快速铺层：新的三维预成型技术
By www.carbonfiber.com.cn
钩-环锁扣加速了碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维和混杂织物的铺层，同时提高了复合材料的力学性能。 一种新的技术为三维预成型件的手工铺层方式提供了自动化操作的机遇。
今天，用三维织物预成型件生产从小型到巨型的高性能复合材料部件已毫无疑问。但对于高产量的行业而言，如汽车工业，三维预成型工艺迄今为止一直是非常耗时并因此而非常昂贵的，这使其成为汽车生产中一种严格受限的材料/工艺选择。但随着一种新技术的出现，一切都发生了变化，该技术为耗时的、劳动密集型的三维预成型件的手工铺层方式提供了自动化操作的机遇。该技术曾获得了2010 JEC创新奖中的材料类别奖项，其商品名为“Han-3D”织物或“Han-3D”复合材料（正在申请全球专利）。它是发明家Nathan Nanlin Han博士的智慧结晶。他是一个合伙创建人（与其他一些经验丰富的拥有博士资历的专业人士一起），同时是两家公司的总经理，这两家公司专注于开发和生产独特的三维复合材料及纳米复合材料：位于美国加利福尼亚州的3D Nanocomposites公司为其位于中国江苏的姊妹公司——先进纤维材料技术有限公司开发用于织物生产的产品。
图1 一种为层压复合材料生产织物层的新方法，采用了像维可牢尼龙搭扣一样的可在Z轴方向上实现连接的钩-环锁扣，从而将临近的织物层连接起来
开发该三维预成型件的目的是为了克服二维层合结构固有的缺点。Han解释说，虽然碳纤维或玻璃纤维的拉伸强度能够超过3000MPa，远高于钢的拉伸强度，但用于将纤维层粘接在一起的树脂基体却只有大约100MPa的拉伸强度，其拉伸强度只是纤维的1/30。因此，在层叠结构中，如果只是用树脂将织物层粘接在一起，那么这一较低的层间剥离强度则可能导致分层以及在多种载荷条件下的面外失效，特别是在冲击疲劳载荷和压缩疲劳载荷下。尽管可以通过采用增大交联密度和其他方式来提高聚合物基体的拉伸强度，但这却是一种会增加树脂系统成本的极具挑战的方法。其他的用于提高Z轴方向上层叠强度的努力则主要集中在机械方法上，如全厚度缝合、三维编织技术以及Z-pins嵌入。虽然这些方法的确提高了冲击强度，但三维缝合和编织则要求采用复杂的机器和工艺，而且所有这3种方法都会降低复合材料的柔韧性和功效，当然还会增加其成本。
图2 采用Han-3D织物制作的一个织物预成型件
Han说，汽车行业广泛采纳复合材料结构的最大障碍是许多技术不具备量产化的生产效率及其很高的成本。“当为飞机甚至轮船制造部件时，手工铺层是可行的。但对于汽车生产而言，这种方法在实际应用中确实显得很慢。”他说。
Han用于编织织物的方法克服了这些局限。与Velcro公司的方法相似，Han的织物是采用钩-环锁扣被固结在一起，钩在一边，环在另一边。该技术似乎适用于几乎任何纤维类型或混杂材料，并可实现快速、方便的组合：当纤维层被堆叠在一起时，邻近的层便通过锁扣被锁定在一起，其作用就像是传递层增强的纤维，它改善了Z轴向的机械强度。“利用我们新的钩-环织物以及一个机械手铺层臂，我们能够在90s内生产出一个预成型件。” Han声称：“当结合使用目前2min即可固化的环氧树脂时，采用树脂传递模塑成型工艺（简称 “RTM”），可在不到5min的时间内生产出一个车身或底盘部件。”
图3 在采用钩/环搭接的“互锁型”Han-3D玻璃纤维织物（上）以及具有同样重量的“非互锁型”平织玻璃纤维织物（下）上所做的低速碰撞测试，两种织物都是按0°、+45°、-45°、90°、0°、-45°、+45°和0°的顺序依次铺层、并由亨斯迈先进材料公司的Aradur 5003-1环氧树脂进行真空灌注的一个8层织物。将试样放入一个中心孔直径为50mm的试验夹具中，采用一个头部直径为12.7mm的冲击杆在试样的多处击打数次（落锤1kg，落差80cm）。可以看出，采用Han-3D织物生产的复合材料上的凹痕相对较小，中间一排显示出了仅在试验夹具的落差由80cm降低到40cm后，平织的试样上就出现了较小的凹痕印记
据说，采用这些织物制成的复合材料已在虚拟原型制作和物理性能测试中被预测并显示出了其从改善的力学性能方面获得的益处：撕裂强度提高了50%～100%，耐压强度提高了20%，抗弯强度提高了10%，剪切强度至少提高了15%，而冲击强度则提高了60%～100%。同时，部件的抗疲劳性、螺孔强度和粘接强度也都有所提高。
当然，还有成本方面的收益。Han以与其他复杂的增强织物大体相当的价格生产和销售其织物。借助于机械手臂，可将Han的织物从裁切台上移走并准确地铺放到模具中。Han说，其所带来的结果是，与传统的层压复合材料相比，可降低50%的直接生产成本，另外还可降低30%的间接成本。
图4 为展示该技术可能的应用之处，先进纤维材料技术有限公司采用带有芳纶纤维钩和环的Han-3D混杂碳纤维预成型件，生产出了这一“车顶加柱”结构的小型试样。预成型件的铺层只花费了90s的时间
Han-3D织物的开发阶段目前已经结束，初级的钩-环织物可在中国和美国买到。目前正在进行的工作是开发类似于3M Dual-Lock系统的可替代的蘑菇状锁扣，以作为生产预浸料的一种方法。
作者：Peggy Malnati
文章来源：High-Performance Composites
钩-环锁扣加速了碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维和混杂织物的铺层，同时提高了复合材料的力学性能。 一种新的技术为三维预成型件的手工铺层方式提供了自动化操作的机遇。
今天，用三维织物预成型件生产从小型到巨型的高性能复合材料部件已毫无疑问。但对于高产量的行业而言，如汽车工业，三维预成型工艺迄今为止一直是非常耗时并因此而非常昂贵的，这使其成为汽车生产中一种严格受限的材料/工艺选择。但随着一种新技术的出现，一切都发生了变化，该技术为耗时的、劳动密集型的三维预成型件的手工铺层方式提供了自动化操作的机遇。该技术曾获得了2010 JEC创新奖中的材料类别奖项，其商品名为“Han-3D”织物或“Han-3D”复合材料（正在申请全球专利）。它是发明家Nathan Nanlin Han博士的智慧结晶。他是一个合伙创建人（与其他一些经验丰富的拥有博士资历的专业人士一起），同时是两家公司的总经理，这两家公司专注于开发和生产独特的三维复合材料及纳米复合材料：位于美国加利福尼亚州的3D Nanocomposites公司为其位于中国江苏的姊妹公司——先进纤维材料技术有限公司开发用于织物生产的产品。
图1 一种为层压复合材料生产织物层的新方法，采用了像维可牢尼龙搭扣一样的可在Z轴方向上实现连接的钩-环锁扣，从而将临近的织物层连接起来
开发该三维预成型件的目的是为了克服二维层合结构固有的缺点。Han解释说，虽然碳纤维或玻璃纤维的拉伸强度能够超过3000MPa，远高于钢的拉伸强度，但用于将纤维层粘接在一起的树脂基体却只有大约100MPa的拉伸强度，其拉伸强度只是纤维的1/30。因此，在层叠结构中，如果只是用树脂将织物层粘接在一起，那么这一较低的层间剥离强度则可能导致分层以及在多种载荷条件下的面外失效，特别是在冲击疲劳载荷和压缩疲劳载荷下。尽管可以通过采用增大交联密度和其他方式来提高聚合物基体的拉伸强度，但这却是一种会增加树脂系统成本的极具挑战的方法。其他的用于提高Z轴方向上层叠强度的努力则主要集中在机械方法上，如全厚度缝合、三维编织技术以及Z-pins嵌入。虽然这些方法的确提高了冲击强度，但三维缝合和编织则要求采用复杂的机器和工艺，而且所有这3种方法都会降低复合材料的柔韧性和功效，当然还会增加其成本。
图2 采用Han-3D织物制作的一个织物预成型件
Han说，汽车行业广泛采纳复合材料结构的最大障碍是许多技术不具备量产化的生产效率及其很高的成本。“当为飞机甚至轮船制造部件时，手工铺层是可行的。但对于汽车生产而言，这种方法在实际应用中确实显得很慢。”他说。
Han用于编织织物的方法克服了这些局限。与Velcro公司的方法相似，Han的织物是采用钩-环锁扣被固结在一起，钩在一边，环在另一边。该技术似乎适用于几乎任何纤维类型或混杂材料，并可实现快速、方便的组合：当纤维层被堆叠在一起时，邻近的层便通过锁扣被锁定在一起，其作用就像是传递层增强的纤维，它改善了Z轴向的机械强度。“利用我们新的钩-环织物以及一个机械手铺层臂，我们能够在90s内生产出一个预成型件。” Han声称：“当结合使用目前2min即可固化的环氧树脂时，采用树脂传递模塑成型工艺（简称 “RTM”），可在不到5min的时间内生产出一个车身或底盘部件。”
图3 在采用钩/环搭接的“互锁型”Han-3D玻璃纤维织物（上）以及具有同样重量的“非互锁型”平织玻璃纤维织物（下）上所做的低速碰撞测试，两种织物都是按0°、+45°、-45°、90°、0°、-45°、+45°和0°的顺序依次铺层、并由亨斯迈先进材料公司的Aradur 5003-1环氧树脂进行真空灌注的一个8层织物。将试样放入一个中心孔直径为50mm的试验夹具中，采用一个头部直径为12.7mm的冲击杆在试样的多处击打数次（落锤1kg，落差80cm）。可以看出，采用Han-3D织物生产的复合材料上的凹痕相对较小，中间一排显示出了仅在试验夹具的落差由80cm降低到40cm后，平织的试样上就出现了较小的凹痕印记
据说，采用这些织物制成的复合材料已在虚拟原型制作和物理性能测试中被预测并显示出了其从改善的力学性能方面获得的益处：撕裂强度提高了50%～100%，耐压强度提高了20%，抗弯强度提高了10%，剪切强度至少提高了15%，而冲击强度则提高了60%～100%。同时，部件的抗疲劳性、螺孔强度和粘接强度也都有所提高。
当然，还有成本方面的收益。Han以与其他复杂的增强织物大体相当的价格生产和销售其织物。借助于机械手臂，可将Han的织物从裁切台上移走并准确地铺放到模具中。Han说，其所带来的结果是，与传统的层压复合材料相比，可降低50%的直接生产成本，另外还可降低30%的间接成本。
图4 为展示该技术可能的应用之处，先进纤维材料技术有限公司采用带有芳纶纤维钩和环的Han-3D混杂碳纤维预成型件，生产出了这一“车顶加柱”结构的小型试样。预成型件的铺层只花费了90s的时间
Han-3D织物的开发阶段目前已经结束，初级的钩-环织物可在中国和美国买到。目前正在进行的工作是开发类似于3M Dual-Lock系统的可替代的蘑菇状锁扣，以作为生产预浸料的一种方法。
作者：Peggy Malnati
文章来源：High-Performance Composites
