快速鋪層：新的三維預成型技術

蘇平永

摘 要：鉤-環鎖扣加速了碳纖維、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，這項技術是目前國際上最新復合材料三維織物生產并實現快速鋪層最先進的工藝技術，用此種工藝生產的零件，不但可以提高復合材料零件各方面的強度，更主要的是可以降低直接與間接生產成本。

關鍵詞：3D預成型；“Han-3D”織物或“Han-3D”復合材料；鉤-環鎖；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：TP274 文獻標識碼：A

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

一、3D織物預成型件

（一）3D預成型在汽車企業的瓶頸與“Han-3D”織物或“Han-3D”復合材料誕生

對于量大的汽車行業來說，3D預成型工藝至今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中一種嚴格受限的材料/工藝選擇。但隨著新技術的出現，一切都發生了變化，該技術為耗時的、勞動密集型的3D預成型件的手工鋪層方式提供了自動化操作的機遇。該技術曾獲得了2010 JEC創新獎中的材料類別獎項，它就是“Han-3D”織物或“Han-3D”復合材料（正在申請全球專利）。它是發明家Nathan Nanlin Han博士的智慧結晶。他是一個合伙創建人（與其他一些經驗豐富的擁有博士資歷的專業人士一起），同時是兩家公司的總經理，這兩家公司專注于開發和生產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——先進纖維材料技術有限公司開發用于織物生產的產品。

圖1是一種為層壓復合材料生產織物層的新方法，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軸方向上實現連接的鉤-環鎖扣，從而將臨近的織物層連接起來。

（二）開發3D織物預成型件目的

1 傳統織物層疊拉伸強度問題

開發3D織物預成型件目的是為了改進二維層合結構原有的問題。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（層疊拉伸強度），其拉伸強度只是纖維的1/30。因此，在層疊結構中，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就可能導致分層以及在多種載荷條件下會發生面外失效，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成本的極具挑戰的方法。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、3D編織技術以及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，而且還會增加成本。

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

2 傳統復合材料缺點

汽車行業傳統復合材料目前不具備量產化的生產，另外成本還很高，當用在飛機與輪船時，用手工鋪層還可以，因為量少，但對于汽車生產量大的行業來說，這種傳統鋪層方法太慢，沒法實現。

3 Han-3D織物優點

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方向的機械強度，用這種織物并使用一個機械手臂鋪層，鋪層一件只要90s的時間，另外使用目前只有2min就可以固化的環氧樹脂，用RTM成型一個汽車零件，大概也只要5min的時間。

（三）落錘試驗

圖3在采用鉤/環搭接的“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）先進材料公司的Aradur 5003-1環氧樹脂進行真空灌注的一個8層的平板樣板。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次（落錘1kg，落差80cm）。結果，采用Han-3D織物生產的復合材料上的凹痕相對較小，而平織生產的復合材料平板上僅在試驗夾具的落差由80cm降低到40cm后，就出現了比采用Han-3D還大的凹痕印記。

（四）生產成本與間接成本

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的價格生產和銷售其織物。借助于機械手臂，可將搭接后的鋪層準確地鋪放到模具中。Han說，其所帶來的結果是，與傳統的層壓復合材料相比，直接生產成本可降低50%，間接成本還可降低30%。

圖4先進纖維材料技術有限公司采用帶有芳綸纖維鉤和環的Han-3D混雜碳纖維預成型件，生產出了“車頂加柱”結構的小型試樣，其中預成型件鋪層只花費了90s左右的時間。

（五）Han-3D織物的應用與最新發展

Han-3D織物的開發階段目前已經結束，初級的鉤-環織物可在中國和美國買到。目前正在進行的工作是開發類似于3M Dual-Lock系統的可替代的蘑菇狀鎖扣，以作為生產預浸料的一種方法。該公司聲稱，這兩項技術都能夠被用于目前全球生產的10%～25%的復合材料產品中。為證明這一點，先進纖維材料技術有限公司生產出了這種織物，江蘇新日電動車股份有限公司（位于中國江蘇無錫）則采用該織物生產出了預成型件并用模具制作出了用于該公司2011款XR-EV05電動車的地板部件，它采用了歐文斯科寧復合材料公司的玻璃纖維以及HUNTSMAN（亨斯邁）先進材料公司的Araldite LY564環氧樹脂。此外，山東雙一集團有限公司（中國山東德州）正采用該三維織物去生產風力渦輪機的機艙外殼和其他產品。

結論

這項技術是目前國際上最新復合材料三維織物生產并實現快速鋪層最先進的工藝技術，用此種工藝生產的零件，不但可以提高復合材料零件各方面的強度，更主要的是可以降低直接與間接成本，同時為汽車復合材料零件量產化生產注入了新技術，提供了成功的路子。

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