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鉤-環(huán)鎖扣加速了碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維和混雜織物的鋪層,同時提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。 一種新的技術(shù)為三維預(yù)成型件的手工鋪層方式提供了自動化操作的機遇。
今天,用三維織物預(yù)成型件生產(chǎn)從小型到巨型的高性能復(fù)合材料部件已毫無疑問。但對于高產(chǎn)量的行業(yè)而言,如汽車工業(yè),三維預(yù)成型工藝迄今為止一直是非常耗時并因此而非常昂貴的,這使其成為汽車生產(chǎn)中一種嚴格受限的材料/工藝選擇。但隨著一種新技術(shù)的出現(xiàn),一切都發(fā)生了變化,該技術(shù)為耗時的、勞動密集型的三維預(yù)成型件的手工鋪層方式提供了自動化操作的機遇。該技術(shù)曾獲得了2010 JEC創(chuàng)新獎中的材料類別獎項,其商品名為“Han-3D”織物或“Han-3D”復(fù)合材料(正在申請全球?qū)@?。它是發(fā)明家Nathan Nanlin Han博士的智慧結(jié)晶。他是一個合伙創(chuàng)建人(與其他一些經(jīng)驗豐富的擁有博士資歷的專業(yè)人士一起),同時是兩家公司的總經(jīng)理,這兩家公司專注于開發(fā)和生產(chǎn)獨特的三維復(fù)合材料及納米復(fù)合材料:位于美國加利福尼亞州的3D Nanocomposites公司為其位于中國江蘇的姊妹公司——先進纖維材料技術(shù)有限公司開發(fā)用于織物生產(chǎn)的產(chǎn)品。 本文來自123
圖1 一種為層壓復(fù)合材料生產(chǎn)織物層的新方法,采用了像維可牢尼龍搭扣一樣的可在Z軸方向上實現(xiàn)連接的鉤-環(huán)鎖扣,從而將臨近的織物層連接起來
開發(fā)該三維預(yù)成型件的目的是為了克服二維層合結(jié)構(gòu)固有的缺點。Han解釋說,雖然碳纖維或玻璃纖維的拉伸強度能夠超過3000MPa,遠高于鋼的拉伸強度,但用于將纖維層粘接在一起的樹脂基體卻只有大約100MPa的拉伸強度,其拉伸強度只是纖維的1/30。因此,在層疊結(jié)構(gòu)中,如果只是用樹脂將織物層粘接在一起,那么這一較低的層間剝離強度則可能導(dǎo)致分層以及在多種載荷條件下的面外失效,特別是在沖擊疲勞載荷和壓縮疲勞載荷下。盡管可以通過采用增大交聯(lián)密度和其他方式來提高聚合物基體的拉伸強度,但這卻是一種會增加樹脂系統(tǒng)成本的極具挑戰(zhàn)的方法。其他的用于提高Z軸方向上層疊強度的努力則主要集中在機械方法上,如全厚度縫合、三維編織技術(shù)以及Z-pins嵌入。雖然這些方法的確提高了沖擊強度,但三維縫合和編織則要求采用復(fù)雜的機器和工藝,而且所有這3種方法都會降低復(fù)合材料的柔韌性和功效,當然還會增加其成本。 123456
圖2 采用Han-3D織物制作的一個織物預(yù)成型件
Han說,汽車行業(yè)廣泛采納復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的最大障礙是許多技術(shù)不具備量產(chǎn)化的生產(chǎn)效率及其很高的成本。“當為飛機甚至輪船制造部件時,手工鋪層是可行的。但對于汽車生產(chǎn)而言,這種方法在實際應(yīng)用中確實顯得很慢。”他說。
Han用于編織織物的方法克服了這些局限。與Velcro公司的方法相似,Han的織物是采用鉤-環(huán)鎖扣被固結(jié)在一起,鉤在一邊,環(huán)在另一邊。該技術(shù)似乎適用于幾乎任何纖維類型或混雜材料,并可實現(xiàn)快速、方便的組合:當纖維層被堆疊在一起時,鄰近的層便通過鎖扣被鎖定在一起,其作用就像是傳遞層增強的纖維,它改善了Z軸向的機械強度。“利用我們新的鉤-環(huán)織物以及一個機械手鋪層臂,我們能夠在90s內(nèi)生產(chǎn)出一個預(yù)成型件。” Han聲稱:“當結(jié)合使用目前2min即可固化的環(huán)氧樹脂時,采用樹脂傳遞模塑成型工藝(簡稱 “RTM”),可在不到5min的時間內(nèi)生產(chǎn)出一個車身或底盤部件。” copyright 123456
圖3 在采用鉤/環(huán)搭接的“互鎖型”Han-3D玻璃纖維織物(上)以及具有同樣重量的“非互鎖型”平織玻璃纖維織物(下)上所做的低速碰撞測試,兩種織物都是按0°、+45°、-45°、90°、0°、-45°、+45°和0°的順序依次鋪層、并由亨斯邁先進材料公司的Aradur 5003-1環(huán)氧樹脂進行真空灌注的一個8層織物。將試樣放入一個中心孔直徑為50mm的試驗夾具中,采用一個頭部直徑為12.7mm的沖擊桿在試樣的多處擊打數(shù)次(落錘1kg,落差80cm)??梢钥闯?,采用Han-3D織物生產(chǎn)的復(fù)合材料上的凹痕相對較小,中間一排顯示出了僅在試驗夾具的落差由80cm降低到40cm后,平織的試樣上就出現(xiàn)了較小的凹痕印記
據(jù)說,采用這些織物制成的復(fù)合材料已在虛擬原型制作和物理性能測試中被預(yù)測并顯示出了其從改善的力學(xué)性能方面獲得的益處:撕裂強度提高了50%~100%,耐壓強度提高了20%,抗彎強度提高了10%,剪切強度至少提高了15%,而沖擊強度則提高了60%~100%。同時,部件的抗疲勞性、螺孔強度和粘接強度也都有所提高。 123456
當然,還有成本方面的收益。Han以與其他復(fù)雜的增強織物大體相當?shù)膬r格生產(chǎn)和銷售其織物。借助于機械手臂,可將Han的織物從裁切臺上移走并準確地鋪放到模具中。Han說,其所帶來的結(jié)果是,與傳統(tǒng)的層壓復(fù)合材料相比,可降低50%的直接生產(chǎn)成本,另外還可降低30%的間接成本。
圖4 為展示該技術(shù)可能的應(yīng)用之處,先進纖維材料技術(shù)有限公司采用帶有芳綸纖維鉤和環(huán)的Han-3D混雜碳纖維預(yù)成型件,生產(chǎn)出了這一“車頂加柱”結(jié)構(gòu)的小型試樣。預(yù)成型件的鋪層只花費了90s的時間
Han-3D織物的開發(fā)階段目前已經(jīng)結(jié)束,初級的鉤-環(huán)織物可在中國和美國買到。目前正在進行的工作是開發(fā)類似于3M Dual-Lock系統(tǒng)的可替代的蘑菇狀鎖扣,以作為生產(chǎn)預(yù)浸料的一種方法。
作者:Peggy Malnati 123456
文章來源:High-Performance Composites