熱塑性復合材料加工技術現狀、應用及發(fā)展趨勢

2016-12-12 by:CAE仿真在線來源:互聯網

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

樹脂基復合材料主要分為兩種類型:熱固性復合材料(FRP)和熱塑性復合材料(FRT),其中,FRT具有密度低、強度高、抗沖擊好、抗疲勞好、可回收、加工成型快、造價低等突出特點,屬于高性能、低成本、綠色環(huán)保的新型復合材料,已廣泛應用在電子、電器、飛機、汽車、火車、能源、船舶、醫(yī)療器械、體育運動器材、建筑、軍工等工業(yè)產品,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,相關新材料、新技術、新設備不斷涌現。

基本種類

根據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)纖維增強熱塑性復合材料(N-CFT),包括短切纖維增強工程塑料(SFT,最大纖維保留尺寸0.2-0.6mm);(2)長纖維增強熱塑性復合材料(LFT-G,LFT-D,最大纖維保留尺寸5-20mm);(3)連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料(CFT,最大纖維保留尺寸>20mm)。

采用傳統成型工藝“注塑及模壓”可以實現N-CFT非結構件或半結構部件的制造(如汽車部件),盡管與CFT相比,機械力學性能相差較大,但是能夠滿足一般民用工業(yè)產品的性價比使用要求,因此市場容量巨大,發(fā)展速度快,制造技術與應用相對成熟。

LFT碳纖維復合材料發(fā)展較快,美國RTP、美國泰科納(Ticona)、日本川畸(Kawasaki)、沙伯基礎工業(yè)(Sabic)等國外公司己實現LFT碳纖維復合材料工業(yè)化生產,并應用在需求高強度、輕量化的汽車非結構零部件,用以替代部分鋁合金材料零部件,同時還具有導電、導熱、耐磨、電磁屏蔽等特殊功能,已成為國內外改性塑料公司爭先開發(fā)的新領域。2012年北京納盛通公司(NST)采用自主創(chuàng)新的專利技術實現LFT碳纖維復合材料(粒材)產業(yè)化生產,并應用在風電葉片、LED顯示模塊支架、電動汽車輪轂等產品中。

CFT是一種具有更高性能的輕量化新材料,也是近年來技術發(fā)展最快的復合材料之一,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)纖維增強熱塑性復合材料預浸帶),如美國歐文斯科寧(OCV)公司開發(fā)的連續(xù)單絲玻纖增強熱塑性浸漬PP帶。2)玻璃纖維氈增強熱塑性復合材料(GMT)。天津工業(yè)大學董衛(wèi)國發(fā)明了更輕質的針刺玻纖氈增強PP熱塑性復合材料(S-GMT);3)連續(xù)纖維編織布增強熱塑性復合材料(2D-CFT),包括前浸漬和后浸漬、原應聚合浸漬、混合纖維紗浸漬等各種先進浸漬工藝技術與復合制備方法,提高了兩相界面結合強度與力學性能;4)多角度、多相復合結構的連續(xù)纖維編織布增強熱塑性復合材料(3D-CFT),包括編織物(帶、布、氈)結構、三明治夾層實心結構與三明治夾心發(fā)泡結構、Z型多層立柱結構等新型CFT復合材料結構設計,以及熱塑性樹脂基體的“原位”和“離位”增強增韌、結構/功能一體化的設計與全自動化智能制造技術發(fā)展,從而提高高性能連續(xù)碳纖維增強熱塑性復合材料(CFRT)的綜合性能。

新加工技術

注射浸漬成型技術

根據不同CFT的特性,熔融、預浸、成型等成型階段對設備和加工工藝都有特定的技術要求。熱塑性樹脂基體粘度高、浸潤纖維難,因此熱塑性預浸料制備是CFT與相關產品制備技術的關鍵技術與難點。

2013年,注塑機制造商恩格爾(Engel)成功研發(fā)原位聚合反應的注射浸漬成型技術(In situ T-RTM),使用注塑工藝技術將單體原位聚合與連續(xù)纖維的熱熔浸漬過程同步完成,實現自動化、可控化、高效率的熔融浸漬過程與復合成型過程一體化,減少工藝流程、提高產品性能。原理是將低粘度系數的單體?-己內酰胺(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生成PA6,隨后注塑進入模具中成為產品或制件,成型時間為60-120秒。因類似熱固性復合材料(FRP)成型過程的RTM工藝技術原理,故又稱為熱塑性聚合物樹脂成型的RTM工藝技術(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(GIT)

2014年3月德國C.Hopmann教授發(fā)明的反應注射加壓間隙浸漬成型技術(GIT)獲得德國國家塑料工業(yè)大獎。這種工藝技術具有通用性好,適合熱固性/熱塑性樹脂基體復合體系,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,設備投資成本低,易于制件實現大批量自動化生產,生產效率高,較適用于制造光滑曲面要求,又是非復雜3D結構的汽車結構零部件。

GIT技術也可適用于熱固性樹脂HP-RTM工藝,在真空模腔內可調節(jié)較高的模壓壓力和成型溫度,以及經過兩個注射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。2012年德國大眾汽車公司用GIT技術生產制造轎車CFRP引擎蓋。

連續(xù)運行雙帶滾輪等靜壓技術(DBP)

連續(xù)運行雙帶滾輪等靜壓技術(DBP)可實現高速的熱塑性預浸帶和半成品片材的加工成型。DBP恒溫壓力機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)進行熱熔融復合,并施以均勻的等靜壓力,同時加熱塑化、冷卻,在各個點上的抗拉伸和扭曲強度等可保持基本一致,可滿足不同CFT熱塑性片材生產。DBP技術優(yōu)勢:1)高溫、高壓和高速運行—體化完成;2)根據CFT所需溫度變化,分別對上部和底部的每一個單獨區(qū)域進行溫度變化自動實時的精確控制;3)加壓區(qū)在維持等靜壓力的同時分別進行加熱和冷卻過程處理,消除內應力。

熱塑性預浸料(片材)的深加工技術

CFT熱塑性預浸料(片材)常見成型方法:注塑成型,工藝簡單,批量生產;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、高溫下用于低應變率制件的制備方法,可以形成高密度和緊密實的CFT;真空加熱成型,需要用CFT熱塑性預浸料片材經過真空加熱模具、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發(fā)展的一種新技術,可提高CFT量產能力和產品質量,CFT熱塑性預浸料固定在一個凹陷的內模,并放置在紅外加熱室,聚合物背襯料固定在預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制作直升飛機CFRT外殼,還有GFRT熱塑性預浸帶(絲)纏繞成型和熱擠出板材等工藝技術制造輸送管道與建筑板材。

纖維預浸帶(絲)的全自動化鋪放技術

自動纖維鋪放技術是飛機復合材料構件自動化成型的關鍵制造技術之一,可分為:自動纖維預浸帶(絲)鋪放技術和自動纖維帶鋪放技術。前者適用于平面型或低曲率的曲面型,或者說準平面型復合材料構件的鋪層制造;后者綜合了自動纖維纏繞與自動纖維預浸帶(絲)鋪放技術的優(yōu)點,可以實現復雜曲面型CFT熱塑性纖維預浸帶(絲)的鋪層與制造。

CFT自動纖維預浸帶(絲)鋪放技術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熱塑性復合材料預浸帶(絲)。在自動纖維預浸帶(絲)鋪放過程中,以碳纖維增強熱塑性樹脂基預浸絲或預浸帶為加工對象,結合原位固化技術來生產飛機復合材料構件,是飛機制造業(yè)一個重要發(fā)展趨勢,據報道已應用到空客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、抗化學腐蝕性等優(yōu)點外,原位固化新技術與常用的熱壓罐技術相比,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,據文獻報道,原位固化成型技術加工的纖維預浸帶(絲)鋪層層間強度為高壓固化成型加工的89-97%。

CFT熱塑性預浸料的纖維預浸帶(絲)鋪放技術是未來構件制造發(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熱塑性復合材料預浸絲帶(絲)的自動生產化的低粘度和超低粘度的樹脂品種少。目前,少量這類CFRT預浸絲或預浸帶可通過實驗室制作,但質量不穩(wěn)定,不利于纖維預浸帶(絲)鋪放工藝與鋪層特性研究;(2)自動化的CFT熱塑性纖維預浸帶(絲)鋪放設備缺乏。2014年,北京納盛通領先研發(fā)成功國內自主開發(fā)的一條碳纖維單向排列增強熱塑性復合材料預浸帶生產線,并用于制造IT電子、體育運動器材等產品。

3D打印制造技術

據報道,2012年美國橡樹嶺實驗室已經研發(fā)出高強度CFRT的3D打印技術。該技術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汽車機械部件。在英國,3D打印的新型導電CFRT部件可以應用在IT電子產品中,使產品的制造成本大大降低。

新應用及趨勢

FRT(GFRT和CFRT)是當前最有發(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,同時又具有復合材料和制件的結構設計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研公司Lux Research發(fā)布最新報告指出,從2015年至2025年,碳纖維復合材料(CFRT和CFRP)將有望成為全球汽車市場的主流使用關鍵材料,市場價值估算達到60億美金。

FRT不但是汽車工業(yè)優(yōu)選的輕量化材料,近年來傳統使用FRP的航空工業(yè)也開始高度關注與研發(fā)CFRT應用的可行性?？湛凸驹贏350XW問世之前,投入巨資研發(fā)CFRT和部件制造技術,己經有超過1500個不同的飛機零部件采用CFRT生產,如連續(xù)編織物CF/PPS復合材料艙門;美國隱身戰(zhàn)斗機上也采用CF/PEEK復合材料制造非金屬緊固件,起到很好的吸收電磁波,達到隱身效果。

FRT也己經成為建筑行業(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)纖維增強技術在汽車FRT應用需求巨大,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、成型設備、模具、在線檢測、產品設計公司等分別或聯合推出FRT(GFRT和CFRT)汽車零部件、產品在線檢測工具,并且形成一個完整的從技術研發(fā)、自動化生產與裝備、在線測試、產品設計等系列配套的完整產業(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合材料(CFRP和CFRT),用以制造汽車內外飾關鍵承受力零部件,推動了碳纖維復合材料的在汽車中的應用。

2013年德國朗盛公司收購CFT國際領先的Bond Laminates公司,正式進入汽車輕量化的復合材料生產;2014年德國拜耳公司收購TCG復合材料公司,從而進入高性能的連續(xù)纖維增強PC熱塑性復合材料(片材)生產,制造具有密度小、超薄化、輕量化的連續(xù)纖維熱塑性預浸料(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,正在進行投入量產前的最終測試。

2014年9月,全球領先的CFRP制造商-西格里集團宣布,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,并且在蘇格蘭Muir of Ord生產基地正式投產,全部產品應用在汽車行業(yè)。

FRT己成為國際上熱門的前沿技術發(fā)展方向。未來發(fā)展趨勢將呈現如下特點:1)多專業(yè)、跨行業(yè)、上下游全產業(yè)鏈一體化的聯合開發(fā)己經成為一種有效的、快速的、互惠共利的協同發(fā)展模式;2)新技術、新工藝、新設備趨向更加成熟與廣泛應用;3)FRT材料數據庫建立、產品結構設計與計算機仿真CAE技術廣泛應用;4)輕質、高強、環(huán)保、低成本的連續(xù)碳纖維熱塑性復合材料(CFRT)在新能源電動汽車上將優(yōu)先獲得應用。

FRT雖然具有上述種種突出優(yōu)勢,但是在生產和應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,將導致制品不同位置的力學性能不一致;(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)的界面粘合強度仍需要進一步提高,以及加強界面(相)結構設計與控制技術;(4)FRT制件與金屬材料(構件)的各種連接技術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生產裝備技術開發(fā)與工程應用缺少;(6)沒有建立FRT與制件(如汽車零部件)的行業(yè)(國家)測試標準與評價標準。就中國國內而言,FRT企業(yè)的制備技術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,協同研發(fā)創(chuàng)新不足,特別是在制備工藝技術和生產裝備制造技術上還需要下大功夫提高與改進。