短切碳纖維增強(qiáng)配混料擴(kuò)大了熱塑性復(fù)合材料的應(yīng)用范圍

文/ CompositesWorld PEGGY MALNATI

由重量百分比高達(dá)50%的碳纖維和一系列熱塑性基體樹(shù)脂配制而成的注射級(jí)別配混料正在擴(kuò)大熱塑性復(fù)合材料的應(yīng)用范圍。

專為注射成型應(yīng)用而配制的一系列短切碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料（簡(jiǎn)稱CFRTP）配混物，正在擴(kuò)大熱塑性復(fù)合材料的應(yīng)用范圍，能夠適應(yīng)更多的部件尺寸和復(fù)雜形狀。有趣的是，從體育用品和汽車(chē)部件，到醫(yī)療設(shè)備和航空部件，在越來(lái)越多的應(yīng)用領(lǐng)域中，這些材料的性能已經(jīng)超越了長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性（LFT）復(fù)合材料（采用玻纖或碳纖增強(qiáng)）和金屬材料。

成型商變成配混商

這些材料由日本三菱化學(xué)先進(jìn)材料有限公司（簡(jiǎn)稱MCAM）配制和銷(xiāo)售。過(guò)去十年來(lái)，MCAM合并了母公司以前收購(gòu)的幾個(gè)獨(dú)立業(yè)務(wù)，包括：前瑞士Quadrant公司，這是一家玻纖氈熱塑性塑料（GMT）、有機(jī)片材復(fù)合材料及熱塑性工程制品的生產(chǎn)商，以及曾經(jīng)的美國(guó)Piper Plastics 公司，該公司從注射成型精密機(jī)械零件起家，后來(lái)將業(yè)務(wù)擴(kuò)展到訂制CFRTP 配混料——首先滿足自用，然后為其他成型商供料。

大約在2012年，Piper Plastics 公司還是一家服務(wù)于航空、體育用品和娛樂(lè)設(shè)備等客戶群體的中等規(guī)模的訂制化注射成型商，當(dāng)時(shí)，該公司的領(lǐng)導(dǎo)層希望發(fā)展其零部件制造業(yè)務(wù)，但卻面臨著兩大挑戰(zhàn)：首先，該團(tuán)隊(duì)在尋找各類配混料以使其覺(jué)得能讓該公司在有著更高性能要求的細(xì)分市場(chǎng)中具有競(jìng)爭(zhēng)力方面遇到了麻煩；其次，該公司想要進(jìn)入汽車(chē)市場(chǎng)，但沒(méi)有足夠的成型能力參與主要項(xiàng)目的競(jìng)爭(zhēng)。

第一個(gè)問(wèn)題通過(guò)集中研發(fā)各類基礎(chǔ)樹(shù)脂和纖維漿料技術(shù)而得到了解決，從而開(kāi)發(fā)出一系列高性能、可注射成型的CFRTP配混料，商品名為KyronMAX。這些材料采用的基體樹(shù)脂如PA6/6、PPA、PEI、PPS、PEEK和PAEK等，增強(qiáng)材料為短切碳纖維。配制的這些配混料，不僅取代了短玻纖增強(qiáng)的和礦物填充的注射級(jí)別的材料，而且取代了LFT配混料（平均起始纖維長(zhǎng)度13 mm）甚至金屬，其中的大多數(shù)都提供了高耐熱性、廣泛的耐化學(xué)性、良好的力學(xué)性能以及低易燃、低煙霧和低毒性等優(yōu)勢(shì)。

“在數(shù)據(jù)表上，LFT配混料看起來(lái)更強(qiáng)，但通常，它們無(wú)法填充我們可以用短切碳纖維技術(shù)填充的這類部分的形狀?！盡CAM的復(fù)合材料大客戶經(jīng)理Alex Wojtysiak解釋說(shuō)，“由于我們的材料擁有很高的流動(dòng)性，能更好地填充復(fù)雜的形狀，因此采用我們的配混料生產(chǎn)出的部件要堅(jiān)固得多。”

“并不是說(shuō)我們要著手去創(chuàng)造廣泛的CFRTP配混料，而是要使開(kāi)發(fā)的每一種材料都能滿足特定客戶的特殊需求?！盡CAM 的全球復(fù)合材料技術(shù)經(jīng)理Clint Newell補(bǔ)充道，“隨著我們開(kāi)發(fā)配方能力的增強(qiáng)，我們進(jìn)入了新的市場(chǎng)，遇到了新的客戶，從而了解了他們的需求，并能夠著手去創(chuàng)造一種完美的配混料來(lái)滿足他們的需求?！?/p>

由于這些配混料最初是由一家成型商為另一家成型商所配制，因此使得它們能夠被設(shè)計(jì)成擁有易于加工的性能，從而能夠始終如一地生產(chǎn)出更高質(zhì)量、更好性能的部件?！拔覀兣渲莆覀兊腒yronMAX產(chǎn)品線，以提供更高的流動(dòng)性和纖維交互性、更低的內(nèi)部應(yīng)力，同時(shí)各向異性小、熔接線強(qiáng)、縮痕少、翹曲變形傾向低且尺寸精度更高，而無(wú)論成型部件的斷面是厚的還是薄的?！盡CAM的研發(fā)總監(jiān)Dave Wilkinson表示，“除了我們的配方和獨(dú)特的漿料技術(shù)外，我們還對(duì)自己的壓機(jī)作了改進(jìn)，這樣可以更高效地加工這些材料?！?/p>

為什么要用這個(gè)不同尋常的產(chǎn)品名稱呢? “在古希臘神話中，Kyron（也被拼寫(xiě)成Chiron）是半人馬半人類的意思?！盡CAM 的首席創(chuàng)新官Randy White說(shuō)，“Kyron用它獨(dú)特的個(gè)體技能，超越了它的野獸本性。我們將Kyron比作我們的配混料，希望這些一半是碳纖維、一半是樹(shù)脂的配混料像人馬一樣強(qiáng)壯、像人一樣聰明，加工起來(lái)很容易。”

隨著配方專業(yè)知識(shí)的增長(zhǎng)，該公司引起了日本三菱化學(xué)控股集團(tuán)的注意，該集團(tuán)于2016年收購(gòu)了Piper Plastics。MCHC立即投資了數(shù)百萬(wàn)美元來(lái)提升其在美國(guó)亞利桑那州配混生產(chǎn)線的規(guī)模。自動(dòng)化的操作結(jié)合引進(jìn)自己的碳纖維漿料和切碎技術(shù)，使得KyronMAX配混料能以更快的速度、更高的一致性被生產(chǎn)出來(lái)。隨后，MCHC在美國(guó)密歇根州建立了第二條配混生產(chǎn)線，在日本建立了第三條配混生產(chǎn)線。這些擴(kuò)張的產(chǎn)能意味著KyronMAX 級(jí)別的材料在北美和亞洲的汽車(chē)市場(chǎng)中可能具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

為了向航空領(lǐng)域的客戶展示KyronMAX復(fù)合材料的性能，MCAM設(shè)計(jì)并制造了一種用于航空母艦的普通的四分之一回轉(zhuǎn)固定門(mén)閂。由于高負(fù)荷要求，目前該部件由鋁制成。而30%重量百分比的短切碳纖維增強(qiáng)PEI 材料（KyronMAX S 6230）憑借其力學(xué)性能以及在阻燃、煙霧和毒氣方面的優(yōu)勢(shì)而被選中用于取代鋁。該復(fù)合材料的部件不僅滿足了鋁所能達(dá)到的性能要求，而且令重量減輕了一半，目前正在接受幾家客戶的評(píng)估。此外，它們還能得到噴涂以與飛機(jī)內(nèi)飾顏色保持一致（圖片來(lái)自三菱化學(xué)先進(jìn)材料有限公司）

擴(kuò)大產(chǎn)品供給，新的市場(chǎng)機(jī)遇

現(xiàn)在，憑借更大的產(chǎn)能以及能夠獲得更廣泛的聚合物和碳纖維材料，MCAM團(tuán)隊(duì)一直在忙于開(kāi)發(fā)一系列的新產(chǎn)品，其中一些是專門(mén)為汽車(chē)市場(chǎng)配制的，最有趣的一個(gè)是 KyronMAX ES 4240，據(jù)說(shuō)它是世界上第一個(gè)突破了414 MPa拉伸強(qiáng)度的短切碳纖維增強(qiáng)的注射級(jí)別配混料。它所突破的那個(gè)級(jí)別的材料，是在2019年的SPE汽車(chē)工程塑料會(huì)議（AutoEPCON）中被推出的，是40%纖維重量百分比的碳纖維增強(qiáng)PPA，該材料還提供了41.2 GPa的拉伸模量、34.5 Gpa的彎曲模量和552 MPa的彎曲強(qiáng)度。PPA是一種特殊形式的聚酰胺，具有更好的耐熱性和更廣泛的耐化學(xué)性，水解趨勢(shì)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的PA6和PA6/6。

在2019年 的SPE AutoEPCON會(huì)議中推出的其他汽車(chē)級(jí)別的材料還包括專為發(fā)動(dòng)機(jī)蓋下應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的一種耐高溫的碳纖維增強(qiáng)PPA級(jí)別，據(jù)說(shuō)該材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）和連續(xù)使用溫度（CUT）能與PEEK相媲美，但更易于成型。毫無(wú)疑問(wèn)，考慮到像汽車(chē)和小家電這樣的大批量生產(chǎn)行業(yè)對(duì)成本的敏感性，該團(tuán)隊(duì)還在研究聚丙烯基的KyronMAX產(chǎn)品。

專為汽車(chē)應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的新的可注射成型CFRTP配混料KyronMAX ES 4240，是一種40%重量百分比的短切碳纖維增強(qiáng) PPA，據(jù)說(shuō)它是第一個(gè)突破414 MPa拉伸強(qiáng)度的材料（圖片來(lái)自三菱化學(xué)先進(jìn)材料有限公司）

隨著其產(chǎn)品線的擴(kuò)大，使用這些材料的市場(chǎng)也在不斷擴(kuò)大。除了渴望已久的汽車(chē)業(yè)務(wù)外，現(xiàn)在該公司還服務(wù)于醫(yī)療器械（耐用的和一次性的）、小型家電及消費(fèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。航空/航天仍然很重要，體育用品行業(yè)也是如此，在這些領(lǐng)域中，該公司已經(jīng)發(fā)展到涵蓋賽車(chē)、山地車(chē)、高爾夫球桿、復(fù)合弓及其他射箭部件等應(yīng)用。有多種產(chǎn)品提供的線性熱膨脹系數(shù)（CLTE）類似于金屬注射成型（MIM）的鋁和鎂，它們有更好的韌性、更輕的重量和更低的成本——該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，其材料在越來(lái)越多的應(yīng)用中取代了金屬。

隨著與全球范圍內(nèi)的三菱公司日益廣泛的接觸，現(xiàn)在MCAM團(tuán)隊(duì)能夠獲得代表更廣泛復(fù)合材料產(chǎn)品組合的技術(shù)，跨越了熱塑性塑料和熱固性塑料，且可以采用更廣泛的增強(qiáng)材料類型和纖維長(zhǎng)度。

在MCAM內(nèi)部，另一項(xiàng)接近商業(yè)化的技術(shù)是采用熱塑性基體材料的織物（非織造織物、編織織物和單向織物）增強(qiáng)的干預(yù)浸料，名為KyronTEX，這些產(chǎn)品目前正在進(jìn)行戰(zhàn)略性取樣。2021年夏季，MCAM 收購(gòu)了德國(guó)carbonNXT 公司及其姐妹公司德國(guó)CFK Valley State Recycling GmbH and Co. KG 公司，從而將一整套碳纖維回收技術(shù)引入該集團(tuán)的產(chǎn)品生產(chǎn)中。據(jù)說(shuō) MCAM團(tuán)隊(duì)將在多種配方中試用回收碳纖維，然后推出合格的商業(yè)化產(chǎn)品。