碳纤维增强塑料:创新获得速度

来源:荣格

发布时间:2018年11月8日下午 11:11:15

不断发展的加工碳纤维并将其转化为零部件的新技术,正在将创意转化为创新。

没有一种单一的解决方案可以增加CFRP的使用。碳纤维价格太高、大量应用的适用性不足、大批量/高速生产仍有难度、难以回收利用,以及改变OEM的思维模式以接受碳纤维增强塑料及其相关的生产要求等等,这些都是挑战。然而,复合材料公司正在着手解决这些问题,行业的进步是快节奏的。以下是一些可能影响整个碳纤维增强塑料供应链的新的解决方案。

碳纤维的氧化

碳纤维的生产可以简单概括为三个阶段:氧化、碳化和表面处理。氧化,也称为稳定化,使聚合物链交联,使得纤维的微观结构和形状在碳化阶段期间得以保留。这是一个关键步骤,因为它需要最多的时间、精力和费用。美国的4M碳纤维公司正在将世界上第一台用于碳纤维丝束生产氧化阶段的等离子氧化炉商业化。预期的结果是更高的产量、更短的生产计划和更高的能源效率。

据该公司介绍,这种新氧化技术的时间不到传统氧化方法的一半。4M正与全球工艺设备制造商C.A. Litzler合作开发其等离子氧化炉。根据4M的数据,这种热炉将会更小,耗能更少,但是会比传统的氧化炉产生更大的吞吐量。由4M的附属RMX技术公司开发的等离子体化学,产生了一种利用电流体动力学加速氧化稳定过程的高反应性过程。

4M的首席执行官Rob Klawonn解释了传统氧化和等离子氧化的区别。“长丝暴露在热空气中以化学方式改变纤维。但氧分子是相当稳定的,并且没有机会与前体反应。”他说,“引入等离子体有助于激发烤箱内部的气氛,使其比传统的暖空气更有活性,从而在更短的时间内发生更多的氧化。”不仅缩短了氧化时间,而且减少了再循环供气的需要,进一步节约了能源。

虽然4M不会透露太多关于其专有等离子体氧化工艺的细节,但Klawonn表示该工艺可以更快地转换前体材料,从而显著减少纤维的处理成本,并且能够在与传统碳纤维生产方法相同的操作范围内生产三倍的产品。他补充说,可以使用等离子氧化技术加工各种前驱体。

此外,该工艺可以生产比传统方法直径加大50%的长丝。Klawonn说,“与玻璃纤维相比,压缩强度往往是碳纤维的弱点。”他指出,“结果是碳纤维丝束具有高压缩性能和抗弯曲性。通过瞄准直径加大的碳丝,这一弱点可以得到缓解,同时通过更高的产量降低固定成本。”

4M预计其第一个产品线将于2019年底上市,完全商业化生产定于2021年。“这一工艺主要针对大批量生产,我们正在解决满足市场需求的重大障碍。”Klawonn指出。

新型预成型工艺

Fibrtec与杜邦公司合作开发了一种用丝束更快地制造织物的方法,这将有助于实现大批量CFRP部件的生产。

美国先进复合材料制造创新研究所(IACMI)牵头的一所机构开发了一种新的碳纤维布制造工艺,该工艺与传统编织材料相比,改善了织物的成形性。该项目的第一阶段有望使碳纤维复合材料的生产更容易、更安全。

该工艺由杜邦公司Fibrtec公司和普渡大学共同参与,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。对于需要复杂形状部件的行业来说,如汽车和其他大批量行业,这将是一个引人关注的项目。

这种新工艺突破的关键是采用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;同时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;所有这些都得到了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。



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。“Fibrflex预成型材料在高温和高压下迅速固结成无空隙的复合材料。”Fibrtec首席执行官戴维斯说。“使用12K碳纤维,这种5毫米宽0.3毫米厚的带很容易操作和覆盖,再可以通过RFF生产近净形状的部件。”

该工艺消除了机织织物的另一个潜在问题:编织干纤维丝束经常导致纤维断裂,将短的导电碳纤维束释放到环境中。由于这个问题,织机和设备必须是电隔离的。Fibrflex产品使用热塑性护套完全包裹纤维,防止了纤维断裂。

杜邦公司的RFF生产工艺利用机器人牵引装置快速生产不同方向的织物,消除了在加工过程中提起牵引的需要。普渡大学进行的实验、建模和模拟表明,这种材料和工艺的结合具有生产成本更低的连续FRP材料的潜力,这种材料的热塑性基体在成型过程中非常符合要求。

自动转换流程

Seriforge使用将单向碳纤维转换为先进复合材料预制件的自动化工艺制造了这种热塑性模塑行李箱。

许多行业仍然手工切割、堆叠和组装碳纤维层,使它们容易出现排列不齐、褶皱、缺失和纤维卷曲。初创公司Seriforge正在将单向碳纤维转换为可批量生产的先进复合材料预制件的过程实现自动化,这是大批量汽车行业和其他行业的梦想。

Seriforge公司使用CAD技术根据客户的要求设计出一种复合层压材料,然后使用专有软件完全自动化干燥的碳纤维层的切割、堆叠、组装和缝合,从而形成一个3D预成型材料,可以插入到注射工具中。其结果是高产量的生产能力——根据零件的复杂程度,每月10,000到20,000个净形状预制件。

自动化这个过程可以简化将来的部分修订将设计更改输入到零件的CAD文件后,下游流程也会随之更新。“我们的CAD系统和生产设备从头到尾都是集成的。”Seriforge业务开发副总裁Marco Zvanik说,“在设计起点进行的更改会自动改变整个过程。”自动化生产还可以记录制造过程,创建历史分析记录。

Seriforge为单向和编织连续碳纤维预制件提供了Z轴加强。对于要求高纤维与树脂比并且设计用于最大性能的部件,Seriforge使用连续纤维丝束缝合堆叠,纤维束没有张力,没有链条或锁针,这可能导致单向纤维的X和Y层的变形,从而降低了成品层压板的性能。

Z型缝合只在需要的地方使用,例如有明显的负载模式的区域或部分有分层风险的切口。Zvanik说:“我们同样的设计软件根据零件的加载要求和加载路径,为其开发层压板时间表。”

Zvanik说,与手工铺层或其他标准预制方法相比,最终形成的近净形状预制件成本中性或更低。Seriforge目前的客户主要集中在石油、天然气和娱乐市场,但公司也有几个汽车项目正在进行中。该公司在2017年搬进了新的生产厂,第一条生产线于2018年6月投入生产。Seriforge公司目前正在建造第二条生产线,并计划在今年年底增加第三条。■

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