这一用于试验的D-LFT生产线位于加拿大西安大略大学从事复合材料研究的弗劳恩霍夫工程中心(图片来自弗劳恩霍夫工程中心)

汽车行业将玻璃纤维增强的直接长纤维热塑性塑料(D-LFT)用于制造各种汽车部件,包括电池壳、承载地板和备胎舱等已有多年。

长纤维短切热塑性塑料是一种典型的由热塑性聚合物与公称长度6mm的纤维增强材料相混合的复合材料。

为了直接取代D-LFT中的玻璃纤维,近年来,对高模量、轻量化的碳纤维展开了研究,以此来提高部件性能,降低汽车的重量、燃油消耗和CO2排放。

这项研究及其结果最先由George Husman在2014年6月2~5日举行的SAMPE Tech Seattle大会中提出,他曾是卓尔泰克公司的首席技术官,现已退休。

随后,该研究及其结果于2014年9月9~11日在美国SPE汽车复合材料会议暨展览会期间发布。

Husman总结的这项研究结果由卓尔泰克的Kyle Rohan和T.J. McDonough,以及来自加拿大西安大略大学从事复合材料研究的弗劳恩霍夫工程中心的Vanja Ugresic、Eva Potyra和Frank Henning记录在一篇题为“直接长纤维热塑性塑料碳纤维/PA6的力学研究及其相关的工艺参数”的论文中。

✦材料和工艺

尽管D-LFT工艺能够采用多样化的热塑性树脂与增强纤维的组合,但汽车行业在LFT和D-LFT加工中通常采用聚丙烯(PP)和玻璃纤维,因此,PP被考虑用于这项研究,这是因为其良好的成型性、对有机溶剂的耐受性和疏水性。

但卓尔泰克的执行副总裁David Purcell最后表示:“基于汽车行业的普遍要求,我们选择了碳纤维与PA6的组合。”

他解释说,当与工程热塑性塑料如PA6相比时,PP尤其表现出相对较低的力学性能和使用温度。因此,尽管PA存在加工上的劣势,如较高的加工温度和较大的吸水性,但针对预期的目标,它被认为是较好的选择。

因此,卓尔泰克的Panex 35(50K)碳纤维和一种PA6热塑性基体材料被选中用于该研究试验。

LFT的加工技术多种多样,而技术类型的不同会影响部件的最终性能:

➤一种类型是采用混合了玻璃纤维热塑性片材的玻璃纤维毡作为增强材料;

➤间接LFT采用的是注塑级别的粒料;

➤相对较新的直接LFT技术,是将纤维和基体材料混合后,立即将该混合物送入模具中,然后通过直接注塑成型(LFT-D-IMC)或挤出机模压成型(LFT-D-ECM)对该混合物进行加工。

在此研究中,选用了LFT-D-ECM加工方法,这是因为:

➤与其他的LFT系统不同,它采用两台挤出机,可将配混与纤维混合步骤区分开来,因此,两台挤出机可为获得它们各自的特定功能而单独得到优化;

➤材料不会遭受像注塑成型一样的典型的高压力,因此很少出现纤维破损,从而为部件带来了良好的力学性能。

✦立即改善

这项研究做了15个试验,每一个都采用了不同的加工条件,但所有试验采用的参数都是一样的。

研究表明,所选用的碳纤维/聚酰胺D-LFT 材料体系相比玻璃纤维的D-LFT,力学性能显著提高,尤其是刚性(拉伸模量或弹性模量,拉伸应力-伸长率的测试)。

“与连续纤维的形式相比,拉伸强度将更低。但在汽车部件及消费电子的应用中,模量实际上对于满足特殊的刚性设计要求更为重要。”Purcell解释说,“而且刚性是由模量与所选用材料的重量决定的。”

作为制造成本方面的红利,采用目前可采纳的设备,只需稍作改动,就可改善性能。

“在此材料体系中使用碳纤维的另一优势是其高模量,以及在最终的复合材料中,模量可转化为与纤维长径比的关系。”Purcell说。

✦模量转化

众所周知,复合材料部件的强度主要是纤维增强材料的一个函数,最大的强度是由连续纤维提供的。采用短切纤维而非连续纤维,则显著降低了最终部件的强度。

然而,有证据表明,平行排列或分布的短切纤维的较长段,将使部件拥有接近由连续碳纤维丝束提供的强度。这一现象通过针对纵向与横向模量的Halpin-Tsai各向同性近似方法而得到了解释。

该方法由美国赖特-帕特森空军基地(简称“WPAFB”)的J.C. Halpin与斯坦福大学结构和复合材料实验室的荣誉教授Stephen W. Tsai开发。

Halpin-Tsai方程式表明,如果在采用碳纤维的情况下,长径比(L/D)能够达到100,即长0.72mm,直径0.0072mm,那么纤维的机械强度将是:拉伸模量大约21.5GPa,或者是一个层压材料(由35%重量百分比的碳纤维与PA6聚合物组成)最大理论模量26GPa的83%。

Purcell解释说,在试验中,虽然一些纤维长度能保持2mm,但平均长度非常短。“因为我们获得了一些加工后仍保持2mm长度的纤维,因而表明在技术上是可行的。”他同时强调说,“更重要的且能够驱动力学性能的是平均纤维长度。一些2mm长的纤维对力学性能似乎没有贡献。”

不管怎样,长径比大于100时,理论曲线逐渐变平,从而随着纤维长度的增加,提供的优势逐渐减少。

因此,理论上预测的纤维转化(模量转化),对于纤维长径比为278的同样部件,即对于平均2mm的纤维长度而言,大约是24.5GPa,或者是最大理论值26GPa的94%。

而对于只有10%~11%的性能提高,较高的长径比更好,但要达到2mm的长度将是一个相当大的挑战。

在卓尔泰克的研究中,实际测得的性能与理论曲线相一致。大多数研究试样的长径比保持在14~42之间,在最终的层压材料中,其长度保持在0.1~0.3mm之间。

“为将纤维长度提高到至少0.72mm的平均值,以及在最终的产品中能够达到理想的1~2mm的平均长度,需要做更多的工作。”Purcell说。

✦研究结果及未来方向

尽管未经加工的短切纤维的平均长度是6mm,但纤维在与基体材料配混成粒料的过程中会破损。在此基础上,热塑性聚合物的粒料在注塑成型或模压成型时会进一步破损。

Purcell指出,当一台双螺杆挤出机对碳纤维和高黏度的热塑性聚合物一起加工时,碳纤维比玻璃纤维更易折断,从而导致最终的纤维长度在0.1~0.3mm之间。

由于加工过程中纤维的分布不均匀,导致复合材料部件最终的机械强度进一步大打折扣。

因此,成功的关键,是在保持纤维长度的同时平衡好纤维分布的均匀性,这要求对聚合物的化学组成(为达到低黏度)和双螺杆设计(以确保作用在纤维上的力比较柔和)进行调整。

“基于我们在纤维长度方面的调查结果, 以及因此而带来的力学性能,需要对工艺做更多的调整——尤其是对螺杆设计及聚合物化学组成/黏度方面的调整,以便减少纤维折断。”Purcell说。

尽管长纤维短切的碳纤维在配混物中的取向是随机的,并因此而导致在固化后的试验板中,流动方向的力学性能始终好于交叉流方向的力学性能,但在模压操作期间,这一方向性越强,材料就流动的越远。

然而,尽管存在方向性的影响,纤维重量百分比却在整个试制板上保持相对一致。同时还发现,较短的纤维对性能的影响似乎比较长纤维的影响更大,这可能是因为较长纤维有束集在一起的趋势。

“研究结果显然意味着,对于目前采用标准的玻璃纤维LFT制造的汽车部件而言,作为提高其力学性能的一种手段,需要另外开展对碳纤维/PA6 D-LFT的研究,而且这对于要求‘高产量、低循环时间且无废料’的其他行业也是必要的。”Purcell说。

虽然到目前为止卓尔泰克没有对这项技术做进一步的研究,但不久就会推进这项工作,其目标是:延伸纤维长度并改善纤维分布,以获得更大的机械强度。

Purcell总结道:“重要的是要吸取经验教训并充分理解,同时要明确下一步的研究工作,以改善工艺参数,实现2mm纤维长度的目标。”

不用粘合剂即生产出粘接牢固的塑料-橡胶部件,如何做到?

常州市宏发纵横新材料科技股份有限公司与亨内基在湿法浇注和HP-RTM应用方面展开合作