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原創 | 解密日本東麗碳纖維樹脂含浸片材

放大字體  縮小字體 發布日期:2019-04-11  來源:蘇格拉偉  作者:中國碳谷網  瀏覽次數:549
核心提示:文中說東麗開發出了力學特性和成形性都很優秀的的碳纖維樹脂含浸片材(UACS,UnidirectionallyArrayedChoppedStrands)。其力學性能
 文中說東麗開發出了力學特性和成形性都很優秀的的碳纖維樹脂含浸片材(UACS,Unidirectionally Arrayed Chopped Strands)。其力學性能是UD預浸材(碳纖維單向排列、最小限度含浸樹脂制成的材料)的約8-9成。而且可成型出使用UD預浸材時很難實現的三維復雜形狀。

這段話很好理解,就是東麗最近開發出一種碳纖維預浸片材,這種片材不但力學性能非常好,而且成形性也非常優秀。那么怎么樣力學性能才會好?怎么樣成形性才會好?兩者怎么樣才能達到統一呢?東麗公司做的是一種什么創新呢?我們來慢慢分析。

先說力學性能

力學性能很好理解,通常對碳纖維來說是拉伸強度。樹脂包裹在碳纖維的表面,當有外部力作用在復合材料上的時候,樹脂將力傳遞給碳纖維,所以要想拉斷復合材料,必須將復合材料里面的碳纖維拉斷。常見的復合材料例子就有鋼筋混凝土,鋼筋作為增強材料,跟碳纖維一樣起到承載外部力的作用,水泥作為基體材料,跟樹脂一樣起到傳遞力的作用。比如我們要想推倒一面墻,我們首先用手推的是水泥墻體,水泥將我們的力傳遞給鋼筋。所以我們要想推倒這面墻,必須將里面的鋼筋拉斷。

要想獲得力學性能比較好的復合材料,首先樹脂力學性能要好,如果我們用碳纖維增強豆腐,你覺得強度會高嗎?這一點跟樹脂的種類有很大關系,今天我們不深入了解。其次是纖維強度要高,這個跟碳纖維性能有關,也不是今天我們討論的重點。最后就是纖維和樹脂結合的界面和纖維狀態。樹脂和碳纖維接觸的時候,會形成一些化學鍵,讓樹脂和碳纖維結合更牢固。所以要想結合的更牢固,就要讓樹脂和碳纖維接觸的面積更大才有可能形成更多的化學鍵。所以長纖維要比短切纖維有優勢。另外復合材料斷裂的時候,裂紋有可能繞過短纖維擴展。所以要想獲得最好的力學性能,長纖維一定是優先選擇。

另外纖維單向排列的狀態可以將碳纖維最優異的力學性能體現出來。碳纖維排布方向都在一個方向上,而且都是伸展狀態,纖維對外部載荷的響應非?。而呈編織狀態的碳纖維上下起伏使得碳纖維產生屈曲,外部載荷加載上來,纖維有一個伸直的過程才能承載載荷。所以,在復合材料結構設計中,UD預浸布是復合材料層合設計的基本單元。

我們都知道預浸料通常利用模具來塑造形狀,對于結構簡單或者曲面平滑的部件,UD預浸布可以發揮最大的作用。但是對于結構比較復雜,有其是包含肋板或者銳角等棱角部分的時候,纖維就會延伸或擴展,導致纖維排布不追隨模具形狀,出現褶皺,造成空隙及富樹脂區問題。這些空隙和富樹脂區沒有足夠的碳纖維增強,使得該部位力學性能遠遠低于預期水平。所以說長纖維雖然力學性能優越,但是成形性比較差。

再來看成形性

通常情況下,長纖維預浸材在形狀復雜模具的棱角等地方不能更好的貼合模具,是因為長纖維某一部分的移動受到了其他部分的限制。所以人們用短切纖維預浸材來代替長纖維。因為短纖維隨樹脂流動性比較好,可以更好的追隨模具的形狀,即使在棱角部分也可以起到增強作用。

但是短纖維有短纖維的缺點,那就是不如長纖維力學性能好。一方面是因為纖維和樹脂接觸面積小,有可能造成碳纖維從樹脂中抽出來。另一方面,復合材料斷裂的時候,裂紋有可能繞過纖維擴展。為了幫助大家理解,我畫了一個示意圖,如圖所示。

同時由于短纖維預浸材內的碳纖維排布屬于無規排列,所以短切纖維不如長纖維,尤其是單向纖維預浸材那樣可以很好的優化設計某一方向的力學性能。也就是說長纖維可以根據需要,在需要的地方進行纖維排布方向的優化。

東麗公司做了什么創新?

我們剛才說了,長纖維力學性能比較好,可以根據需求優化設計排布,但是在模具棱角部分容易造成褶皺和空隙,產生缺陷,影響復合材料力學性能,成形性比較差。而短纖維隨樹脂流動性比較好,但是力學性能不如長纖維,纖維排布方向雜亂,無法優化纖維排布方向。

那么問題來了!

既然都有優點,那么能不能將二者優點結合起來?

答案是可以!這就是東麗公司所做的工作。將短切纖維容易成形性和長纖維可以優化排布方向的優點結合起來。這就是東麗公司最近開發的碳纖維樹脂含浸片材。

東麗公司將長纖維預浸材,按照一定的間隔距離做了一些切口,將長纖維切短。如下圖所示:

這樣纖維方向可以優化排布了,在復雜的棱角和邊緣,纖維也可以隨樹脂流動,具有優異的成形性,結合了兩者的優點。同時還可以根據所制造部件的要求,調整切口長度、切口與纖維排布方向角度、切口間距和上下層切口參數配合,從而達到優化設計的目的。

說到這里,各位可能再回去看那篇新聞,就能很好的明白其中的意思了。

東麗介紹稱,使用這種UACS,可以用平板成型出帶棱角的板。利用UD預浸材制作這種形狀時,在棱角部分不能很好地實現纖維層疊結構,而采用UACS的話,則可以很好地實現纖維層疊結構。另外,使用平板還可以成型出三叉狀棱角和深沖壓形狀。

關于在汽車零部件上的應用,東麗表示“這種UACS的力學特性強,因此可以應用于地板等骨架部件。此外還可以應用于車門飾板、后備箱蓋的內板及天窗等”。另外,東麗還擁有沖壓成形周期僅3分鐘左右的快速固化預浸材技術。以這種預浸材為基礎,可以實現能以相同周期成型的UACS。東麗未公布UACS的成本,只介紹稱“只是在預浸材制造工序中增加切口工序,因此成本不會增加很多”。

東麗的目標是2~3年后使UACS投入實用。今后將確立能連續穩定形成想要的切口圖案的量產技術。

 
 
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