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，同時提高了復合材料的力學性能。 一種新的技術(shù)為三維預成型件的手工鋪層方式提供了自動化操作的機遇。

今天，用三維織物預成型件生產(chǎn)從小型到巨型的高性能復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)獨特的三維復合材料及納米復合材料：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雜的機器和工藝，而且所有這3種方法都會降低復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成型件

Han說，汽車行業(yè)廣泛采納復合材料結(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合材料已在虛擬原型制作和物理性能測試中被預測并顯示出了其從改善的力學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混雜碳纖維預成型件，生產(chǎn)出了這一“車頂加柱”結(jié)構(gòu)的小型試樣。預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)預浸料的一種方法。


作者：Peggy Malnati　 123456
文章來源：High-Performance Composites