美國先進(jìn)復(fù)合材料制造創(chuàng)新研究所(簡稱“IACMI”)與田納西大學(xué)和美國能源部驅(qū)動的一個聯(lián)盟，共同宣布了由杜邦領(lǐng)導(dǎo)、協(xié)同F(xiàn)ibrtec公司和普渡大學(xué)共同完成的一個項(xiàng)目的第一階段的成果。該項(xiàng)目致力于提高美國復(fù)合材料行業(yè)在國內(nèi)的產(chǎn)能以及就業(yè)能力。

 

       作為第一階段的成果，對創(chuàng)建的一種新型碳纖維復(fù)合材料制造工藝進(jìn)行了驗(yàn)證，相比傳統(tǒng)的編織材料，該工藝令織物的成形性能得到了改善。第一階段的成果正推動著項(xiàng)目進(jìn)入第二階段的研究，最終會降低碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的成本，使它們更適合在汽車及其他高產(chǎn)量的行業(yè)中應(yīng)用，從而降低隱含能耗(指產(chǎn)品加工、制造和運(yùn)輸?shù)热^程中消耗的總能源)，并在行業(yè)中直接創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會。

 

       通過IACMI項(xiàng)目創(chuàng)建的這種新材料，綜合采用了Fibrtec公司的柔性涂布絲束FibrflexTM和杜邦的織物快速成形(Rapid Fabric Formation，簡稱“RFF”)技術(shù)，以及杜邦專有的一種聚酰胺樹脂。

 

       所有這些，都得到了普渡大學(xué)提供的廣泛的建模和表征能力的支持。

 

       這種涂布的絲束材料是一種部分浸漬的碳纖維/聚酰胺復(fù)合材料絲束，由于碳纖維沒有完全被聚酰胺潤濕，因而獲得了一種比完全浸漬的材料更靈活的絲束材料。

 

      RFF工藝是一種采用絲束制造織物的超快速方法，在加工過程中可采用不同的取向而不需要抬起絲束。

 

       試驗(yàn)、建模和仿真，所有這些均表明了這項(xiàng)工藝/材料的組合是生產(chǎn)較低成本連續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)熱塑性材料的一種極有潛力的方法，這種材料以出色的物理性能很好地適應(yīng)了成型過程的要求。

 

       “Fibrtec公司全球差異化的熱塑性復(fù)合材料，為我們與杜邦和普渡大學(xué)合作，在IACMI項(xiàng)目第一階段取得突破性的成果作出了貢獻(xiàn)。通過推進(jìn)像Fibrtec一樣的中小企業(yè)(SMEs)實(shí)現(xiàn)組織創(chuàng)新，以及在IACMI構(gòu)架中打造公共/私人合作伙伴關(guān)系，加速了結(jié)構(gòu)復(fù)合材料向汽車行業(yè)的滲透。對于像Fibrtec一樣的公司而言，這為獲得通常不可獲得的世界級資源提供了一個絕好的機(jī)會。我們期待著繼續(xù)開展第二階段的聯(lián)合開發(fā)。”Fibrtec公司的首席執(zhí)行官Robert Davies表示。

 

       該項(xiàng)目的目標(biāo)是，通過采用近凈形狀的加工工藝，比如，對相對比較便宜的碳纖維/聚合物預(yù)浸絲束進(jìn)行自動化的纖維鋪放(AFP)，來降低碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的制造成本。

 

       涂布的絲束易于處理，而且由此獲得的假性織物在成型過程中可以毫不費(fèi)力地懸垂覆蓋而無需剪切鎖定。

 

       該項(xiàng)目的合作伙伴們證明了憑借這一戰(zhàn)略，這項(xiàng)工藝能夠只在需要之處使用昂貴的碳纖維，從而可將碳纖維廢料減少30%，并在成型前的壓制過程中，創(chuàng)建變形可預(yù)測的纖維預(yù)成型件。

 

      項(xiàng)目第一階段帶來的結(jié)果比預(yù)期更好，采用這種加工方案，隱含能耗降低了40%以上。

 

       “這個項(xiàng)目解決了復(fù)合材料制造以及復(fù)合材料在高產(chǎn)量的市場中實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用所面臨的一些最具挑戰(zhàn)性的問題。第一階段的完成，預(yù)示著在證明其結(jié)果所帶來的重大影響方面向前邁出了一步，即能夠以較高的設(shè)計(jì)自由度制造低成本的部件，以此獲得挑戰(zhàn)性應(yīng)用所要求的性能。這是由IACMI最早推出的項(xiàng)目之一，它是協(xié)作以及合作加速創(chuàng)新的一個很好的例子。我們期待著項(xiàng)目的第二階段繼續(xù)取得新的進(jìn)展。”杜邦運(yùn)輸與先進(jìn)聚合物項(xiàng)目經(jīng)理Jan Sawgle表示。

 

       “普渡大學(xué)、Fibrtec和杜邦在此項(xiàng)目上的合作，證明了公-私合作伙伴在培育創(chuàng)新能力、為解決現(xiàn)實(shí)問題提供新的解決方案方面的能力。在此項(xiàng)目中，我們專注于開展‘制造的可獲知性能(informed performance)’方面是研究,這對于復(fù)合材料部件和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。”普渡大學(xué)復(fù)合材料制造與仿真中心復(fù)合材料設(shè)計(jì)工作室主任Michael Bogdanor說，“該項(xiàng)目第一階段，對于開發(fā)新的仿真工具以便能夠預(yù)測RFF和FibrFlex技術(shù)的行為具有指導(dǎo)意義，這為預(yù)測材料系統(tǒng)在制造中的行為以及部件的最終性能提供了新的方法。”

 

       “我們對第一階段取得的成果非常滿意，期待著這些先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料的持續(xù)發(fā)展。”IACMI的首席執(zhí)行官John A. Hopkins表示，“通過該項(xiàng)目第二階段的研究，我們將更全面地描述這些新型碳纖維熱塑性預(yù)浸料的形式，驗(yàn)證它們在適合高產(chǎn)量低成本生產(chǎn)的成型工藝中的應(yīng)用。這將證明它們適合大批量的應(yīng)用，特別是在汽車行業(yè)中。”

 

       與其他兩種典型的工藝相比，該項(xiàng)目提供了一種新的CFRP制造方法。這兩種典型的工藝有著顯著的缺陷，從而限制了它們在汽車和航空工業(yè)中得到主流的高產(chǎn)量應(yīng)用。當(dāng)前采用的一種主流技術(shù)是，將干的碳纖維絲束編織成織物，用熱塑性樹脂膜對織物進(jìn)行分層，隨后加熱，并將它們壓制成固結(jié)良好的復(fù)合材料。雖然這種方法最終有效地制成了碳纖維織物，但這項(xiàng)工藝卻有幾個缺點(diǎn)，其中的一個缺點(diǎn)是，碳纖維在織造過程中經(jīng)常斷裂，從而將短的、導(dǎo)電的碳纖維絞線釋放到局部環(huán)境中。因此，要求周圍的織機(jī)和設(shè)備必須是電絕緣的。另一個缺點(diǎn)是，其速度相對緩慢，這與這項(xiàng)傳統(tǒng)工藝有關(guān)。用這種編織方法制造碳纖維復(fù)合材料，其速度大約只有制造玻璃纖維織物所需速度的1/3。第二個典型技術(shù)是，采用熱塑性樹脂對碳纖維絲束進(jìn)行浸漬并使之扁平化，以制成一種低空隙的完全固結(jié)的復(fù)合材料帶材。接著，對這些帶材進(jìn)行編織，或者對它們進(jìn)行鋪放和固定以形成織物，隨后快速地固結(jié)成最終的復(fù)合材料部件。

 

       采用這項(xiàng)工藝的一個主要問題是對UD帶的處理，因?yàn)樗鼈儓?jiān)硬易碎，因此在室溫下將其彎曲至很小的半徑時可能會斷裂。這種剛性屬性，使得由帶材成形為織物是一個緩慢而昂貴的過程。

 

       作為由杜邦領(lǐng)導(dǎo)的第一階段的結(jié)果，F(xiàn)ibrtec證實(shí)了這項(xiàng)進(jìn)展可以在碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)領(lǐng)域中獲得，同時還揭示了碳纖維復(fù)合材料在汽車和航空工業(yè)中應(yīng)用的新機(jī)遇，因?yàn)樘祭w維復(fù)合材料的生產(chǎn)變得更容易、更安全，從而令其更具經(jīng)濟(jì)性，而且在大批量的生產(chǎn)中是可行的。