快速鋪層：新的三維預(yù)成型技術(shù)

鉤-環(huán)鎖扣加速了碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維和混雜織物的鋪層，同時(shí)提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。 一種新的技術(shù)為三維預(yù)成型件的手工鋪層方式提供了自動(dòng)化操作的機(jī)遇。

今天，用三維織物預(yù)成型件生產(chǎn)從小型到巨型的高性能復(fù)合材料部件已毫無疑問。但對于高產(chǎn)量的行業(yè)而言，如汽車工業(yè)，三維預(yù)成型工藝迄今為止一直是非常耗時(shí)并因此而非常昂貴的，這使其成為汽車生產(chǎn)中一種嚴(yán)格受限的材料/工藝選擇。但隨著一種新技術(shù)的出現(xiàn)，一切都發(fā)生了變化，該技術(shù)為耗時(shí)的、勞動(dòng)密集型的三維預(yù)成型件的手工鋪層方式提供了自動(dòng)化操作的機(jī)遇。該技術(shù)曾獲得了2010 JEC創(chuàng)新獎(jiǎng)中的材料類別獎(jiǎng)項(xiàng)，其商品名為“Han-3D”織物或“Han-3D”復(fù)合材料（正在申請全球?qū)＠?。它是發(fā)明家Nathan Nanlin Han博士的智慧結(jié)晶。他是一個(gè)合伙創(chuàng)建人（與其他一些經(jīng)驗(yàn)豐富的擁有博士資歷的專業(yè)人士一起），同時(shí)是兩家公司的總經(jīng)理，這兩家公司專注于開發(fā)和生產(chǎn)獨(dú)特的三維復(fù)合材料及納米復(fù)合材料：位于美國加利福尼亞州的3D Nanocomposites公司為其位于中國江蘇的姊妹公司——先進(jìn)纖維材料技術(shù)有限公司開發(fā)用于織物生產(chǎn)的產(chǎn)品。 本文來自123


圖1 一種為層壓復(fù)合材料生產(chǎn)織物層的新方法，采用了像維可牢尼龍搭扣一樣的可在Z軸方向上實(shí)現(xiàn)連接的鉤-環(huán)鎖扣，從而將臨近的織物層連接起來

開發(fā)該三維預(yù)成型件的目的是為了克服二維層合結(jié)構(gòu)固有的缺點(diǎn)。Han解釋說，雖然碳纖維或玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度能夠超過3000MPa，遠(yuǎn)高于鋼的拉伸強(qiáng)度，但用于將纖維層粘接在一起的樹脂基體卻只有大約100MPa的拉伸強(qiáng)度，其拉伸強(qiáng)度只是纖維的1/30。因此，在層疊結(jié)構(gòu)中，如果只是用樹脂將織物層粘接在一起，那么這一較低的層間剝離強(qiáng)度則可能導(dǎo)致分層以及在多種載荷條件下的面外失效，特別是在沖擊疲勞載荷和壓縮疲勞載荷下。盡管可以通過采用增大交聯(lián)密度和其他方式來提高聚合物基體的拉伸強(qiáng)度，但這卻是一種會(huì)增加樹脂系統(tǒng)成本的極具挑戰(zhàn)的方法。其他的用于提高Z軸方向上層疊強(qiáng)度的努力則主要集中在機(jī)械方法上，如全厚度縫合、三維編織技術(shù)以及Z-pins嵌入。雖然這些方法的確提高了沖擊強(qiáng)度，但三維縫合和編織則要求采用復(fù)雜的機(jī)器和工藝，而且所有這3種方法都會(huì)降低復(fù)合材料的柔韌性和功效，當(dāng)然還會(huì)增加其成本。 123456


圖2 采用Han-3D織物制作的一個(gè)織物預(yù)成型件

Han說，汽車行業(yè)廣泛采納復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的最大障礙是許多技術(shù)不具備量產(chǎn)化的生產(chǎn)效率及其很高的成本。“當(dāng)為飛機(jī)甚至輪船制造部件時(shí)，手工鋪層是可行的。但對于汽車生產(chǎn)而言，這種方法在實(shí)際應(yīng)用中確實(shí)顯得很慢。”他說。
Han用于編織織物的方法克服了這些局限。與Velcro公司的方法相似，Han的織物是采用鉤-環(huán)鎖扣被固結(jié)在一起，鉤在一邊，環(huán)在另一邊。該技術(shù)似乎適用于幾乎任何纖維類型或混雜材料，并可實(shí)現(xiàn)快速、方便的組合：當(dāng)纖維層被堆疊在一起時(shí)，鄰近的層便通過鎖扣被鎖定在一起，其作用就像是傳遞層增強(qiáng)的纖維，它改善了Z軸向的機(jī)械強(qiáng)度。“利用我們新的鉤-環(huán)織物以及一個(gè)機(jī)械手鋪層臂，我們能夠在90s內(nèi)生產(chǎn)出一個(gè)預(yù)成型件。” Han聲稱：“當(dāng)結(jié)合使用目前2min即可固化的環(huán)氧樹脂時(shí)，采用樹脂傳遞模塑成型工藝（簡稱 “RTM”），可在不到5min的時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出一個(gè)車身或底盤部件。” copyright 123456


圖3 在采用鉤/環(huán)搭接的“互鎖型”Han-3D玻璃纖維織物（上）以及具有同樣重量的“非互鎖型”平織玻璃纖維織物（下）上所做的低速碰撞測試，兩種織物都是按0°、+45°、-45°、90°、0°、-45°、+45°和0°的順序依次鋪層、并由亨斯邁先進(jìn)材料公司的Aradur 5003-1環(huán)氧樹脂進(jìn)行真空灌注的一個(gè)8層織物。將試樣放入一個(gè)中心孔直徑為50mm的試驗(yàn)夾具中，采用一個(gè)頭部直徑為12.7mm的沖擊桿在試樣的多處擊打數(shù)次（落錘1kg，落差80cm）?？梢钥闯?，采用Han-3D織物生產(chǎn)的復(fù)合材料上的凹痕相對較小，中間一排顯示出了僅在試驗(yàn)夾具的落差由80cm降低到40cm后，平織的試樣上就出現(xiàn)了較小的凹痕印記

據(jù)說，采用這些織物制成的復(fù)合材料已在虛擬原型制作和物理性能測試中被預(yù)測并顯示出了其從改善的力學(xué)性能方面獲得的益處：撕裂強(qiáng)度提高了50%～100%，耐壓強(qiáng)度提高了20%，抗彎強(qiáng)度提高了10%，剪切強(qiáng)度至少提高了15%，而沖擊強(qiáng)度則提高了60%～100%。同時(shí)，部件的抗疲勞性、螺孔強(qiáng)度和粘接強(qiáng)度也都有所提高。 123456
當(dāng)然，還有成本方面的收益。Han以與其他復(fù)雜的增強(qiáng)織物大體相當(dāng)?shù)膬r(jià)格生產(chǎn)和銷售其織物。借助于機(jī)械手臂，可將Han的織物從裁切臺上移走并準(zhǔn)確地鋪放到模具中。Han說，其所帶來的結(jié)果是，與傳統(tǒng)的層壓復(fù)合材料相比，可降低50%的直接生產(chǎn)成本，另外還可降低30%的間接成本。


圖4 為展示該技術(shù)可能的應(yīng)用之處，先進(jìn)纖維材料技術(shù)有限公司采用帶有芳綸纖維鉤和環(huán)的Han-3D混雜碳纖維預(yù)成型件，生產(chǎn)出了這一“車頂加柱”結(jié)構(gòu)的小型試樣。預(yù)成型件的鋪層只花費(fèi)了90s的時(shí)間

Han-3D織物的開發(fā)階段目前已經(jīng)結(jié)束，初級的鉤-環(huán)織物可在中國和美國買到。目前正在進(jìn)行的工作是開發(fā)類似于3M Dual-Lock系統(tǒng)的可替代的蘑菇狀鎖扣，以作為生產(chǎn)預(yù)浸料的一種方法。


作者：Peggy Malnati　 123456
文章來源：High-Performance Composites