美國研發新型連續纖維增強熱塑性複合材料製造工藝

近日，美國先進複合材料製造創新機構（IACMI）宣布，由杜邦公司牽頭、Fibrtec公司和普渡大學共同參與的項目完成第一階段研究，開發出一種新型連續纖維增強熱塑性複合材料生產工藝，織物的適型性（formability）與傳統織物相比顯著提高。這對第二階段的研究意義重大，能夠有效降低碳纖維複合材料結構的生產成本，使其更適合汽車、航空航天等大批量生產領域。

該項目的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凈成形工藝（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。這種新工藝突破的關鍵點主要包括三個方面：一是採用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/聚醯胺複合材料絲束，即碳纖維未被聚醯胺完全潤濕，從而獲得比完全浸漬聚醯胺更加柔軟的絲束材料；二是採用杜邦公司的快速織物成型（RFF）技術和杜邦專有的聚醯胺樹脂，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；三是得到普渡大學在建模和表徵方面的支持，相關實驗、建模和模擬結果表明，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。

項目第二階段將進一步開發先進碳纖維複合材料，更加全面地研究這些新型碳纖維熱塑性預浸料的形式，並對這些材料是否適合用於大批量生產進行驗證，包括降低製造成本，提高設計自由度以滿足特殊的性能要求等。此外，作為IACMI最早實施的項目之一，該項目也是通過公私協作加速創新的典範。（北方科技信息研究所 胡曉睿）

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