美国“创新的热塑性复合材料制造研究技术”取得成果-复合材料网

杜邦的织物快速成形(Rapid Fabric Formation)技术按高剪切角度部署了FibrflexTM柔性涂布丝束

美国先进复合材料制造创新研究所(简称“IACMI”)与田纳西大学和美国能源部驱动的一个联盟,共同宣布了由杜邦领导、协同Fibrtec公司和普渡大学共同完成的一个项目的第一阶段的成果。该项目致力于提高美国复合材料行业在国内的产能以及就业能力。

作为第一阶段的成果,对创建的一种新型碳纤维复合材料制造工艺进行了验证,相比传统的编织材料,该工艺令织物的成形性能得到了改善。第一阶段的成果正推动着项目进入第二阶段的研究,最终会降低碳纤维复合材料结构的成本,使它们更适合在汽车及其他高产量的行业中应用,从而降低隐含能耗(指产品加工、制造和运输等全过程中消耗的总能源),并在行业中直接创造就业机会。

通过IACMI项目创建的这种新材料,综合采用了Fibrtec公司的柔性涂布丝束FibrflexTM和杜邦的织物快速成形(Rapid Fabric Formation,简称“RFF”)技术,以及杜邦专有的一种聚酰胺树脂。

所有这些,都得到了普渡大学提供的广泛的建模和表征能力的支持。

这种涂布的丝束材料是一种部分浸渍的碳纤维/聚酰胺复合材料丝束,由于碳纤维没有完全被聚酰胺润湿,因而获得了一种比完全浸渍的材料更灵活的丝束材料。

RFF工艺是一种采用丝束制造织物的超快速方法,在加工过程中可采用不同的取向而不需要抬起丝束。

试验、建模和仿真,所有这些均表明了这项工艺/材料的组合是生产较低成本连续纤维增强聚合物(CFRP)热塑性材料的一种极有潜力的方法,这种材料以出色的物理性能很好地适应了成型过程的要求。

“Fibrtec公司全球差异化的热塑性复合材料,为我们与杜邦和普渡大学合作,在IACMI项目第一阶段取得突破性的成果作出了贡献。通过推进像Fibrtec一样的中小企业(SMEs)实现组织创新,以及在IACMI构架中打造公共/私人合作伙伴关系,加速了结构复合材料向汽车行业的渗透。对于像Fibrtec一样的公司而言,这为获得通常不可获得的世界级资源提供了一个绝好的机会。我们期待着继续开展第二阶段的联合开发。”Fibrtec公司的首席执行官Robert Davies表示。

该项目的目标是,通过采用近净形状的加工工艺,比如,对相对比较便宜的碳纤维/聚合物预浸丝束进行自动化的纤维铺放(AFP),来降低碳纤维增强聚合物复合材料的制造成本。

涂布的丝束易于处理,而且由此获得的假性织物在成型过程中可以毫不费力地悬垂覆盖而无需剪切锁定。

该项目的合作伙伴们证明了凭借这一战略,这项工艺能够只在需要之处使用昂贵的碳纤维,从而可将碳纤维废料减少30%,并在成型前的压制过程中,创建变形可预测的纤维预成型件。

项目第一阶段带来的结果比预期更好,采用这种加工方案,隐含能耗降低了40%以上。

“这个项目解决了复合材料制造以及复合材料在高产量的市场中实现商业化应用所面临的一些最具挑战性的问题。第一阶段的完成,预示着在证明其结果所带来的重大影响方面向前迈出了一步,即能够以较高的设计自由度制造低成本的部件,以此获得挑战性应用所要求的性能。这是由IACMI最早推出的项目之一,它是协作以及合作加速创新的一个很好的例子。我们期待着项目的第二阶段继续取得新的进展。”杜邦运输与先进聚合物项目经理Jan Sawgle表示。

“普渡大学、Fibrtec和杜邦在此项目上的合作,证明了公-私合作伙伴在培育创新能力、为解决现实问题提供新的解决方案方面的能力。在此项目中,我们专注于开展‘制造的可获知性能(informed performance)’方面是研究,这对于复合材料部件和结构的设计至关重要。”普渡大学复合材料制造与仿真中心复合材料设计工作室主任Michael Bogdanor说,“该项目第一阶段,对于开发新的仿真工具以便能够预测RFF和FibrFlex技术的行为具有指导意义,这为预测材料系统在制造中的行为以及部件的最终性能提供了新的方法。”

“我们对第一阶段取得的成果非常满意,期待着这些先进碳纤维复合材料的持续发展。”IACMI的首席执行官John A. Hopkins表示,“通过该项目第二阶段的研究,我们将更全面地描述这些新型碳纤维热塑性预浸料的形式,验证它们在适合高产量低成本生产的成型工艺中的应用。这将证明它们适合大批量的应用,特别是在汽车行业中。”

与其他两种典型的工艺相比,该项目提供了一种新的CFRP制造方法。这两种典型的工艺有着显著的缺陷,从而限制了它们在汽车和航空工业中得到主流的高产量应用。当前采用的一种主流技术是,将干的碳纤维丝束编织成织物,用热塑性树脂膜对织物进行分层,随后加热,并将它们压制成固结良好的复合材料。虽然这种方法最终有效地制成了碳纤维织物,但这项工艺却有几个缺点,其中的一个缺点是,碳纤维在织造过程中经常断裂,从而将短的、导电的碳纤维绞线释放到局部环境中。因此,要求周围的织机和设备必须是电绝缘的。另一个缺点是,其速度相对缓慢,这与这项传统工艺有关。用这种编织方法制造碳纤维复合材料,其速度大约只有制造玻璃纤维织物所需速度的1/3。第二个典型技术是,采用热塑性树脂对碳纤维丝束进行浸渍并使之扁平化,以制成一种低空隙的完全固结的复合材料带材。接着,对这些带材进行编织,或者对它们进行铺放和固定以形成织物,随后快速地固结成最终的复合材料部件。

采用这项工艺的一个主要问题是对UD带的处理,因为它们坚硬易碎,因此在室温下将其弯曲至很小的半径时可能会断裂。这种刚性属性,使得由带材成形为织物是一个缓慢而昂贵的过程。

作为由杜邦领导的第一阶段的结果,Fibrtec证实了这项进展可以在碳纤维复合材料的生产领域中获得,同时还揭示了碳纤维复合材料在汽车和航空工业中应用的新机遇,因为碳纤维复合材料的生产变得更容易、更安全,从而令其更具经济性,而且在大批量的生产中是可行的。