美國先進復合材料制造創新研究所(簡稱“IACMI”)與田納西大學和美國能源部驅動的一個聯盟，共同宣布了由杜邦領導、協同Fibrtec公司和普渡大學共同完成的一個項目的第一階段的成果。該項目致力于提高美國復合材料行業在國內的產能以及就業能力。

 

       作為第一階段的成果，對創建的一種新型碳纖維復合材料制造工藝進行了驗證，相比傳統的編織材料，該工藝令織物的成形性能得到了改善。第一階段的成果正推動著項目進入第二階段的研究，最終會降低碳纖維復合材料結構的成本，使它們更適合在汽車及其他高產量的行業中應用，從而降低隱含能耗(指產品加工、制造和運輸等全過程中消耗的總能源)，并在行業中直接創造就業機會。

 

       通過IACMI項目創建的這種新材料，綜合采用了Fibrtec公司的柔性涂布絲束FibrflexTM和杜邦的織物快速成形(Rapid Fabric Formation，簡稱“RFF”)技術，以及杜邦專有的一種聚酰胺樹脂。

 

       所有這些，都得到了普渡大學提供的廣泛的建模和表征能力的支持。

 

       這種涂布的絲束材料是一種部分浸漬的碳纖維/聚酰胺復合材料絲束，由于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。

 

      RFF工藝是一種采用絲束制造織物的超快速方法，在加工過程中可采用不同的取向而不需要抬起絲束。

 

       試驗、建模和仿真，所有這些均表明了這項工藝/材料的組合是生產較低成本連續纖維增強聚合物(CFRP)熱塑性材料的一種極有潛力的方法，這種材料以出色的物理性能很好地適應了成型過程的要求。

 

       “Fibrtec公司全球差異化的熱塑性復合材料，為我們與杜邦和普渡大學合作，在IACMI項目第一階段取得突破性的成果作出了貢獻。通過推進像Fibrtec一樣的中小企業(SMEs)實現組織創新，以及在IACMI構架中打造公共/私人合作伙伴關系，加速了結構復合材料向汽車行業的滲透。對于像Fibrtec一樣的公司而言，這為獲得通常不可獲得的世界級資源提供了一個絕好的機會。我們期待著繼續開展第二階段的聯合開發。”Fibrtec公司的首席執行官Robert Davies表示。

 

       該項目的目標是，通過采用近凈形狀的加工工藝，比如，對相對比較便宜的碳纖維/聚合物預浸絲束進行自動化的纖維鋪放(AFP)，來降低碳纖維增強聚合物復合材料的制造成本。

 

       涂布的絲束易于處理，而且由此獲得的假性織物在成型過程中可以毫不費力地懸垂覆蓋而無需剪切鎖定。

 

       該項目的合作伙伴們證明了憑借這一戰略，這項工藝能夠只在需要之處使用昂貴的碳纖維，從而可將碳纖維廢料減少30%，并在成型前的壓制過程中，創建變形可預測的纖維預成型件。

 

      項目第一階段帶來的結果比預期更好，采用這種加工方案，隱含能耗降低了40%以上。

 

       “這個項目解決了復合材料制造以及復合材料在高產量的市場中實現商業化應用所面臨的一些最具挑戰性的問題。第一階段的完成，預示著在證明其結果所帶來的重大影響方面向前邁出了一步，即能夠以較高的設計自由度制造低成本的部件，以此獲得挑戰性應用所要求的性能。這是由IACMI最早推出的項目之一，它是協作以及合作加速創新的一個很好的例子。我們期待著項目的第二階段繼續取得新的進展。”杜邦運輸與先進聚合物項目經理Jan Sawgle表示。

 

       “普渡大學、Fibrtec和杜邦在此項目上的合作，證明了公-私合作伙伴在培育創新能力、為解決現實問題提供新的解決方案方面的能力。在此項目中，我們專注于開展‘制造的可獲知性能(informed performance)’方面是研究,這對于復合材料部件和結構的設計至關重要。”普渡大學復合材料制造與仿真中心復合材料設計工作室主任Michael Bogdanor說，“該項目第一階段，對于開發新的仿真工具以便能夠預測RFF和FibrFlex技術的行為具有指導意義，這為預測材料系統在制造中的行為以及部件的最終性能提供了新的方法。”

 

       “我們對第一階段取得的成果非常滿意，期待著這些先進碳纖維復合材料的持續發展。”IACMI的首席執行官John A. Hopkins表示，“通過該項目第二階段的研究，我們將更全面地描述這些新型碳纖維熱塑性預浸料的形式，驗證它們在適合高產量低成本生產的成型工藝中的應用。這將證明它們適合大批量的應用，特別是在汽車行業中。”

 

       與其他兩種典型的工藝相比，該項目提供了一種新的CFRP制造方法。這兩種典型的工藝有著顯著的缺陷，從而限制了它們在汽車和航空工業中得到主流的高產量應用。當前采用的一種主流技術是，將干的碳纖維絲束編織成織物，用熱塑性樹脂膜對織物進行分層，隨后加熱，并將它們壓制成固結良好的復合材料。雖然這種方法最終有效地制成了碳纖維織物，但這項工藝卻有幾個缺點，其中的一個缺點是，碳纖維在織造過程中經常斷裂，從而將短的、導電的碳纖維絞線釋放到局部環境中。因此，要求周圍的織機和設備必須是電絕緣的。另一個缺點是，其速度相對緩慢，這與這項傳統工藝有關。用這種編織方法制造碳纖維復合材料，其速度大約只有制造玻璃纖維織物所需速度的1/3。第二個典型技術是，采用熱塑性樹脂對碳纖維絲束進行浸漬并使之扁平化，以制成一種低空隙的完全固結的復合材料帶材。接著，對這些帶材進行編織，或者對它們進行鋪放和固定以形成織物，隨后快速地固結成最終的復合材料部件。

 

       采用這項工藝的一個主要問題是對UD帶的處理，因為它們堅硬易碎，因此在室溫下將其彎曲至很小的半徑時可能會斷裂。這種剛性屬性，使得由帶材成形為織物是一個緩慢而昂貴的過程。

 

       作為由杜邦領導的第一階段的結果，Fibrtec證實了這項進展可以在碳纖維復合材料的生產領域中獲得，同時還揭示了碳纖維復合材料在汽車和航空工業中應用的新機遇，因為碳纖維復合材料的生產變得更容易、更安全，從而令其更具經濟性，而且在大批量的生產中是可行的。