碳纖維增強塑料：創新獲得速度
不斷發展的加工碳纖維並將其轉化為零部件的新技術，正在將創意轉化為創新
沒有一種單一的解決方案可以增加CFRP的使用。碳纖維價格太高、大量應用的適用性不足、大批量/高速生產 仍有難度、難以回收利用，以及改變OEM的思維模式以接受碳纖維增強塑料及其相關的生產要求等等，這些都 是挑戰。然而，複合材料公司正在著手解決這些問題，行業的進步是快節奏的。以下是一些可能影響整個碳纖維 增強塑料供應鏈的新的解決方案。
碳纖維的氧化
碳纖維的生產可以簡單概括為三個階段：氧化、碳化和表面處理。氧化，也稱為穩定化，使聚合物鏈交聯，使得 纖維的微觀結構和形狀在碳化階段期間得以保留。這是一個關鍵步驟，因為它需要最多的時間、精力和費用。美 國的4M碳纖維公司正在將世界上第一台用於碳纖維絲束生產氧化階段的等離子氧化爐商業化。預期的結果是更 高的產量、更短的生產計劃和更高的能源效率。
據該公司介紹，這種新氧化技術的時間不到傳統氧化方法的一半。 4M正與全球工藝設備製造商C.A. Litzler合 作開發其等離子氧化爐。根據4M的數據，這種熱爐將會更小，耗能更少，但是會比傳統的氧化爐產生更大的吞 吐量。由4M的附屬RMX技術公司開發的等離子體化學，產生了一種利用電流體動力學加速氧化穩定過程的高 反應性過程。
4M的首席執行官Rob Klawonn解釋了傳統氧化和等離子氧化的區別。 “長絲暴露在熱空氣中以化學方式 改變纖維。但氧分子是相當穩定的，並且沒有機會與前體反應。”他說，“引入等離子體有助於激發烤箱 內部的氣氛，使其比傳統的暖空氣更有活性，從而在更短的時間內發生更多的氧化。”不僅縮短了氧化時 間，而且減少了再循環供氣的需要，進一步節約了能源。
雖然4M不會透露太多關於其專有等離子體氧化工藝的細節，但Klawonn表示該工藝可以更快地轉換前 體材料，從而顯著減少纖維的處理成本，並且能夠在與傳統碳纖維生產方法相同的操作範圍內生產三倍的 產品。他補充說，可以使用等離子氧化技術加工各種前驅體。此外，該工藝可以生產比傳統方法直徑加大 50%的長絲。 Klawonn說，“與玻璃纖維相比，壓縮強度往往是碳纖維的弱點。”他指出，“結果是碳纖 維絲束具有高壓縮性能和抗彎曲性。通過瞄准直徑加大的碳絲，這一弱點可以得到緩解，同時通過更高的 產量降低固定成本。”
4M預計其第一個產品線將於2019年底上市，完全商業化生產定於2021年。 “這一工藝主要針對大批量 生產，我們正在解決滿足市場需求的重大障礙。”Klawonn指出。
新型預成型工藝 Fibrtec與杜邦公司合作開發了一種用絲束更快地製造織物的方法，這將有助於實現大批量CFRP部件的生 產。美國先進複合材料製造創新研究所（IACMI）牽頭的一所機構開發了一種新的碳纖維布製造工藝，該 工藝與傳統編織材料相比，改善了織物的成形性。該項目的第一階段有望使碳纖維複合材料的生產更容易、 更安全。
該工藝由杜邦公司Fibrtec公司和普渡大學共同參與，目標是通過採用相對便宜的碳纖維/聚合物絲束預浸 料和近淨成形工藝（如自動纖維鋪放），降低碳纖維增強聚合物基複合材料的製造成本。對於需要復雜形 狀部件的行業來說，如汽車和其他大批量行業，這將是一個引人關注的項目。
這種新工藝突破的關鍵是採用Fibrtec公司開發的一種柔性塗覆絲束——FibrflexTM，這種塗覆的絲束材料 是部分浸漬樹脂的碳纖維/聚酰胺複合材料絲束，即碳纖維未被聚酰胺完全潤濕，從而獲得比完全浸漬聚 酰胺更加柔軟的絲束材料；同時採用杜邦公司的快速織物成型（RFF）技術和杜邦專有的聚酰胺樹脂，RFF 工藝能夠實現超快速生產不同方向絲束的織物，在加工過程中無需提拉絲束；所有這些都得到了普渡大學 在建模和表徵方面的支持，相關實驗、建模和仿真結果表明，這種新的成型工藝和材料技術的組合是生產 較低成本連續纖維增強聚合物熱塑性材料的一種潛在方法。與傳統方法相比，該項目開發的新技術預計可 減少30%的碳纖維材料浪費。目前主流的連續纖維增強聚合物熱塑性材料成型工藝有兩種，但由於存在明顯的缺陷，限制了其在汽車和航空航天工業中的大批量使用。一種方法是採用乾燥的碳纖維絲束編織成織 物，用熱塑性樹脂薄膜將織物分層，然後加熱並壓製成複合材料。
這種方法速度慢，並且碳纖維在編織過程中易斷裂產生導電短纖維束，因此必須保證編織機和相關設備實 現電隔離。第二種主流工藝是用熱塑性樹脂浸漬並壓平碳纖維絲束，以製造低空隙、完全固化的複合帶， 然後將其編織或放置並定位以形成織物，再迅速固化成最終的複合材料零件。這種方法的主要問題是單向 複合材料帶的處理，這種材料的剛性和脆性使其在室溫下彎曲到緊半徑時會出現斷裂，導致由帶材到織物 的製造過程緩慢、成本高。
這種塗佈的絲束材料是一種部分浸漬的碳纖維/聚酰胺複合材料絲束，由於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。 “Fibrflex預成型材料在高溫和高壓下迅速固結成 無空隙的複合材料。”Fibrtec首席執行官戴維斯說。 “使用12K碳纖維，這種5毫米寬0.3毫米厚的帶很 容易操作和覆蓋，再可以通過RFF生產近淨形狀的部件。”
該工藝消除了機織織物的另一個潛在問題：編織幹纖維絲束經常導致纖維斷裂，將短的導電碳纖維束釋放 到環境中。由於這個問題，織機和設備必須是電隔離的。 Fibrflex產品使用熱塑性護套完全包裹纖維，防 止了纖維斷裂。杜邦公司的RFF生產工藝利用機器人牽引裝置快速生產不同方向的織物，消除了在加工過 程中提起牽引的需要。普渡大學進行的實驗、建模和模擬表明，這種材料和工藝的結合具有生產成本更低 的連續FRP材料的潛力，這種材料的熱塑性基體在成型過程中非常符合要求。
自動轉換流程
Seriforge使用將單向碳纖維轉換為先進複合材料預製件的自動化工藝製造了這種熱塑性模塑行李箱。 許多行業仍然手工切割、堆疊和組裝碳纖維層，使它們容易出現排列不齊、褶皺、缺失和纖維捲曲。初創 公司Seriforge正在將單向碳纖維轉換為可批量生產的先進複合材料預製件的過程實現自動化，這是大批 量汽車行業和其他行業的夢想。
Seriforge公司使用CAD技術根據客戶的要求設計出一種複合層壓材料，然後使用專有軟件完全自動化干 燥的碳纖維層的切割、堆疊、組裝和縫合，從而形成一個3D預成型材料，可以插入到注射工具中。其結 果是高產量的生產能力——根據零件的複雜程度，每月10,000到20,000個淨形狀預製件。
自動化這個過程可以簡化將來的部分修訂將設計更改輸入到零件的CAD文件後，下游流程也會隨之更新。 “我們的CAD系統和生產設備從頭到尾都是集成的。”Seriforge業務開發副總裁Marco Zvanik說，“在 設計起點進行的更改會自動改變整個過程。”自動化生產還可以記錄製造過程，創建歷史分析記錄。
Seriforge為單向和編織連續碳纖維預製件提供了Z軸加強。對於要求高纖維與樹脂比並且設計用於最大 性能的部件，Seriforge使用連續纖維絲束縫合堆疊，纖維束沒有張力，沒有鏈條或鎖針，這可能導致單向 纖維的X和Y層的變形，從而降低了成品層壓板的性能。
Z型縫合只在需要的地方使用，例如有明顯的負載模式的區域或部分有分層風險的切口。 Zvanik說:“我 們同樣的設計軟件根據零件的加載要求和加載路徑，為其開發層壓板時間表。”
Zvanik說，與手工鋪層或其他標準預製方法相比，最終形成的近淨形狀預製件成本中性或更低。 Seriforge 目前的客戶主要集中在石油、天然氣和娛樂市場，但公司也有幾個汽車項目正在進行中。該公司在2017 年搬進了新的生產廠，第一條生產線於2018年6月投入生產。 Seriforge公司目前正在建造第二條生產線， 併計劃在今年年底增加第三條。 ■