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美国研发新型连续纤维增强热塑性复合材料制造工艺
中国军工资源网    2018-06-11 08:20:20    文字:【】【】【
    近日,美国先进复合材料制造创新机构(IACMI)宣布,由杜邦公司牵头、Fibrtec公司和普渡大学共同参与的项目完成第一阶段研究,开发出一种新型连续纤维增强热塑性复合材料生产工艺,织物的适型性(formability)与传统织物相比显著提高。这对第二阶段的研究意义重大,能够有效降低碳纤维复合材料结构的生产成本,使其更适合汽车、航空航天等大批量生产领域。 

    该项目的目标是通过采用相对便宜的碳纤维/聚合物丝束预浸料和近净成形工艺(如自动纤维铺放),降低碳纤维增强聚合物基复合材料的制造成本。这种新工艺突破的关键点主要包括三个方面:一是采用Fibrtec公司开发的一种柔性涂覆丝束——FibrflexTM,这种涂覆的丝束材料是部分浸渍树脂的碳纤维/聚酰胺复合材料丝束,即碳纤维未被聚酰胺完全润湿,从而获得比完全浸渍聚酰胺更加柔软的丝束材料;二是采用杜邦公司的快速织物成型(RFF)技术和杜邦专有的聚酰胺树脂,RFF工艺能够实现超快速生产不同方向丝束的织物,在加工过程中无需提拉丝束;三是得到普渡大学在建模和表征方面的支持,相关实验、建模和仿真结果表明,这种新的成型工艺和材料技术的组合是生产较低成本连续纤维增强聚合物热塑性材料的一种潜在方法。与传统方法相比,该项目开发的新技术预计可减少30%的碳纤维材料浪费。 

    目前主流的连续纤维增强聚合物热塑性材料成型工艺有两种,但由于存在明显的缺陷,限制了其在汽车和航空航天工业中的大批量使用。一种方法是采用干燥的碳纤维丝束编织成织物,用热塑性树脂薄膜将织物分层,然后加热并压制成复合材料。这种方法速度慢,并且碳纤维在编织过程中易断裂产生导电短纤维束,因此必须保证编织机和相关设备实现电隔离。第二种主流工艺是用热塑性树脂浸渍并压平碳纤维丝束,以制造低空隙、完全固化的复合带,然后将其编织或放置并定位以形成织物,再迅速固化成最终的复合材料零件。这种方法的主要问题是单向复合材料带的处理,这种材料的刚性和脆性使其在室温下弯曲到紧半径时会出现断裂,导致由带材到织物的制造过程缓慢、成本高。 

    项目第二阶段将进一步开发先进碳纤维复合材料,更加全面地研究这些新型碳纤维热塑性预浸料的形式,并对这些材料是否适合用于大批量生产进行验证,包括降低制造成本,提高设计自由度以满足特殊的性能要求等。此外,作为IACMI最早实施的项目之一,该项目也是通过公私协作加速创新的典范。(北方科技信息研究所 胡晓睿) 
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