熱塑性復(fù)合材料加工技術(shù)現(xiàn)狀、應(yīng)用及發(fā)展趨勢

2016-12-12 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

熱塑性復(fù)合材料具有密度低、強(qiáng)度高、加工快、可回收等突出特點(diǎn),屬于高性能、低成本、綠色環(huán)保的新型復(fù)合材料,已部分替代價格昂貴的工程塑料、熱固性復(fù)合材料以及輕質(zhì)金屬材料(鋁鎂合金),在飛機(jī)、汽車、火車、醫(yī)療、體育等方面有廣闊應(yīng)用前景。本文概述了熱塑性復(fù)合材料的種類、結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn),并詳細(xì)介紹了國內(nèi)外最新加工技術(shù)、應(yīng)用、發(fā)展趨勢,以及未來面臨的障礙和挑戰(zhàn)。

樹脂基復(fù)合材料主要分為兩種類型:熱固性復(fù)合材料(FRP)和熱塑性復(fù)合材料(FRT),其中,FRT具有密度低、強(qiáng)度高、抗沖擊好、抗疲勞好、可回收、加工成型快、造價低等突出特點(diǎn),屬于高性能、低成本、綠色環(huán)保的新型復(fù)合材料,已廣泛應(yīng)用在電子、電器、飛機(jī)、汽車、火車、能源、船舶、醫(yī)療器械、體育運(yùn)動器材、建筑、軍工等工業(yè)產(chǎn)品,近年,隨著各國對節(jié)能減排、環(huán)保等要求的不斷提高,FRT獲得更快速發(fā)展,相關(guān)新材料、新技術(shù)、新設(shè)備不斷涌現(xiàn)。

基本種類

根據(jù)制品中最大纖維保留尺寸大小,FRT(GFRT和CFRT)可分為:(1)非連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(N-CFT),包括短切纖維增強(qiáng)工程塑料(SFT,最大纖維保留尺寸0.2-0.6mm);(2)長纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(LFT-G,LFT-D,最大纖維保留尺寸5-20mm);(3)連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(CFT,最大纖維保留尺寸>20mm)。

采用傳統(tǒng)成型工藝“注塑及模壓”可以實(shí)現(xiàn)N-CFT非結(jié)構(gòu)件或半結(jié)構(gòu)部件的制造(如汽車部件),盡管與CFT相比,機(jī)械力學(xué)性能相差較大,但是能夠滿足一般民用工業(yè)產(chǎn)品的性價比使用要求,因此市場容量巨大,發(fā)展速度快,制造技術(shù)與應(yīng)用相對成熟。

LFT碳纖維復(fù)合材料發(fā)展較快,美國RTP、美國泰科納(Ticona)、日本川畸(Kawasaki)、沙伯基礎(chǔ)工業(yè)(Sabic)等國外公司己實(shí)現(xiàn)LFT碳纖維復(fù)合材料工業(yè)化生產(chǎn),并應(yīng)用在需求高強(qiáng)度、輕量化的汽車非結(jié)構(gòu)零部件,用以替代部分鋁合金材料零部件,同時還具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐磨、電磁屏蔽等特殊功能,已成為國內(nèi)外改性塑料公司爭先開發(fā)的新領(lǐng)域。2012年北京納盛通公司(NST)采用自主創(chuàng)新的專利技術(shù)實(shí)現(xiàn)LFT碳纖維復(fù)合材料(粒材)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn),并應(yīng)用在風(fēng)電葉片、LED顯示模塊支架、電動汽車輪轂等產(chǎn)品中。

CFT是一種具有更高性能的輕量化新材料,也是近年來技術(shù)發(fā)展最快的復(fù)合材料之一,可分為四種類型:1)連續(xù)單絲纖維單向排列的CFT(又稱單向連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸帶),如美國歐文斯科寧(OCV)公司開發(fā)的連續(xù)單絲玻纖增強(qiáng)熱塑性浸漬PP帶。2)玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(GMT)。天津工業(yè)大學(xué)董衛(wèi)國發(fā)明了更輕質(zhì)的針刺玻纖氈增強(qiáng)PP熱塑性復(fù)合材料(S-GMT);3)連續(xù)纖維編織布增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(2D-CFT),包括前浸漬和后浸漬、原應(yīng)聚合浸漬、混合纖維紗浸漬等各種先進(jìn)浸漬工藝技術(shù)與復(fù)合制備方法,提高了兩相界面結(jié)合強(qiáng)度與力學(xué)性能;4)多角度、多相復(fù)合結(jié)構(gòu)的連續(xù)纖維編織布增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(3D-CFT),包括編織物(帶、布、氈)結(jié)構(gòu)、三明治夾層實(shí)心結(jié)構(gòu)與三明治夾心發(fā)泡結(jié)構(gòu)、Z型多層立柱結(jié)構(gòu)等新型CFT復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以及熱塑性樹脂基體的“原位”和“離位”增強(qiáng)增韌、結(jié)構(gòu)/功能一體化的設(shè)計(jì)與全自動化智能制造技術(shù)發(fā)展,從而提高高性能連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(CFRT)的綜合性能。

新加工技術(shù)

注射浸漬成型技術(shù)

根據(jù)不同CFT的特性,熔融、預(yù)浸、成型等成型階段對設(shè)備和加工工藝都有特定的技術(shù)要求。熱塑性樹脂基體粘度高、浸潤纖維難,因此熱塑性預(yù)浸料制備是CFT與相關(guān)產(chǎn)品制備技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)與難點(diǎn)。

2013年,注塑機(jī)制造商恩格爾(Engel)成功研發(fā)原位聚合反應(yīng)的注射浸漬成型技術(shù)(In situ T-RTM),使用注塑工藝技術(shù)將單體原位聚合與連續(xù)纖維的熱熔浸漬過程同步完成,實(shí)現(xiàn)自動化、可控化、高效率的熔融浸漬過程與復(fù)合成型過程一體化,減少工藝流程、提高產(chǎn)品性能。原理是將低粘度系數(shù)的單體?-己內(nèi)酰胺(或CBT,環(huán)氧烷)在高速低壓下注射到連續(xù)纖維(GF、CF)周圍,然后在模具中單體原位聚合反應(yīng)生成PA6,隨后注塑進(jìn)入模具中成為產(chǎn)品或制件,成型時間為60-120秒。因類似熱固性復(fù)合材料(FRP)成型過程的RTM工藝技術(shù)原理,故又稱為熱塑性聚合物樹脂成型的RTM工藝技術(shù)(即T-RTM)。與熱固性HP-RTM相比,優(yōu)勢在于:(1)原材料和制造成本低;(2)部件的抗沖擊韌性更優(yōu)越;(3)產(chǎn)品易于回收再利用,且具有可焊接性;(4)樹脂基體粘度低似水,更容易連續(xù)纖維(帶、布、氈)的浸漬過程與提高效率。

間隙浸漬技術(shù)(GIT)

2014年3月德國C.Hopmann教授發(fā)明的反應(yīng)注射加壓間隙浸漬成型技術(shù)(GIT)獲得德國國家塑料工業(yè)大獎。這種工藝技術(shù)具有通用性好,適合熱固性/熱塑性樹脂基體復(fù)合體系,成型時間快(2-5分鐘)、成型溫度低(120-150℃)、模具加壓壓力大(>25bar),同時操作相對簡易、可控性好、穩(wěn)定性好,設(shè)備投資成本低,易于制件實(shí)現(xiàn)大批量自動化生產(chǎn),生產(chǎn)效率高,較適用于制造光滑曲面要求,又是非復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的汽車結(jié)構(gòu)零部件。

GIT技術(shù)也可適用于熱固性樹脂HP-RTM工藝,在真空模腔內(nèi)可調(diào)節(jié)較高的模壓壓力和成型溫度,以及經(jīng)過兩個注射RTM工藝過程用于制備大型汽車零部件,故又稱為高壓注射RTM-HP-RTM工藝技術(shù)。2012年德國大眾汽車公司用GIT技術(shù)生產(chǎn)制造轎車CFRP引擎蓋。

連續(xù)運(yùn)行雙帶滾輪等靜壓技術(shù)(DBP)

連續(xù)運(yùn)行雙帶滾輪等靜壓技術(shù)(DBP)可實(shí)現(xiàn)高速的熱塑性預(yù)浸帶和半成品片材的加工成型。DBP恒溫壓力機(jī)可對兩種或兩種以上的單層編織物(布)與兩種或多種熱塑性樹脂基體薄膜(0.01-2mm)進(jìn)行熱熔融復(fù)合,并施以均勻的等靜壓力,同時加熱塑化、冷卻,在各個點(diǎn)上的抗拉伸和扭曲強(qiáng)度等可保持基本一致,可滿足不同CFT熱塑性片材生產(chǎn)。DBP技術(shù)優(yōu)勢:1)高溫、高壓和高速運(yùn)行—體化完成;2)根據(jù)CFT所需溫度變化,分別對上部和底部的每一個單獨(dú)區(qū)域進(jìn)行溫度變化自動實(shí)時的精確控制;3)加壓區(qū)在維持等靜壓力的同時分別進(jìn)行加熱和冷卻過程處理,消除內(nèi)應(yīng)力。

熱塑性預(yù)浸料(片材)的深加工技術(shù)

CFT熱塑性預(yù)浸料(片材)常見成型方法:注塑成型,工藝簡單,批量生產(chǎn);水輔注射成型,比氣體輔助注射成型周期更短;熱壓成型,在高壓、高溫下用于低應(yīng)變率制件的制備方法,可以形成高密度和緊密實(shí)的CFT;真空加熱成型,需要用CFT熱塑性預(yù)浸料片材經(jīng)過真空加熱模具、保溫保壓,再冷卻后脫模成型;冷膜模壓成型(CDF),是基于加熱模壓成型技術(shù)發(fā)展的一種新技術(shù),可提高CFT量產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量,CFT熱塑性預(yù)浸料固定在一個凹陷的內(nèi)模,并放置在紅外加熱室,聚合物背襯料固定在預(yù)浸料表面加熱到需要的成型溫度,并加壓和通惰性氣體或真空下成型,溫度下降后再從模具中取出。市場上已利用冷隔膜模壓成型技術(shù)制作直升飛機(jī)CFRT外殼,還有GFRT熱塑性預(yù)浸帶(絲)纏繞成型和熱擠出板材等工藝技術(shù)制造輸送管道與建筑板材。

纖維預(yù)浸帶(絲)的全自動化鋪放技術(shù)

自動纖維鋪放技術(shù)是飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件自動化成型的關(guān)鍵制造技術(shù)之一,可分為:自動纖維預(yù)浸帶(絲)鋪放技術(shù)和自動纖維帶鋪放技術(shù)。前者適用于平面型或低曲率的曲面型,或者說準(zhǔn)平面型復(fù)合材料構(gòu)件的鋪層制造;后者綜合了自動纖維纏繞與自動纖維預(yù)浸帶(絲)鋪放技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面型CFT熱塑性纖維預(yù)浸帶(絲)的鋪層與制造。

CFT自動纖維預(yù)浸帶(絲)鋪放技術(shù)可以用于加工的原料通常為連續(xù)玻纖或碳纖維的單向增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸帶(絲)。在自動纖維預(yù)浸帶(絲)鋪放過程中,以碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基預(yù)浸絲或預(yù)浸帶為加工對象,結(jié)合原位固化技術(shù)來生產(chǎn)飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件,是飛機(jī)制造業(yè)一個重要發(fā)展趨勢,據(jù)報(bào)道已應(yīng)用到空客A380和A350中。除熱塑性樹脂具有良好的可焊接性、抗沖擊韌性高、可循環(huán)使用性、抗化學(xué)腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)外,原位固化新技術(shù)與常用的熱壓罐技術(shù)相比,還具有不受加工場地、零件尺寸大小和外觀形狀限制等優(yōu)點(diǎn),據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,原位固化成型技術(shù)加工的纖維預(yù)浸帶(絲)鋪層層間強(qiáng)度為高壓固化成型加工的89-97%。

CFT熱塑性預(yù)浸料的纖維預(yù)浸帶(絲)鋪放技術(shù)是未來構(gòu)件制造發(fā)展的一個重要方向。發(fā)展的主要制約因素:(1)適合碳纖維單向增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸絲帶(絲)的自動生產(chǎn)化的低粘度和超低粘度的樹脂品種少。目前,少量這類CFRT預(yù)浸絲或預(yù)浸帶可通過實(shí)驗(yàn)室制作,但質(zhì)量不穩(wěn)定,不利于纖維預(yù)浸帶(絲)鋪放工藝與鋪層特性研究;(2)自動化的CFT熱塑性纖維預(yù)浸帶(絲)鋪放設(shè)備缺乏。2014年,北京納盛通領(lǐng)先研發(fā)成功國內(nèi)自主開發(fā)的一條碳纖維單向排列增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸帶生產(chǎn)線,并用于制造IT電子、體育運(yùn)動器材等產(chǎn)品。

3D打印制造技術(shù)

據(jù)報(bào)道,2012年美國橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)研發(fā)出高強(qiáng)度CFRT的3D打印技術(shù)。該技術(shù)使用的基體為聚醚酰亞胺(PI)與及其它樹脂材料,特別可以由3D打印CFRT汽車機(jī)械部件。在英國,3D打印的新型導(dǎo)電CFRT部件可以應(yīng)用在IT電子產(chǎn)品中,使產(chǎn)品的制造成本大大降低。

新應(yīng)用及趨勢

FRT(GFRT和CFRT)是當(dāng)前最有發(fā)展前途的高性能汽車輕量化材料之一,相比傳統(tǒng)非可再生的FRP和鋁鎂金屬材料,價格也更具有競爭力,同時又具有復(fù)合材料和制件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與成型制造一體化完成的突出優(yōu)勢,更加節(jié)能與環(huán)保。近期,國際知名市場咨詢調(diào)研公司Lux Research發(fā)布最新報(bào)告指出,從2015年至2025年,碳纖維復(fù)合材料(CFRT和CFRP)將有望成為全球汽車市場的主流使用關(guān)鍵材料,市場價值估算達(dá)到60億美金。

FRT不但是汽車工業(yè)優(yōu)選的輕量化材料,近年來傳統(tǒng)使用FRP的航空工業(yè)也開始高度關(guān)注與研發(fā)CFRT應(yīng)用的可行性。空客公司在A350XW問世之前,投入巨資研發(fā)CFRT和部件制造技術(shù),己經(jīng)有超過1500個不同的飛機(jī)零部件采用CFRT生產(chǎn),如連續(xù)編織物CF/PPS復(fù)合材料艙門;美國隱身戰(zhàn)斗機(jī)上也采用CF/PEEK復(fù)合材料制造非金屬緊固件,起到很好的吸收電磁波,達(dá)到隱身效果。

FRT也己經(jīng)成為建筑行業(yè)的新寵。GFRT建筑模板、下水槽的GFRT蓋板、CFRT建筑柱加固等都得到廣泛應(yīng)用。最近,Fiberlite公司采用連續(xù)玻璃纖維編織布GFRT模壓制造彩色井蓋,獲得普遍歡迎。

連續(xù)纖維增強(qiáng)技術(shù)在汽車FRT應(yīng)用需求巨大,特別是CFRT更加廣泛,巴斯夫(BASF)、塞拉尼斯(Celanese)、RTP、普立萬(Polyone)、沙伯基礎(chǔ)工業(yè)、帝斯曼(DSM)、杜邦(Dupont)、艾曼斯(EMS)、米拉克龍(Milacron)、阿博格(Arburg)、恩格爾、克勞斯瑪菲、Diffenbacher、Vision等國際化工、成型設(shè)備、模具、在線檢測、產(chǎn)品設(shè)計(jì)公司等分別或聯(lián)合推出FRT(GFRT和CFRT)汽車零部件、產(chǎn)品在線檢測工具,并且形成一個完整的從技術(shù)研發(fā)、自動化生產(chǎn)與裝備、在線測試、產(chǎn)品設(shè)計(jì)等系列配套的完整產(chǎn)業(yè)鏈。2012年,寶馬(BMW)公司與西格里(SGL)碳纖維公司的合資公司推出的BMWi3和BMWi8純電動汽車成功采用了大量的碳纖維復(fù)合材料(CFRP和CFRT),用以制造汽車內(nèi)外飾關(guān)鍵承受力零部件,推動了碳纖維復(fù)合材料的在汽車中的應(yīng)用。

2013年德國朗盛公司收購CFT國際領(lǐng)先的Bond Laminates公司,正式進(jìn)入汽車輕量化的復(fù)合材料生產(chǎn);2014年德國拜耳公司收購TCG復(fù)合材料公司,從而進(jìn)入高性能的連續(xù)纖維增強(qiáng)PC熱塑性復(fù)合材料(片材)生產(chǎn),制造具有密度小、超薄化、輕量化的連續(xù)纖維熱塑性預(yù)浸料(CFT);2014年日本東麗碳纖維公司與美國通用汽車公司合作開發(fā)了CFRT汽車部件,正在進(jìn)行投入量產(chǎn)前的最終測試。

2014年9月,全球領(lǐng)先的CFRP制造商-西格里集團(tuán)宣布,為適合新型CFRT的相容性碳纖維專門研究開發(fā)出了一種新的上漿系統(tǒng),并且在蘇格蘭Muir of Ord生產(chǎn)基地正式投產(chǎn),全部產(chǎn)品應(yīng)用在汽車行業(yè)。

FRT己成為國際上熱門的前沿技術(shù)發(fā)展方向。未來發(fā)展趨勢將呈現(xiàn)如下特點(diǎn):1)多專業(yè)、跨行業(yè)、上下游全產(chǎn)業(yè)鏈一體化的聯(lián)合開發(fā)己經(jīng)成為一種有效的、快速的、互惠共利的協(xié)同發(fā)展模式;2)新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備趨向更加成熟與廣泛應(yīng)用;3)FRT材料數(shù)據(jù)庫建立、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)仿真CAE技術(shù)廣泛應(yīng)用;4)輕質(zhì)、高強(qiáng)、環(huán)保、低成本的連續(xù)碳纖維熱塑性復(fù)合材料(CFRT)在新能源電動汽車上將優(yōu)先獲得應(yīng)用。

FRT雖然具有上述種種突出優(yōu)勢,但是在生產(chǎn)和應(yīng)用中仍存在許多問題:(1)纖維編織物(絲、帶、氈)中的纖維各向異性分布與有效控制差,將導(dǎo)致制品不同位置的力學(xué)性能不一致;(2)低粘度、高流動的熱塑性樹脂基體開發(fā)與改性技術(shù)缺少,品種單一,價格偏高;(3)樹脂基體與纖維(GF/CF)的界面粘合強(qiáng)度仍需要進(jìn)一步提高,以及加強(qiáng)界面(相)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制技術(shù);(4)FRT制件與金屬材料(構(gòu)件)的各種連接技術(shù)與綜合疲勞性能評價缺少;(5)低成本、低能耗、高效率、自動化的FRT生產(chǎn)裝備技術(shù)開發(fā)與工程應(yīng)用缺少;(6)沒有建立FRT與制件(如汽車零部件)的行業(yè)(國家)測試標(biāo)準(zhǔn)與評價標(biāo)準(zhǔn)。就中國國內(nèi)而言,FRT企業(yè)的制備技術(shù)水平與歐美國家相比仍然還有較大的差距,缺少專業(yè)人才,協(xié)同研發(fā)創(chuàng)新不足,特別是在制備工藝技術(shù)和生產(chǎn)裝備制造技術(shù)上還需要下大功夫提高與改進(jìn)。