展開絲束的NCF
從左上角順時針：CORIMA自行車輪中的Hexel PrimeTex 面料，Swift獨木舟中的TeXtreme CF/Integra混合面料，NTPT不連續纖維預浸料管，TeXtreme展開式CF斜紋布，NTPT 400層塊。
C-PLY面料在CHOMARAT制造
多尼爾平帶織機
NTPT的15 g/㎡預浸帶
卡爾邁耶TC54在線筒子架鋪展區的鋼纖維/碳纖維混合帶，作為空客和Quickstep FUTURE項目的一部分。
圖1高性能復合材料結構的延遲層失效
EPFL和NTPT完成的測試結果證實了斯蒂芬·蔡(Stephen Tsai)博士的說法，即在第一層和最后一層失效之前，展開式薄層板可以承受比傳統厚層板更大的應力，并且在沖擊后可以提高損傷容限。NTPT抵消了使用獨特的內部開發的ATL設備（上圖）所需的大量較薄層的勞動，該設備也出售給其他人。
圖2使用更便宜、更大的絲束以相等的面積重量閉合間隙
PrimeTex碳纖維織物使用鋪展技術來閉合織物中的間隙，以降低孔隙率，從而提高機械性能和表面質量。在相同的纖維面積重量(FAW)下，由3K絲束制成的PrimeTex 98 g/m2織物比傳統1K碳纖維織物薄12%。同樣，6K絲束PrimeTex可用于匹配傳統3K機織物的FAW，12K PrimeTex可以匹配6K傳統織物的FAW。
“展開絲束”是指將纖維展開成更薄、更平坦的增強體的做法，例如，5mm寬的12K高強度（HS）碳纖維絲束通常展開成25mm寬的膠帶。這種單向膠帶可用于自動鋪帶（ATL）和自動鋪絲（AFP）工藝。它也可用于生產薄織物或多層無卷曲織物（NCF）。盡管可以鋪放玻璃、芳綸和聚合物纖維，但碳纖維是推動鋪放絲束技術增長的增強材料，因為從體育用品到航空航天等行業都在尋求更輕、更薄的復合材料。展開絲束加強件的重量可低至15 g/m2，厚度僅為0.02 mm（見“碳供應過山車的技術制動器？”）。
據一家全球碳纖維生產商的消息來源稱，目前全球使用的碳纖維中有80%在進一步加工之前已經展開。這包括大多數50K、24K和部分12K碳纖維，它們比較小的1K、3K和6K絲束便宜，但可以展開生產重量小于300 g/m2的高質量增強材料。例如，東麗（日本東京）的環氧預浸料由T700S 12K平紋織物制成，其面積重量與3K絲束制成的織物相同，現在在火箭和太空結構中無處不在。
還可以定制面積重量以及其他性能，例如抗裂紋擴展性，以提高損傷容限。展開絲束的平整度意味著長絲比捆綁在普通纖維中的長絲更直。這導致更有效的承載能力，按重量計算，并改善了表面光潔度，以及美學吸引力。
毫無疑問，展開絲束是標志性“編織外觀”的起點，這種外觀越來越多地出現在體育用品、小型飛機和賽車運動應用中。
斯坦福大學（美國加利福尼亞州帕洛阿爾托）名譽教授、各向異性材料蔡武失效標準的共同開發者斯蒂芬·蔡博士表示，Spread-tow也被證明在層壓板的設計中非常有用，這些層壓板在第一層失效和最后一層失效之前能夠承受更大的應力（見圖1）。Chomarat（法國Le Cheylard和美國南卡羅來納州Williamston）以C-PLY的名義推出了他的雙角度CF多軸織物想法，將一層0°的薄纖維層與第二層20°的淺角纖維層結合在一起，在沒有熱壓罐時間或成本的情況下，在樹脂注入層壓板中實現熱壓罐固化的unitape預浸料性能（見“雙角度織物首次商業應用”）。
展開與編織：并行發展
如今，有許多公司可以提供鋪帶所需的設備以及帶式織物織造設備。但這里提到的供應商是那些被認為取得了重大進展的供應商，這些進展往往代表了展開絲束技術的創新轉折點。
1995年，查爾姆斯理工大學（瑞典哥德堡）的南丹·霍卡爾博士發明了帶織物，即用帶而不是絲束編織織物。他在2002年展示了自己的作品，學生安德烈亞斯·馬茨曼和亨利克·布萊克看到了復合材料零件制造商的潛在價值，并于2003年創立了Oxeon（瑞典博羅斯），分別擔任營銷和銷售副總裁兼首席執行官。
馬茨曼說：“當我們開始Oxeon時，還沒有什么叫做spread tow的東西。”。Oxeon于2005年推出了TeXtreme鋪展絲束面料。TeXtreme展開式絲束織物已被廣泛應用于賽車運動和體育用品，僅舉幾例，如Bauer、Bell、Cobra和Giro，以及工業和航空航天應用。后者包括BlackWing運動型飛機和與港機工程客艙解決方案公司（美國北卡羅來納州格林斯伯勒）開發的新型商用飛機座椅，該座椅將其之前的復合材料座椅重量減輕了20%。
雖然Oxeon是第一個上市的公司，但其他地方也在不斷發展。在2001年的一項專利申請中，重絲束碳纖維生產商Zoltek（美國密蘇里州圣路易斯）詳細介紹了一種碳纖維分流器裝置，該裝置使用了一個撐桿和兩個或多個偏心分流器桿。同年，后來成為North Thin Ply Technology（NTPT，Renens，Switzerland）的創始人開始開發旨在改進CF帆的薄層材料。這種薄層技術于2005年被阿林吉美洲杯游艇使用，并被NTPT姊妹公司North Sails（美國米爾福德）命名為3Di。NTPT現在向航空航天、船舶、汽車、體育用品和消費品市場銷售薄層預浸料以及用薄層材料制成的復合管和塊。
同樣在2005年，澳大利亞波音航空結構公司（維多利亞州墨爾本）為波音公司（美國伊利諾伊州芝加哥）的787夢想客機生產了超過9米長的后緣蒙皮，使用了碳纖維制造商Hexcel（美國康涅狄格州斯坦福德）開發的樹脂注入和PrimeTex鋪展絲束織物。值得注意的是，PrimeTex織物在結構上是獨一無二的：Hexcel歐洲增強材料復合材料營銷經理紀堯姆·庫斯塔（Guillaume Coustaud）說：“我們不會將絲束分散成帶子和織物。”。“我們使用專有技術編織織物，然后將其展開，從而得到更平坦的織物，而無需展開輸入纖維”（見圖2）。Hexcel PrimeTex面料已經擴展：例如，它們用于CORIMA自行車車輪和Fischer滑雪板，以及太空、國防、汽車和海洋應用。
與此同時，LIBA（德國奈拉）于2002年推出了用于生產CF多軸織物的MAX 5引緯機，于2004年開發了展開絲束技術，于2007年推出了UD 500離線展開機，然后利用該技術修改了MAX 5機器，實現了碳纖維UD帶的能夠插入緯紗。該機器還提供了以-45°至45°的角度放置離散層的能力，可按1°的增量進行調整。UD膠帶可以在線展開至227毫米寬，也可以離線展開至254毫米寬。離線系統可以展開50K或60K纖維，并可以添加第二級來傳播12K或24K絲束。在線系統只提供后者。LIBA于2014年被Karl Mayer（德國奧伯豪森）收購。
Sigmatex在美國加利福尼亞州貝尼西亞和英國諾頓的工廠安裝了MAX 5機器。MAX 5機器還被SGL Kümpers（德國萊滕）、FORMAX（英國萊斯特，2016年被Hexcel收購）和Vectorply（美國阿拉巴馬州鳳凰城）收購。Chomarat于2010年在法國使用MAX 5機器生產C-PLY多軸，并于2014年在其新的美國工廠生產。他們還生產Chomarat的C-WEAVE系列織物。
Chomarat北美總裁布萊恩·勞芬貝格（Brian Laufenberg）還指出，“我們在推廣橡樹嶺國家實驗室（美國田納西州橡樹嶺ORNL）開發的超大型低成本457K絲束碳纖維方面取得了相當大的成功。”他引用了ORNL的400K-600K絲束，該絲束由低成本紡織級前體轉化為碳纖維制成，可提供400ksi的抗拉強度和40Msi的模量（見“ORNL為其低成本碳纖維技術尋求許可證”）。勞芬貝格補充道：“這被鋪成120g/m2的層，并轉化為±45°雙軸碳無卷曲織物。”。“我們不只是從制造商那里購買機器并使用它，而是對其進行大量調整，我們正在繼續開發這項技術。”例如，457K絲束也被用于制造600g/m2的高滲透性風力葉片翼梁帽加強件，隨后被拉擠并用于由先進復合材料制造創新研究所（IACMI）制造的9m熱塑性葉片中，并被提名為2018年JEC創新獎。
另一個主要參與者是多尼爾復合材料系統公司（德國林道）。DORNIER復合材料系統產品經理馬里奧·克魯普卡（Mario Krupka）解釋說：“我們生產機器和完整的生產線，而不是材料或零件。”。“然而，我們為客戶提供在我們的技術中心進行試驗的能力，在那里我們擁有所有的機器，包括展開絲束、膠帶生產線和編織膠帶/展開絲束的機器，以及標準和3D編織設備。”與Oxeon一樣，DORNIER最初是通過編織膠帶進入市場的。“7年前有客戶需求，所以我們開發了一種特殊的織帶機，” 克魯普卡解釋道。“客戶回來后想自己制作膠帶。”因此，多尼爾還生產完全浸漬的熱固性和熱塑性預浸帶生產線。他指出，后者可能會像CF膠帶一樣經常使用展開式玻璃纖維。
工業化與成本
擴大絲束在市場上的影響力的一個關鍵是它在多大程度上適應了大規模生產。NTPT生產鋪帶產品，“但我們也是一家自動化公司，”公司總裁詹姆斯·奧斯汀說，并指出它銷售內部開發的專用自動化鋪帶（ATL）設備。“因為這些層太薄了，例如30克/平方米的預浸料為0.03毫米，我們可能會鋪設10到100層，這在一開始阻礙了材料的銷售。但隨著我們實現了層壓和配套的自動化，情況發生了變化?，F在，我們看到了更多的機會來幫助其他公司為各種細分市場開發這些類型的獨特解決方案。”
當奧斯汀說自動層壓時，他指的是在10米乘4米的工作區域上數字控制10或16層的應用。“如果你正在制作一個1米乘1米的零件，那么我們可以將這個大面積切割成40塊坯料。每塊坯料10層，你可以在一臺在后臺運行的機器上生成一個400層的堆疊，以經濟高效的方式層壓和搭配這個零件的材料。”
Oxeon的馬茨曼回顧時指出：“我們的產品比我們第一次推出時工業化程度更高，技術也有了長足的發展。我們已經在許多不同類型的零件中使用了這些材料15年，并了解了什么在哪里有效。”他認為Oxeon更像是一個開發合作伙伴，而不是材料供應商。“憑借我們的技術提供的靈活性，我們可以讓制造商嘗試更多的選擇。”如何？他解釋說：“使用傳統織造技術，即使所需的試驗量只有5平方米，你也需要500個線軸。”。“但我們可以很容易地設置幾個線軸，生產10平方米的產品，有10種變體。這樣客戶就可以進行更有效的開發。”
這種性能更高的產品是否需要額外的價格？Hexcel的庫斯塔（Coustaud）說：“不一定。”。“如果PrimeTex貴得多，那么它就不會像現在這樣被廣泛使用。它以每個應用程序的適當成本獲得了性能，從而贏得了成功。”
DORNIER的克魯普卡回到了原來的規模，“你可以將50K絲束鋪到100克/平方米，將膠帶切割成25毫米寬，并將其編織成200克/平方米織物。每分鐘50根緯紗的編織速度可以制作1.25延米的織物，或2.25平方米的180厘米寬的織物。與使用更昂貴、更輕的CF絲束來制作相同的面積重量相比，這是非常經濟的。”
控制面積重量和裂紋擴展
盡管自動化和成本控制無疑有助于消除推廣展開絲束接受度的障礙，但該技術的可定制性現在正在幫助其在市場上的擴張。“我認為人們很難理解我們技術的靈活性，” 馬茨曼說。“我們將絲束分散到我們喜歡的任何寬度。因此，10毫米寬的分散絲束是一個面積重量，11毫米寬的絲束是不同的面積重量。我們還可以使用各種輸入絲束——從1K到60K，甚至SGL的320K。我們還可以采用多個輸入絲束。因此，您真的可以精確地定制所需的纖維面積重量。”
根據DORNIER的克魯普卡的說法，在同一臺機器上進行單絲束與多絲束的撒布，但使用不同的設置。對于較小的12K或24K絲束，單絲束展開是有意義的，但需要更多的線軸?；蛘撸ǔＪ褂枚鄠€絲束來制作更寬的膠帶，然后將其切成所需的寬度。他補充道：“多次絲束攤鋪使您不受絲束尺寸與面積重量的影響”，但確切的展開比例取決于客戶和應用要求。
由于面積重量是定制的，厚度也是定制的，在抗沖擊性方面具有明顯的優勢。Oxeon的馬茨曼說：“沖擊性能隨著層厚的增加而提高。”。VX Aerospace（美國北卡羅來納州摩根頓）的創始人兼首席工程師鮑勃·斯基倫（Bob Skillen）在多個飛機項目中使用了Chomarat的C-PLY，他同意：“與更少、更厚的層相比，更多的較薄層會使零件更堅固。”他指出，薄層雙角層壓板的性能優于傳統的準各向同性層壓板（即0°、90°、+45°、-45°）。
NTPT的奧斯汀說：“我們采用超準各向同性，使用八種纖維取向而不是四種，在極端情況下，我們甚至可以達到16種。由于層非常薄，這實現了一種均勻性，樹脂到纖維的分布非常好，這改善了絲絲到絲的負載傳遞，從而提高了性能。”
在機織物中使用展開絲束與普通纖維束相比，也可以提高沖擊力。馬茨曼解釋說：“機織物將沖擊能量分配給更多的纖維，因為它們是交織在一起的，而不是像多軸織物那樣簡單地疊放在一起。”。“然而，織造會使纖維卷曲，這限制了它們可以吸收的能量，因為它降低了它們的最大承載能力。展開式絲束織物的卷曲要小得多，提供了兩全其美的效果。”
馬茨曼還指出，大型飛機原始設備制造商正在將薄層與傳統厚層相結合。“例如，五個薄層和10個標準厚層提供了一種有趣的裂紋擴展行為，使他們能夠定制飛機結構中的損傷容限性能。”
所有性能優勢都有一個警告。馬茨曼說：“你必須調整你的計算機模型和模擬以適應薄材料，因為力學是不同的。”他指出，Oxeon三年前為此在有限元分析（FEA）能力方面投入了大量資金。“我們可以將我們的材料與其他材料相結合，并對層壓板和結構性能的變化進行建模。我們為客戶建模新的設計，并與他們目前的設計進行比較，包括評估不同的選項，如纖維類型的變化、面積重量或在一個方向上放置更多纖維與另一個方向。能夠快速輕松地比較所有這些選項非常重要。”
未來的產品、工藝和應用
spread tow的未來會怎樣？DORNIER的克魯普卡表示：“我們不僅看到了美學的增長，而且零件的硬度可以提高20%。”。“這是由于卷曲較少。例如，在相同的壁厚下，使用20層展開絲束織物而不是10層3K織物可以獲得更高的剛度。因此，我們看到人們對使用膠帶和膠帶編織織物進行結構加固的興趣越來越大。”
另一個驅動因素是使用完全浸漬的熱塑性膠帶?？唆斊湛ㄖ赋觯?ldquo;這些材料的高抗沖擊性對于車門和保險杠等汽車零部件非常有吸引力。”。“玻璃纖維/聚丙烯帶復合材料的價格比鋁或鎂等輕質金屬更具競爭力，成型過程快速，設計自由度高。”他引用了亞洲和歐洲高端汽車車型中的應用，這些模型現在正轉向批量生產車型。
NTPT的奧斯汀討論了船舶和高爾夫球場等傳統市場的新機遇。對于船舶，NTPT的預浸料自動化使艙壁和其他內部的夾層板能夠提供比樹脂注入板更低的成本、交付時間和重量。在高爾夫球桿桿身中，不連續預浸料技術可以提高性能，奧斯汀認為這可能會在傳動軸等其他管件中帶來好處（見“Spread tow為傳統市場帶來新的活力”）。
他還看到了城市交通等新市場的機會，越來越多的項目正在開發非傳統的航空航天飛行器，如電動垂直起降（EVTOL）飛機（如空客Vahana）。他認為：“這些都是薄層材料的重量依賴性和自然應用。”。“我們正在積極開展多個項目，追求超輕量化的航空結構。碳纖維增強塑料也有很多電動機應用，為我們帶來了巨大的機會。我認為這里發生的事情比人們想象的要多得多。我們認為電動汽車將對我們公司的未來產生重大影響。”
Oxeon的馬茨曼也對航空航天持樂觀態度，他的公司新的±45°Spread Tow Grid就是為航空航天而設計的。他說，廢品減少正在推動需求增加。“對于由1米寬0°/90°織物制成的1米零件，你可以通過以一定角度切割來生產偏置層，但這會導致50%的廢品。另一種情況是較大的零件，如1.5米寬的機翼蒙皮，你只能得到1.6米寬的0°/9°織物。同樣，你以一定的角度切割偏置層，這會產生被丟棄的三角形。當你制造油箱和地板等大型零件時，廢品率非常高。”
多尼爾還在開發提高生產率的產品，包括制造更厚膠帶和更寬織物的機器，將寬度從150厘米增加到266厘米。“我們也在考慮織造更寬的膠帶，從40毫米經線和45毫米緯線增加到50毫米。更高的速度也是一個優先事項，但速度越快，質量就越低?？蛻粝Ｍ?0米/分鐘和完美的膠帶質量。雖然這是不可能的，但我們確實在繼續改進。”
赫氏（Hexcel）認為，機織物和多軸布的分散絲束市場仍在繼續，后者在英國萊斯特生產。“我們仍在所有市場進行開發，” 庫斯塔說。“這是一項關鍵技術，我們將繼續推動它。”
原文《The spread of spread tow》
