用碳纖維替代D-LFT汽車部件中的玻璃纖維

復合材料化工

2018年8月3日 10:48

這一用于試驗的D-LFT生產線位于加拿大西安大略大學從事復合材料研究的弗勞恩霍夫工程中心（圖片來自弗勞恩霍夫工程中心）

汽車行業將玻璃纖維增強的直接長纖維熱塑性塑料（D-LFT）用于制造各種汽車部件，包括電池殼、承載地板和備胎艙等已有多年。酚醛樹脂價格

長纖維短切熱塑性塑料是一種典型的由熱塑性聚合物與公稱長度6mm的纖維增強材料相混合的復合材料。

為了直接取代D-LFT中的玻璃纖維，近年來，對高模量、輕量化的碳纖維展開了研究，以此來提高部件性能，降低汽車的重量、燃油消耗和CO₂排放。

這項研究及其結果最先由George Husman在2014年6月2~5日舉行的SAMPE Tech Seattle大會中提出，他曾是卓爾泰克公司的首席技術官，現已退休。

隨后，該研究及其結果于2014年9月9~11日在美國SPE汽車復合材料會議暨展覽會期間發布。

Husman總結的這項研究結果由卓爾泰克的Kyle Rohan和T.J. McDonough，以及來自加拿大西安大略大學從事復合材料研究的弗勞恩霍夫工程中心的Vanja Ugresic、Eva Potyra和Frank Henning記錄在一篇題為“直接長纖維熱塑性塑料碳纖維/PA6的力學研究及其相關的工藝參數”的論文中。

材料和工藝

盡管D-LFT工藝能夠采用多樣化的熱塑性樹脂與增強纖維的組合，但汽車行業在LFT和D-LFT加工中通常采用聚丙烯（PP）和玻璃纖維，因此，PP被考慮用于這項研究，這是因為其良好的成型性、對有機溶劑的耐受性和疏水性。但卓爾泰克的執行副總裁David Purcell最后表示：“基于汽車行業的普遍要求，我們選擇了碳纖維與PA6的組合。”他解釋說，當與工程熱塑性塑料如PA6相比時，PP尤其表現出相對較低的力學性能和使用溫度。因此，盡管PA存在加工上的劣勢，如較高的加工溫度和較大的吸水性，但針對預期的目標，它被認為是較好的選擇。

因此，卓爾泰克的Panex 35（50K）碳纖維和一種PA6熱塑性基體材料被選中用于該研究試驗。

LFT的加工技術多種多樣，而技術類型的不同會影響部件的最終性能：

一種類型是采用混合了玻璃纖維熱塑性片材的玻璃纖維氈作為增強材料；

間接LFT采用的是注塑級別的粒料；

相對較新的直接LFT技術，是將纖維和基體材料混合后，立即將該混合物送入模具中，然后通過直接注塑成型（LFT-D-IMC）或擠出機模壓成型（LFT-D-ECM）對該混合物進行加工。

在此研究中，選用了LFT-D-ECM加工方法，這是因為：

與其他的LFT系統不同，它采用兩臺擠出機，可將配混與纖維混合步驟區分開來，因此，兩臺擠出機可為獲得它們各自的特定功能而單獨得到優化；

材料不會遭受像注塑成型一樣的典型的高壓力，因此很少出現纖維破損，從而為部件帶來了良好的力學性能。

立即改善

這項研究做了15個試驗，每一個都采用了不同的加工條件，但所有試驗采用的參數都是一樣的。研究表明，所選用的碳纖維/聚酰胺D-LFT 材料體系相比玻璃纖維的D-LFT，力學性能顯著提高，尤其是剛性（拉伸模量或彈性模量，拉伸應力-伸長率的測試）。“與連續纖維的形式相比，拉伸強度將更低。但在汽車部件及消費電子的應用中，模量實際上對于滿足特殊的剛性設計要求更為重要。”Purcell解釋說，“而且剛性是由模量與所選用材料的重量決定的。”

作為制造成本方面的紅利，采用目前可采納的設備，只需稍作改動，就可改善性能。

“在此材料體系中使用碳纖維的另一優勢是其高模量，以及在最終的復合材料中，模量可轉化為與纖維長徑比的關系。”Purcell說。

模量轉化

眾所周知，復合材料部件的強度主要是纖維增強材料的一個函數，最大的強度是由連續纖維提供的。采用短切纖維而非連續纖維，則顯著降低了最終部件的強度。然而，有證據表明，平行排列或分布的短切纖維的較長段，將使部件擁有接近由連續碳纖維絲束提供的強度。這一現象通過針對縱向與橫向模量的Halpin-Tsai各向同性近似方法而得到了解釋。該方法由美國賴特-帕特森空軍基地（簡稱“WPAFB”）的J.C. Halpin與斯坦福大學結構和復合材料實驗室的榮譽教授Stephen W. Tsai開發。

Halpin-Tsai方程式表明，如果在采用碳纖維的情況下，長徑比（L/D）能夠達到100，即長0.72mm，直徑0.0072mm，那么纖維的機械強度將是：拉伸模量大約21.5GPa，或者是一個層壓材料（由35%重量百分比的碳纖維與PA6聚合物組成）最大理論模量26GPa的83%。

Purcell解釋說，在試驗中，雖然一些纖維長度能保持2mm，但平均長度非常短。“因為我們獲得了一些加工后仍保持2mm長度的纖維，因而表明在技術上是可行的。”他同時強調說，“更重要的且能夠驅動力學性能的是平均纖維長度。一些2mm長的纖維對力學性能似乎沒有貢獻。”

不管怎樣,長徑比大于100時，理論曲線逐漸變平，從而隨著纖維長度的增加，提供的優勢逐漸減少。

因此，理論上預測的纖維轉化（模量轉化），對于纖維長徑比為278的同樣部件，即對于平均2mm的纖維長度而言，大約是24.5GPa，或者是最大理論值26GPa的94%。

而對于只有10%~11%的性能提高，較高的長徑比更好，但要達到2mm的長度將是一個相當大的挑戰。

在卓爾泰克的研究中，實際測得的性能與理論曲線相一致。大多數研究試樣的長徑比保持在14~42之間，在最終的層壓材料中，其長度保持在0.1~0.3mm之間。

“為將纖維長度提高到至少0.72mm的平均值，以及在最終的產品中能夠達到理想的1~2mm的平均長度，需要做更多的工作。”Purcell說。

研究結果及未來方向

盡管未經加工的短切纖維的平均長度是6mm，但纖維在與基體材料配混成粒料的過程中會破損。在此基礎上，熱塑性聚合物的粒料在注塑成型或模壓成型時會進一步破損。Purcell指出，當一臺雙螺桿擠出機對碳纖維和高黏度的熱塑性聚合物一起加工時，碳纖維比玻璃纖維更易折斷，從而導致最終的纖維長度在0.1~0.3mm之間。由于加工過程中纖維的分布不均勻，導致復合材料部件最終的機械強度進一步大打折扣。

因此，成功的關鍵，是在保持纖維長度的同時平衡好纖維分布的均勻性，這要求對聚合物的化學組成（為達到低黏度）和雙螺桿設計（以確保作用在纖維上的力比較柔和）進行調整。

“基于我們在纖維長度方面的調查結果, 以及因此而帶來的力學性能,需要對工藝做更多的調整——尤其是對螺桿設計及聚合物化學組成/黏度方面的調整，以便減少纖維折斷。”Purcell說。

盡管長纖維短切的碳纖維在配混物中的取向是隨機的，并因此而導致在固化后的試驗板中，流動方向的力學性能始終好于交叉流方向的力學性能，但在模壓操作期間，這一方向性越強，材料就流動的越遠。

然而，盡管存在方向性的影響，纖維重量百分比卻在整個試制板上保持相對一致。同時還發現，較短的纖維對性能的影響似乎比較長纖維的影響更大，這可能是因為較長纖維有束集在一起的趨勢。

“研究結果顯然意味著，對于目前采用標準的玻璃纖維LFT制造的汽車部件而言，作為提高其力學性能的一種手段，需要另外開展對碳纖維/PA6 D-LFT的研究，而且這對于要求‘高產量、低循環時間且無廢料’的其他行業也是必要的。”Purcell說。

雖然到目前為止卓爾泰克沒有對這項技術做進一步的研究，但不久就會推進這項工作，其目標是：延伸纖維長度并改善纖維分布，以獲得更大的機械強度。

Purcell總結道：“重要的是要吸取經驗教訓并充分理解，同時要明確下一步的研究工作，以改善工藝參數，實現2mm纖維長度的目標。

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