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原创 | 解密日本东丽碳纤维树脂含浸片材

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-04-11  来源:苏格拉伟  作者:中国碳谷网  浏览次数:76
核心提示:文中说东丽开发出了力学特性和成形性都很优秀的的碳纤维树脂含浸片材(UACS,UnidirectionallyArrayedChoppedStrands)。其力学性能
 文中说东丽开发出了力学特性和成形性都很优秀的的碳纤维树脂含浸片材(UACS,Unidirectionally Arrayed Chopped Strands)。其力学性能是UD预浸材(碳纤维单向排列、最小限度含浸树脂制成的材料)的约8-9成。而且可成型出使用UD预浸材时很难实现的三维复杂形状。

这段话很好理解,就是东丽最近开发出一种碳纤维预浸片材,这种片材不但力学性能非常好,而且成形性也非常优秀。那么怎么样力学性能才会好?怎么样成形性才会好?两者怎么样才能达到统一呢?东丽公司做的是一种什么创新呢?我们来慢慢分析。

先说力学性能

力学性能很好理解,通常对碳纤维来说是拉伸强度。树脂包裹在碳纤维的表面,当有外部力作用在复合材料上的时候,树脂将力传递给碳纤维,所以要想拉断复合材料,必须将复合材料里面的碳纤维拉断。常见的复合材料例子就有钢筋混凝土,钢筋作为增强材料,跟碳纤维一样起到承载外部力的作用,水泥作为基体材料,跟树脂一样起到传递力的作用。比如我们要想推倒一面墙,我们首先用手推的是水泥墙体,水泥将我们的力传递给钢筋。所以我们要想推倒这面墙,必须将里面的钢筋拉断。

要想获得力学性能比较好的复合材料,首先树脂力学性能要好,如果我们用碳纤维增强豆腐,你觉得强度会高吗?这一点跟树脂的种类有很大关系,今天我们不深入了解。其次是纤维强度要高,这个跟碳纤维性能有关,也不是今天我们讨论的重点。最后就是纤维和树脂结合的界面和纤维状态。树脂和碳纤维接触的时候,会形成一些化学键,让树脂和碳纤维结合更牢固。所以要想结合的更牢固,就要让树脂和碳纤维接触的面积更大才有可能形成更多的化学键。所以长纤维要比短切纤维有优势。另外复合材料断裂的时候,裂纹有可能绕过短纤维扩展。所以要想获得最好的力学性能,长纤维一定是优先选择。

另外纤维单向排列的状态可以将碳纤维最优异的力学性能体现出来。碳纤维排布方向都在一个方向上,而且都是伸展状态,纤维对外部载荷的响应非常快。而呈编织状态的碳纤维上下起伏使得碳纤维产生屈曲,外部载荷加载上来,纤维有一个伸直的过程才能承载载荷。所以,在复合材料结构设计中,UD预浸布是复合材料层合设计的基本单元。

我们都知道预浸料通常利用模具来塑造形状,对于结构简单或者曲面平滑的部件,UD预浸布可以发挥最大的作用。但是对于结构比较复杂,有其是包含肋板或者锐角等棱角部分的时候,纤维就会延伸或扩展,导致纤维排布不追随模具形状,出现褶皱,造成空隙及富树脂区问题。这些空隙和富树脂区没有足够的碳纤维增强,使得该部位力学性能远远低于预期水平。所以说长纤维虽然力学性能优越,但是成形性比较差。

再来看成形性

通常情况下,长纤维预浸材在形状复杂模具的棱角等地方不能更好的贴合模具,是因为长纤维某一部分的移动受到了其他部分的限制。所以人们用短切纤维预浸材来代替长纤维。因为短纤维随树脂流动性比较好,可以更好的追随模具的形状,即使在棱角部分也可以起到增强作用。

但是短纤维有短纤维的缺点,那就是不如长纤维力学性能好。一方面是因为纤维和树脂接触面积小,有可能造成碳纤维从树脂中抽出来。另一方面,复合材料断裂的时候,裂纹有可能绕过纤维扩展。为了帮助大家理解,我画了一个示意图,如图所示。

同时由于短纤维预浸材内的碳纤维排布属于无规排列,所以短切纤维不如长纤维,尤其是单向纤维预浸材那样可以很好的优化设计某一方向的力学性能。也就是说长纤维可以根据需要,在需要的地方进行纤维排布方向的优化。

东丽公司做了什么创新?

我们刚才说了,长纤维力学性能比较好,可以根据需求优化设计排布,但是在模具棱角部分容易造成褶皱和空隙,产生缺陷,影响复合材料力学性能,成形性比较差。而短纤维随树脂流动性比较好,但是力学性能不如长纤维,纤维排布方向杂乱,无法优化纤维排布方向。

那么问题来了!

既然都有优点,那么能不能将二者优点结合起来?

答案是可以!这就是东丽公司所做的工作。将短切纤维容易成形性和长纤维可以优化排布方向的优点结合起来。这就是东丽公司最近开发的碳纤维树脂含浸片材。

东丽公司将长纤维预浸材,按照一定的间隔距离做了一些切口,将长纤维切短。如下图所示:

这样纤维方向可以优化排布了,在复杂的棱角和边缘,纤维也可以随树脂流动,具有优异的成形性,结合了两者的优点。同时还可以根据所制造部件的要求,调整切口长度、切口与纤维排布方向角度、切口间距和上下层切口参数配合,从而达到优化设计的目的。

说到这里,各位可能再回去看那篇新闻,就能很好的明白其中的意思了。

东丽介绍称,使用这种UACS,可以用平板成型出带棱角的板。利用UD预浸材制作这种形状时,在棱角部分不能很好地实现纤维层叠结构,而采用UACS的话,则可以很好地实现纤维层叠结构。另外,使用平板还可以成型出三叉状棱角和深冲压形状。

关于在汽车零部件上的应用,东丽表示“这种UACS的力学特性强,因此可以应用于地板等骨架部件。此外还可以应用于车门饰板、后备箱盖的内板及天窗等”。另外,东丽还拥有冲压成形周期仅3分钟左右的快速固化预浸材技术。以这种预浸材为基础,可以实现能以相同周期成型的UACS。东丽未公布UACS的成本,只介绍称“只是在预浸材制造工序中增加切口工序,因此成本不会增加很多”。

东丽的目标是2~3年后使UACS投入实用。今后将确立能连续稳定形成想要的切口图案的量产技术。

 
 
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