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迈向商业化的HiPerDiF技术

来源:国际复材技术商情 发布时间:2022-10-24 388
化工增强塑料 技术前沿
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在HiPerDiF(高性能非连续纤维)技术的最新进展中,可持续和可成型的高性能复合材料的商业化生产即将到来,从而实现更简单、更具成本效益的复合材料制造。

高性能不连续纤维(HiPerDif)工艺由英国布里斯托大学开发,旨在探索一种替代方法来生产高性能的碳纤维复合材料,从不连续的纤维开始。


英国布里斯托大学的学者HaNa Yu和Kevin Potter是这一技术的共同发明人。为了实现高性能复合材料部件的大批量生产,制造商需要更便宜的原料和更快、更自动化的制造过程——所有这些都不能牺牲先进复合材料所具有的机械性能。


高性能不连续纤维(HiPerDif)是一种高产量的生产方法,由布里斯托大学的HaNa Yu博士在一个早期项目(High Performance Ductile Composite Technology,简称“HiPerDuct”)中发明而来,被用于生产高性能的定向不连续纤维增强复合材料。


这项生产技术可以处理长度在1-12mm之间的各种合成纤维和天然纤维,包括将纤维悬浮在水中,然而通过一个或多个喷嘴,将水/纤维混合物泵送到两块平行板之间的间隙中。纤维排列依赖于纤维悬浮体在撞击到最远的板块时突然发生的动量变化,然后纤维落在不锈钢网的传送带上,并通过抽吸去除水分。


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HiPerDiF工艺从生产5毫米宽预浸胶带的台式样机。该过程包括:1、通过对准头从水箱悬浮液喷射纤维;

2、将对准的纤维加热烘干;3、在高温高压下将干燥的纤维与聚合物膜结合。
图片来源:Marco Longana(布里斯托大学)


这种排列好的纤维预成型体通过红外线得到干燥,然后与热塑性树脂或热固性树脂结合而形成预浸料。最初的机器原型生产了67%纤维含量的样品,纤维取向在偏离单向±3°的范围之内。通过加工3mm的高强度碳纤维,样品在拉伸载荷下实现了115GPa的刚度、1510 MPa的强度以及1.41%的失效应变。


HiPerDiF技术可被用于通过与玻璃纤维的混合而订制复合材料的力学性能。


这些研究人员们注意到,回收的纤维,虽然保持了其刚性,但因去除浸润剂而受损,纤维表面因炭的形成而发生变化,同时影响纤维/基体粘接的表面活性也丧失。因此,HiPerDiF非常适合将回收纤维整合到一种有经济价值的高力学性能的材料中。


该项研究与其他项目不同之处的关键特征之一是:能够使回收材料的力学性能和价值得到恢复,从而生产出高性能复合材料的能力。该项目的研究成果,预示着复合材料及碳纤维的成本将被降低。


如今,HiPerDiF项目已经到了商业化的门槛。最后一步,也是Lineat Composites公司的任务,是利用对齐不连续结构的优越成型性能,支持成品组件的大批量、自动化制造。


布里斯托大学布里斯托复合材料研究所国家复合材料中心(NCC)聚合物和可持续复合材料教授、Lineat Composites联合创始人Ian Hamerton说:“目前所生产的高级复合材料能够保留高达85%的机械性能。然而,在规模方面已经达到了我们所能达到的极限。因为在大规模的生产运行中,我们的对齐受到了影响。”他们开始扩大工艺规模,同时实现始终如一的高质量对齐不连续纤维增强复合材料(ADFRC)预浸料。

下一代HiPerDiF技术

2017年,英国工程和物理科学委员会(EPSRC)提供了100万英镑的拨款,使Hamerton领导的HiPerDiF学术团队开始全面重新设计,目标是提高带的宽度、生产速度和质量。学术团队与STL科技公司合作,后者为HiPerDiF 3G生产了控制软件,这是一个全仪表化、4米长的模块化系统。这台高度精密的研究机器位于NCC,能够以每小时25米的速度生产35毫米宽、高度对齐的预浸料带。


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极强的成型性。为了展示HiPerDiF预浸料的可塑性,Lineat比较了它在贝壳形模具中的性能(左)。

虽然 ADFRC 预浸料与模具(中)很好地吻合,但连续纤维增强预浸料(右)的表现不佳。
图片来源:Lourens Blok(Lineat Composites)


要想实现商业批量生产,下一步需要取代人工配制混合纤维的方法,并改进排列纤维的设备。在私人投资者和InnovateUK的资助下,Lineat正在开发这条商业生产线——据说是世界上第一条——具有自动化的光纤输入系统和创新的对准头组件。Lineat Composites联合创始人兼首席技术官Lourens Blok说:“这个过程可以实现自动化。一旦它启动并运行,需要的调整相对较少。其目的是用最少的手工步骤从原纤维块到对齐纤维带。”


同时,正在进行的HiPerDiF学术研究已经扩大了成功加入预浸料的纤维和树脂的范围。通过改变碳纤维原料可以改变预浸料的性能,例如,从100%的3毫米长PAN纤维到不同比例的3毫米和6毫米长纤维,或PAN和沥青纤维。碳纤维增强聚合物(CFRP)层合板可以具有55%的纤维体积,高刚度(E = 115 GPa,σT≈1500 MPa),伪韧性拉伸性能(εpd = 1.2%),或定制阻尼。目前的条带生产集中在各种商业热固性、热塑性和玻璃体聚合物矩阵,以及玄武岩和植物源纤维,以证明层压机械性能的改善和增强其可持续性——这是研究员Ali Kandemir博士工作的主题。


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模块化的HiPerDiF 3G设备可扩大预浸料的生产,以每小时25米的速度生产高达35毫米宽的ADFRC条带。

图片:Marco Longana(布里斯托大学)
图片来源:Lourens Blok(Lineat Composites)


事实上,可持续性是正在进行的HiPerDiF研究的一个关键目标。在与North Technology Group的合作中,HiPerDiF 3G被用于演示可持续制造技术可以应用于海洋复合材料行业。博士研究员Marcelle Hecker正致力于确定碳纤维增强3Di帆的理想报废回收方法。由SHD Composites公司生产的ADFRC预浸料使用再生纤维和生物基环氧树脂,目前正在对其用于海上演示组件进行评估。与基于HiPerDiF排列的短碳纤维层压板相比,该材料的杨氏模量(35 GPa)高达87.5%,拉应力(300 MPa)为60%。


回收碳纤维是HiPerDiF项目的重点。碳纤维循环示范项目重点关注运动器材行业碳纤维部件的再利用,该项目由世界帆船信托基金会与国际体育联合会联盟共同运营,得到国际奥委会、运动器材制造商、Lineat Composites、布里斯托大学和英国国家复合材料中心的支持。相关人员表示:“我们知道,体育运动通常会大量使用碳纤维,尤其是在高端性能运动中。然而,碳纤维在其他一些行业的使用量更大。这个示范项目是第一步,我们现在热衷于与其他体育和其他行业合作,共同开发这一过程的下一阶段。”


NCC的回收技术开发(RecTec)项目最近使用再生碳纤维和环氧树脂薄膜生产了连续30米长的HiPerDiF预浸料。NCC先进技术项目负责人Jack Alcock指出:“这是项目的关键部分,目的是通过对齐技术最大化回收碳纤维的材料性能,保持最初昂贵的材料来源的最高价值。”下一阶段,用条带制作的测试面板将进行机械测试,以量化性能,并补充早期的对准技术生命周期成本分析(LCA)工作。


为了说明回收热塑性塑料基体和纤维的潜力,并在一系列生命周期中对它们进行重组,HiPerDiF团队扩展了之前发表的聚丙烯和尼龙6复合材料的研究成果。这种新材料使用了像聚乳酸(PLA)这样的热塑性树脂,因为它们对石油原料的依赖程度较低,所以更可持续。研究人员Burak Ogun Yavuz正在使用有限元模拟和实验方法相结合的方法制造碳纤维增强PLA复合材料的复杂部件。他的工作重点是改进HiPerDiF带的制造技术,以促进大批量生产。

迈向大批量制造

由布里斯托大学领导并由EPSRC未来复合材料制造中心资助的另一个项目“纤维导向成型技术”,展示了使用索尔维复合材料手工铺设HiPerDiF铺层预浸料快速生产隔膜形成的半球形结构复合材料CYCOM 977-2增韧环氧树脂基体。


HiPerDiF预浸料已被证明比连续纤维增强层具有更好的成型性,即使在室温下也是如此。该项目目前正在将HiPerDiF预浸渍料与连续束剪技术相结合,该技术已由iCOMAT公司商业化,用于生产小型且高度复杂的双曲率演示组件。博士研究员Chantal Lewis 也在对CYCOM 977-2 HiPerDiF进行弹性测试。


一个更彻底的改变是使用HiPerDiF预浸料来生产3D打印工艺的原料。在泰国政府的支持下,在EPSRC资助的博士研究中,Narongkorn Krajangsawasdi设计了一种方法来形成具有圆形横截面的碳纤维增强PLA(CF-PLA)长丝(碳纤维体积为 35-42%)。该材料的可成型性使得能够在复杂的样品中产生小半径。初步结果超过了连续CF-PLA报告的结果:拉伸刚度为 19 GPa,拉伸强度为122 MPa。目前正在生产基于HiPerDiF原料的碳纤维增强尼龙(CF-PA)长丝。

商业化的未来

Lineat Composites公司由首席执行官兼技术纺织专家Gary Owen领导,于2021年6月在NCC根据财团的中小企业附属机构计划下成立。“为HiPerDiF建立一个成功的商业案例是由成本和性能驱动的。”Owen表示。


与供应链的合作被认为是Lineat成功的关键。“复合材料的材料和制造是紧密结合的。你可以在纸上有很好的材料,但如果它不适合客户流程,就卖不出去。知道如何驾驭这一点和生产高质量的产品同样重要。”


Owen预计HiPerDiF材料在未来五年内将获得显著的市场渗透。“你会看到工业转向对齐纤维复合材料的两个主要原因,首先是可成形性,能够在更短的时间和操作生产更复杂的零件;其次是成本,由于Lineat的升级努力降低了校准成本,因此降低了制造商的劳动力和材料成本。”


来源:荣格-《国际复材技术商情》

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