004年开发了展开丝束技术，于2007年推出了UD 500离线展开机，然后利用该技术修改了MAX 5机器，实现了碳纤维UD带的能够插入纬纱。该机器还提供了以-45°至45°的角度放置离散层的能力，可按1°的增量进行调整。UD胶带可以在线展开至227毫米宽，也可以离线展开至254毫米宽。离线系统可以展开50K或60K纤维，并可以添加第二级来传播12K或24K丝束。在线系统只提供后者。LIBA于2014年被Karl Mayer（德国奥伯豪森）收购。
Sigmatex在美国加利福尼亚州贝尼西亚和英国诺顿的工厂安装了MAX 5机器。MAX 5机器还被SGL Kümpers（德国莱滕）、FORMAX（英国莱斯特，2016年被Hexcel收购）和Vectorply（美国阿拉巴马州凤凰城）收购。Chomarat于2010年在法国使用MAX 5机器生产C-PLY多轴，并于2014年在其新的美国工厂生产。他们还生产Chomarat的C-WEAVE系列织物。
Chomarat北美总裁布莱恩·劳芬贝格（Brian Laufenberg）还指出，“我们在推广橡树岭国家实验室（美国田纳西州橡树岭ORNL）开发的超大型低成本457K丝束碳纤维方面取得了相当大的成功。”他引用了ORNL的400K-600K丝束，该丝束由低成本纺织级前体转化为碳纤维制成，可提供400ksi的抗拉强度和40Msi的模量（见“ORNL为其低成本碳纤维技术寻求许可证”）。劳芬贝格补充道：“这被铺成120g/m2的层，并转化为±45°双轴碳无卷曲织物。”。“我们不只是从制造商那里购买机器并使用它，而是对其进行大量调整，我们正在继续开发这项技术。”例如，457K丝束也被用于制造600g/m2的高渗透性风力叶片翼梁帽加强件，随后被拉挤并用于由先进复合材料制造创新研究所（IACMI）制造的9m热塑性叶片中，并被提名为2018年JEC创新奖。
另一个主要参与者是多尼尔复合材料系统公司（德国林道）。DORNIER复合材料系统产品经理马里奥·克鲁普卡（Mario Krupka）解释说：“我们生产机器和完整的生产线，而不是材料或零件。”。“然而，我们为客户提供在我们的技术中心进行试验的能力，在那里我们拥有所有的机器，包括展开丝束、胶带生产线和编织胶带/展开丝束的机器，以及标准和3D编织设备。”与Oxeon一样，DORNIER最初是通过编织胶带进入市场的。“7年前有客户需求，所以我们开发了一种特殊的织带机，” 克鲁普卡解释道。“客户回来后想自己制作胶带。”因此，多尼尔还生产完全浸渍的热固性和热塑性预浸带生产线。他指出，后者可能会像CF胶带一样经常使用展开式玻璃纤维。
工业化与成本
扩大丝束在市场上的影响力的一个关键是它在多大程度上适应了大规模生产。NTPT生产铺带产品，“但我们也是一家自动化公司，”公司总裁詹姆斯·奥斯汀说，并指出它销售内部开发的专用自动化铺带（ATL）设备。“因为这些层太薄了，例如30克/平方米的预浸料为0.03毫米，我们可能会铺设10到100层，这在一开始阻碍了材料的销售。但随着我们实现了层压和配套的自动化，情况发生了变化。现在，我们看到了更多的机会来帮助其他公司为各种细分市场开发这些类型的独特解决方案。”
当奥斯汀说自动层压时，他指的是在10米乘4米的工作区域上数字控制10或16层的应用。“如果你正在制作一个1米乘1米的零件，那么我们可以将这个大面积切割成40块坯料。每块坯料10层，你可以在一台在后台运行的机器上生成一个400层的堆叠，以经济高效的方式层压和搭配这个零件的材料。”
Oxeon的马茨曼回顾时指出：“我们的产品比我们第一次推出时工业化程度更高，技术也有了长足的发展。我们已经在许多不同类型的零件中使用了这些材料15年，并了解了什么在哪里有效。”他认为Oxeon更像是一个开发合作伙伴，而不是材料供应商。“凭借我们的技术提供的灵活性，我们可以让制造商尝试更多的选择。”如何？他解释说：“使用传统织造技术，即使所需的试验量只有5平方米，你也需要500个线轴。”。“但我们可以很容易地设置几个线轴，生产10平方米的产品，有10种变体。这样客户就可以进行更有效的开发。”
这种性能更高的产品是否需要额外的价格？Hexcel的库斯塔（Coustaud）说：“不一定。”。“如果PrimeTex贵得多，那么它就不会像现在这样被广泛使用。它以每个应用程序的适当成本获得了性能，从而赢得了成功。”
DORNIER的克鲁普卡回到了原来的规模，“你可以将50K丝束铺到100克/平方米，将胶带切割成25毫米宽，并将其编织成200克/平方米织物。每分钟50根纬纱的编织速度可以制作1.25延米的织物，或2.25平方米的180厘米宽的织物。与使用更昂贵、更轻的CF丝束来制作相同的面积重量相比，这是非常经济的。”
控制面积重量和裂纹扩展
尽管自动化和成本控制无疑有助于消除推广展开丝束接受度的障碍，但该技术的可定制性现在正在帮助其在市场上的扩张。“我认为人们很难理解我们技术的灵活性，” 马茨曼说。“我们将丝束分散到我们喜欢的任何宽度。因此，10毫米宽的分散丝束是一个面积重量，11毫米宽的丝束是不同的面积重量。我们还可以使用各种输入丝束——从1K到60K，甚至SGL的320K。我们还可以采用多个输入丝束。因此，您真的可以精确地定制所需的纤维面积重量。”
根据DORNIER的克鲁普卡的说法，在同一台机器上进行单丝束与多丝束的撒布，但使用不同的设置。对于较小的12K或24K丝束，单丝束展开是有意义的，但需要更多的线轴。或者，通常使用多个丝束来制作更宽的胶带，然后将其切成所需的宽度。他补充道：“多次丝束摊铺使您不受丝束尺寸与面积重量的影响”，但确切的展开比例取决于客户和应用要求。
由于面积重量是定制的，厚度也是定制的，在抗冲击性方面具有明显的优势。Oxeon的马茨曼说：“冲击性能随着层厚的增加而提高。”。VX Aerospace（美国北卡罗来纳州摩根顿）的创始人兼首席工程师鲍勃·斯基伦（Bob Skillen）在多个飞机项目中使用了Chomarat的C-PLY，他同意：“与更少、更厚的层相比，更多的较薄层会使零件更坚固。”他指出，薄层双角层压板的性能优于传统的准各向同性层压板（即0°、90°、+45°、-45°）。
NTPT的奥斯汀说：“我们采用超准各向同性，使用八种纤维取向而不是四种，在极端情况下，我们甚至可以达到16种。由于层非常薄，这实现了一种均匀性，树脂到纤维的分布非常好，这改善了丝丝到丝的负载传递，从而提高了性能。”
在机织物中使用展开丝束与普通纤维束相比，也可以提高冲击力。马茨曼解释说：“机织物将冲击能量分配给更多的纤维，因为它们是交织在一起的，而不是像多轴织物那样简单地叠放在一起。”。“然而，织造会使纤维卷曲，这限制了它们可以吸收的能量，因为它降低了它们的最大承载能力。展开式丝束织物的卷曲要小得多，提供了两全其美的效果。”
马茨曼还指出，大型飞机原始设备制造商正在将薄层与传统厚层相结合。“例如，五个薄层和10个标准厚层提供了一种有趣的裂纹扩展行为，使他们能够定制飞机结构中的损伤容限性能。”
所有性能优势都有一个警告。马茨曼说：“你必须调整你的计算机模型和模拟以适应薄材料，因为力学是不同的。”他指出，Oxeon三年前为此在有限元分析（FEA）能力方面投入了大量资金。“我们可以将我们的材料与其他材料相结合，并对层压板和结构性能的变化进行建模。我们为客户建模新的设计，并与他们目前的设计进行比较，包括评估不同的选项，如纤维类型的变化、面积重量或在一个方向上放置更多纤维与另一个方向。能够快速轻松地比较所有这些选项非常重要。”
未来的产品、工艺和应用
spread tow的未来会怎样？DORNIER的克鲁普卡表示：“我们不仅看到了美学的增长，而且零件的硬度可以提高20%。”。“这是由于卷曲较少。例如，在相同的壁厚下，使用20层展开丝束织物而不是10层3K织物可以获得更高的刚度。因此，我们看到人们对使用胶带和胶带编织织物进行结构加固的兴趣越来越大。”
另一个驱动因素是使用完全浸渍的热塑性胶带。克鲁普卡指出：“这些材料的高抗冲击性对于车门和保险杠等汽车零部件非常有吸引力。”。“玻璃纤维/聚丙烯带复合材料的价格比铝或镁等轻质金属更具竞争力，成型过程快速，设计自由度高。”他引用了亚洲和欧洲高端汽车车型中的应用，这些模型现在正转向批量生产车型。
NTPT的奥斯汀讨论了船舶和高尔夫球场等传统市场的新机遇。对于船舶，NTPT的预浸料自动化使舱壁和其他内部的夹层板能够提供比树脂注入板更低的成本、交付时间和重量。在高尔夫球杆杆身中，不连续预浸料技术可以提高性能，奥斯汀认为这可能会在传动轴等其他管件中带来好处（见“Spread tow为传统市场带来新的活力”）。
他还看到了城市交通等新市场的机会，越来越多的项目正在开发非传统的航空航天飞行器，如电动垂直起降（EVTOL）飞机（如空客Vahana）。他认为：“这些都是薄层材料的重量依赖性和自然应用。”。“我们正在积极开展多个项目，追求超轻量化的航空结构。碳纤维增强塑料也有很多电动机应用，为我们带来了巨大的机会。我认为这里发生的事情比人们想象的要多得多。我们认为电动汽车将对我们公司的未来产生重大影响。”
Oxeon的马茨曼也对航空航天持乐观态度，他的公司新的±45°Spread Tow Grid就是为航空航天而设计的。他说，废品减少正在推动需求增加。“对于由1米宽0°/90°织物制成的1米零件，你可以通过以一定角度切割来生产偏置层，但这会导致50%的废品。另一种情况是较大的零件，如1.5米宽的机翼蒙皮，你只能得到1.6米宽的0°/9°织物。同样，你以一定的角度切割偏置层，这会产生被丢弃的三角形。当你制造油箱和地板等大型零件时，废品率非常高。”
多尼尔还在开发提高生产率的产品，包括制造更厚胶带和更宽织物的机器，将宽度从150厘米增加到266厘米。“我们也在考虑织造更宽的胶带，从40毫米经线和45毫米纬线增加到50毫米。更高的速度也是一个优先事项，但速度越快，质量就越低。客户希望50米/分钟和完美的胶带质量。虽然这是不可能的，但我们确实在继续改进。”
赫氏（Hexcel）认为，机织物和多轴布的分散丝束市场仍在继续，后者在英国莱斯特生产。“我们仍在所有市场进行开发，” 库斯塔说。“这是一项关键技术，我们将继续推动它。”
原文《The spread of spread tow》
