《Materials Chemistry and Physics》：Enhancing Fiber Spreading via Transverse Vibration: An Experimental Study Based on 12K Carbon Fibers
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实现碳纤维复合材料中有效的树脂浸渍，需要高效的纤维丝束展宽，尤其是面向具备成本优势的大丝束纤维。然而，传统机械辊法受限于展宽倍率不足、单丝分散不均，以及由过度摩擦引起的潜在纤维损伤。本研究提出了一种新型展宽装置，该装置将5个张紧辊的Z形排布与横向振动辊相结合，
实现碳纤维复合材料中有效的树脂浸渍，需要高效的纤维丝束展宽，尤其是面向具备成本优势的大丝束纤维。然而，传统机械辊法受限于展宽倍率不足、单丝分散不均，以及由过度摩擦引起的潜在纤维损伤。本研究提出了一种新型展宽装置，该装置将5个张紧辊的Z形排布与横向振动辊相结合，以实现高效且均匀的纤维展宽。所引入的横向振动提供了动态扰动，可促进单丝分离，并有助于缓解纯机械滚压中由摩擦—张力平衡所导致的展宽受限问题。研究建立了基于摩擦滑移机制的理论模型，以分析展宽过程。系统研究了辊筒布置、张力、振动幅值、频率以及收卷速度的影响。实验结果表明，仅使用张紧辊时，12K碳纤维丝束可由初始宽度6 mm展宽至15 mm；在横向振动辅助下，可进一步展宽至24 mm。针对24K碳纤维丝束、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维丝束及玻璃纤维丝束的对比试验也显示出良好的展宽性能。扫描电子显微镜（SEM）观察表明，展宽过程具有渐进性，可使丝束边缘更加平滑、内部单丝排列更加紧密。单丝强度测试显示，处理后测得强度提高了7.14%，而复合丝束中未观察到明显损伤。本研究为预浸料制备和湿法缠绕工艺提供了有益参考，并为多种纤维丝束的展宽提供了一种可扩展的方法。
该论文发表于《Materials Chemistry and Physics》，聚焦于复合材料制造中干纤维丝束展宽这一关键基础问题。碳纤维增强复合材料（CFRP）因低密度、高比强度、耐腐蚀和优异设计灵活性，在轻量化工业中得到广泛应用，尤其在储罐和管状结构制造中，纤维缠绕工艺因适于连续化和规模化生产而具有重要地位。对于缠绕成形而言，树脂浸渍均匀性、纤维体积分数以及丝束内部单丝分布状态，会显著影响复合材料最终的强度与韧性。因此，在树脂浸渍之前对碳纤维丝束进行有效展宽，是提升成形质量的重要前提。
现有研究表明，纤维展宽可通过机械辊法、气动展宽、超声辅助和静电展宽等方式实现，其中机械辊法最传统、最成熟且应用最广。然而，传统机械辊法仍存在明显局限：其一，展宽倍率通常有限，难以满足大丝束纤维进一步薄层化与均匀化的需求；其二，当丝束张力增大时，纤维与辊面之间的摩擦阻力同步增加，展宽过程会在摩擦与张力达到平衡后趋于饱和，导致展宽程度不再继续提高；其三，过大的摩擦与弯曲作用可能诱发纤维损伤，并导致展宽不均、厚度波动及富树脂区等问题。对于12K、24K及更高规格的大丝束而言，这些问题更为突出。正是在这样的背景下，研究人员开展本研究，旨在通过在机械展宽基础上引入横向振动扰动，增强单丝分离能力，降低结团倾向，并突破纯机械滚压条件下的展宽限制，从而提高展宽质量与工艺适用性。
围绕上述目标，研究人员设计并构建了一种创新型纤维展宽装置。该装置采用5个张紧辊构成的Z形路径，并与横向振动辊耦合，形成一种机械张紧—动态扰动协同作用的混合展宽结构。论文不仅从理论上建立了基于摩擦滑移机制的展宽模型，而且通过实验系统考察了张紧辊布置方式、张力、振动频率、振动幅值和收卷速度等关键工艺参数对12K碳纤维丝束展宽行为的影响。同时，研究还将装置推广应用于24K碳纤维丝束、超高分子量聚乙烯（UHMWPE，ultrahigh-molecular-weight polyethylene）纤维丝束和玻璃纤维丝束，以验证其材料适用性。为评估展宽过程是否引入损伤，研究人员进一步利用扫描电子显微镜（SEM，scanning electron microscope）观察12K碳纤维展宽后的微观形貌，并开展单丝及复合丝束强度测试。
从研究意义上看，该工作并非仅停留在装置创新层面，而是直接面向预浸料制备和湿法缠绕等连续复合材料工艺中的前处理难题。研究结果显示，横向振动的引入可显著提高展宽宽度，并改善边缘平整性与内部排布紧密性，说明该方法有助于后续树脂浸润和成形质量控制。由于装置结构简单、模块化程度较高，并具备进一步放大扩展的潜力，因此对工程化推广具有一定参考价值。
作者为开展研究主要采用了以下几类关键技术方法：首先，设计并搭建由放丝单元、张紧辊组、横向振动辊组和收卷机构构成的纤维展宽实验平台；其次，基于摩擦滑移机制建立理论分析模型，用于解释纯机械滚压与振动辅助下的展宽行为；再次，通过参数化实验系统考察辊筒位置、张力、振幅、频率与收卷速度对12K丝束展宽效果的影响，并以24K碳纤维、UHMWPE纤维和玻璃纤维进行对比验证；最后，采用SEM表征展宽后微观形貌，并通过单丝与复合丝束力学测试评估损伤情况。文中样本来源为不同类型工业纤维丝束，未涉及生物样本队列。
在研究结果方面，论文首先介绍了“Fiber spreading device”。该部分主要说明所构建装置的总体结构与工作原理。研究人员指出，展宽功能主要通过张紧辊与横向振动辊共同实现，而收卷机构则负责丝束收集及收卷速度控制。该装置的核心思想是利用Z形路径提供连续接触与张力调控，再通过横向振动施加动态扰动，促进单丝之间发生重新分布和分离，为后续大幅度展宽奠定基础。
随后在“Optimization process of tension roller”部分，研究人员基于Wilson及Mahendran等人的相关研究设计初始张紧辊构型，并逐步优化辊筒空间布局。该部分结果说明，张紧辊的相对位置和丝束运行路径会显著影响展宽效果。通过合理布置上下辊及两侧辊的位置，可以在丝束通过过程中建立更加有利于横向扩展的受力状态。换言之，机械路径设计本身就是决定展宽上限的重要因素之一，这为后续叠加振动作用提供了稳定基础。
在参数研究层面，论文围绕张力、振动幅值、频率和收卷速度展开系统分析。研究表明，单纯依靠张紧辊时，12K碳纤维丝束可由原始6 mm展宽至15 mm，说明机械展宽本身具有一定有效性，但其能力受限于摩擦—张力平衡。进一步加入横向振动后，丝束宽度可提升至24 mm，展宽能力获得显著增强。这一结果直接证明了横向振动在促进单丝分离、削弱纤维黏连或结团方面具有积极作用，也表明动态扰动能够突破纯机械滚压的展宽瓶颈。论文同时指出，振动频率、振幅与收卷速度等参数并非越大越好，而是需要与张力状态协同匹配，才能获得更优的展宽均匀性和宽度。
在材料适用性验证方面，研究人员开展了针对24K碳纤维丝束、UHMWPE纤维丝束及玻璃纤维丝束的对比测试。结果显示，该装置对多种纤维体系均表现出良好的展宽性能。这说明横向振动辅助机械展宽并非仅适用于单一类型碳纤维，而具有一定普适性。对于实际工业应用而言，这种跨材料适应能力意味着装置可望服务于多种连续纤维增强复合材料的制备场景。
在微观结构表征部分，SEM结果揭示了展宽过程的渐进性特征。研究人员观察到，随着展宽进行，丝束边缘变得更加平滑，内部单丝排列更加紧密。该结果说明，横向振动辅助展宽并非简单地将丝束粗暴拉开，而是在连续扰动与张力协同作用下逐渐实现内部重构，使单丝分布趋于更合理的状态。对后续树脂渗透而言，这种更加均匀且边缘规整的丝束形貌具有积极意义。
在损伤评估方面，单丝强度测试表明，处理后测得单丝强度提高了7.14%；与此同时，复合丝束中未观察到明显损伤。根据论文原文，这一结果至少表明所提出的展宽工艺未造成显著破坏，且在测试条件下保持了较好的纤维完整性。结合SEM观察，可以认为该装置在提升展宽效率的同时，并未引入明显的结构劣化，这对于后续复合材料性能稳定性尤为关键。
论文讨论部分的核心在于解释为何横向振动能够强化机械展宽。研究认为，纯机械辊法中丝束展宽会受到摩擦与张力平衡的限制，当达到某一平衡状态后，展宽趋于停止。而横向振动所引入的动态扰动能够促进单丝间相对运动与重新分配，帮助纤维克服局部约束，减轻结团现象，从而提高展宽倍率和均匀性。研究同时强调，展宽效果受多因素共同控制，包括辊筒配置、张力水平、振动参数和收卷速度，因此实际应用中需要进行协同优化。总体而言，论文的讨论并未脱离实验事实，而是围绕展宽增强机制、装置结构优势和工程应用潜力展开，逻辑较为清晰。
研究结论部分可译述如下：研究人员设计并制造了一种用于干纤维丝束有效展宽的创新型纤维展宽装置。该装置在预浸料制备和湿法缠绕工艺前的纤维展宽中表现出应用潜力。其将Z形张紧辊与横向振动辊相结合的混合结构具有简单、模块化且易于放大的特点。通过增加辊组数量或优化振动参数，处理速度和展宽宽度还有望进一步提升。
综合来看，该研究针对传统机械辊展宽倍率有限、均匀性不足及潜在损伤风险等问题，提出了横向振动辅助的解决思路，并通过理论分析、装置构建、参数实验、多材料验证及微观与力学表征加以证明。其主要贡献在于证实了横向振动可作为增强单丝分离和提高展宽质量的有效手段，为碳纤维及其他连续纤维丝束在预浸料和湿法缠绕工艺中的前处理提供了新的技术参考。
