快速鋪層：新的三維預(yù)成型技術(shù)

蘇平永

摘 要：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(shí)提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能，這項(xiàng)技術(shù)是目前國際上最新復(fù)合材料三維織物生產(chǎn)并實(shí)現(xiàn)快速鋪層最先進(jìn)的工藝技術(shù)，用此種工藝生產(chǎn)的零件，不但可以提高復(fù)合材料零件各方面的強(qiáng)度，更主要的是可以降低直接與間接生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：3D預(yù)成型；“Han-3D”織物或“Han-3D”復(fù)合材料；鉤-環(huán)鎖；樹脂傳遞模塑成型工藝（RTM）；鋪層順序（0°、+45°、-45°、90°、0°、-45°、+45°、0°）；互鎖型；非互鎖型

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

此項(xiàng)研究可以解決復(fù)合材料傳統(tǒng)鋪層低效率而繁瑣的工作，用這些3D織物制成的復(fù)合材料零件在模擬測(cè)試中力學(xué)性改善了很多，撕裂強(qiáng)度增加了50%～100%，耐壓強(qiáng)度增加了20%，抗彎強(qiáng)度增加了10%，剪切強(qiáng)度增加了15%以上，而沖擊強(qiáng)度增加了60%～100%，另外，零件的抗疲勞性、螺孔強(qiáng)度和粘接強(qiáng)度也都有所增加，其所帶來的結(jié)果是，與一往的層壓復(fù)合材料比較，能減少50%左右的直接生產(chǎn)成本，而且還能減少30%左右間接成本。這項(xiàng)技術(shù)是2010年才取得研制成功，之前沒有相關(guān)的技術(shù)，誰先了解并掌握這門技術(shù)，誰就可以在復(fù)合材料零件生產(chǎn)中先嘗到甜頭，先取得經(jīng)濟(jì)效益，使生產(chǎn)加速。

一、3D織物預(yù)成型件

（一）3D預(yù)成型在汽車企業(yè)的瓶頸與“Han-3D”織物或“Han-3D”復(fù)合材料誕生

對(duì)于量大的汽車行業(yè)來說，3D預(yù)成型工藝至今一直是非常耗時(shí)并因此而非常昂貴的，這使其成為汽車生產(chǎn)中一種嚴(yán)格受限的材料/工藝選擇。但隨著新技術(shù)的出現(xiàn)，一切都發(fā)生了變化，該技術(shù)為耗時(shí)的、勞動(dòng)密集型的3D預(yù)成型件的手工鋪層方式提供了自動(dòng)化操作的機(jī)遇。該技術(shù)曾獲得了2010 JEC創(chuàng)新獎(jiǎng)中的材料類別獎(jiǎng)項(xiàng)，它就是“Han-3D”織物或“Han-3D”復(fù)合材料（正在申請(qǐng)全球?qū)＠Ｋ前l(fā)明家Nathan Nanlin Han博士的智慧結(jié)晶。他是一個(gè)合伙創(chuàng)建人（與其他一些經(jīng)驗(yàn)豐富的擁有博士資歷的專業(yè)人士一起），同時(shí)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(dú)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(jìn)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。

圖1是一種為層壓復(fù)合材料生產(chǎn)織物層的新方法，采用了像維克羅（維克羅，是做衣服上用的粘貼連接帶，分公母兩面，一面是細(xì)小柔軟的纖維另一面是較硬的尼龍鉤）尼龍搭扣一樣的可在Z軸方向上實(shí)現(xiàn)連接的鉤-環(huán)鎖扣，從而將臨近的織物層連接起來。

（二）開發(fā)3D織物預(yù)成型件目的

1 傳統(tǒng)織物層疊拉伸強(qiáng)度問題

開發(fā)3D織物預(yù)成型件目的是為了改進(jìn)二維層合結(jié)構(gòu)原有的問題。Han解釋說，雖然碳纖維或玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度能夠超過3000MPa，遠(yuǎn)高于鋼的拉伸強(qiáng)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(qiáng)度（層疊拉伸強(qiáng)度），其拉伸強(qiáng)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(qiáng)度就可能導(dǎo)致分層以及在多種載荷條件下會(huì)發(fā)生面外失效，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(qiáng)度，但這卻是一種會(huì)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(qiáng)度的努力則主要集中在機(jī)械方法上，如全厚度縫合、3D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(qiáng)度，但三維縫合和編織則要求采用復(fù)雜的機(jī)器和工藝，而且所有這3種方法都會(huì)降低復(fù)合材料的柔韌性和功效，而且還會(huì)增加成本。

圖2是采用Han-3D織物制作的一個(gè)織物預(yù)成型件（圖片來自先進(jìn)纖維材料技術(shù)有限公司）。

2 傳統(tǒng)復(fù)合材料缺點(diǎn)

汽車行業(yè)傳統(tǒng)復(fù)合材料目前不具備量產(chǎn)化的生產(chǎn)，另外成本還很高，當(dāng)用在飛機(jī)與輪船時(shí)，用手工鋪層還可以，因?yàn)榱可伲珜?duì)于汽車生產(chǎn)量大的行業(yè)來說，這種傳統(tǒng)鋪層方法太慢，沒法實(shí)現(xiàn)。

3 Han-3D織物優(yōu)點(diǎn)

Han用編織織物的方法來克服了這些局限。與Velcro（維克羅）公司的方法相似，Han在鋪層上就是用鉤-環(huán)鎖扣這種方法把層與層搭接到了一塊，它可以改善Z方向的機(jī)械強(qiáng)度，用這種織物并使用一個(gè)機(jī)械手臂鋪層，鋪層一件只要90s的時(shí)間，另外使用目前只有2min就可以固化的環(huán)氧樹脂，用RTM成型一個(gè)汽車零件，大概也只要5min的時(shí)間。

（三）落錘試驗(yàn)

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”平織玻璃纖維織物上所做的低速碰撞測(cè)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HUNTSMAN（亨斯邁）先進(jìn)材料公司的Aradur 5003-1環(huán)氧樹脂進(jìn)行真空灌注的一個(gè)8層的平板樣板。將試樣放入一個(gè)中心孔直徑為50mm的試驗(yàn)夾具中，采用一個(gè)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）。結(jié)果，采用Han-3D織物生產(chǎn)的復(fù)合材料上的凹痕相對(duì)較小，而平織生產(chǎn)的復(fù)合材料平板上僅在試驗(yàn)夾具的落差由80cm降低到40cm后，就出現(xiàn)了比采用Han-3D還大的凹痕印記。

（四）生產(chǎn)成本與間接成本

當(dāng)然，還有成本方面的收益。Han以與其他復(fù)雜的增強(qiáng)織物大體相當(dāng)?shù)膬r(jià)格生產(chǎn)和銷售其織物。借助于機(jī)械手臂，可將搭接后的鋪層準(zhǔn)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，直接生產(chǎn)成本可降低50%，間接成本還可降低30%。

圖4先進(jìn)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“車頂加柱”結(jié)構(gòu)的小型試樣，其中預(yù)成型件鋪層只花費(fèi)了90s左右的時(shí)間。

（五）Han-3D織物的應(yīng)用與最新發(fā)展

Han-3D織物的開發(fā)階段目前已經(jīng)結(jié)束，初級(jí)的鉤-環(huán)織物可在中國和美國買到。目前正在進(jìn)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。該公司聲稱，這兩項(xiàng)技術(shù)都能夠被用于目前全球生產(chǎn)的10%～25%的復(fù)合材料產(chǎn)品中。為證明這一點(diǎn)，先進(jìn)纖維材料技術(shù)有限公司生產(chǎn)出了這種織物，江蘇新日電動(dòng)車股份有限公司（位于中國江蘇無錫）則采用該織物生產(chǎn)出了預(yù)成型件并用模具制作出了用于該公司2011款XR-EV05電動(dòng)車的地板部件，它采用了歐文斯科寧復(fù)合材料公司的玻璃纖維以及HUNTSMAN（亨斯邁）先進(jìn)材料公司的Araldite LY564環(huán)氧樹脂。此外，山東雙一集團(tuán)有限公司（中國山東德州）正采用該三維織物去生產(chǎn)風(fēng)力渦輪機(jī)的機(jī)艙外殼和其他產(chǎn)品。

結(jié)論

這項(xiàng)技術(shù)是目前國際上最新復(fù)合材料三維織物生產(chǎn)并實(shí)現(xiàn)快速鋪層最先進(jìn)的工藝技術(shù)，用此種工藝生產(chǎn)的零件，不但可以提高復(fù)合材料零件各方面的強(qiáng)度，更主要的是可以降低直接與間接成本，同時(shí)為汽車復(fù)合材料零件量產(chǎn)化生產(chǎn)注入了新技術(shù)，提供了成功的路子。

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