3D編織是為了實(shí)現(xiàn)同樣的目標(biāo)而開發(fā)的。Albany Engineered Composites（Rochester，NH，U.S.）使用它來生產(chǎn)復(fù)雜的預(yù)成型件，這些預(yù)成型件通過樹脂轉(zhuǎn)化成型（RTM）轉(zhuǎn)化為 LEAP 航空發(fā)動(dòng)機(jī)的 CFRP 風(fēng)扇葉片。盡管 3D 編織是有效的，但通常情況下，它既不是提供 z 軸增強(qiáng)的快速過程，也不是廉價(jià)的過程。

　　

　　

　　

　　幾何尺度的另一端是由 N12 Technologies 開發(fā)的 NanoStich 技術(shù)，該技術(shù)現(xiàn)在被 NAWA Technologies（法國普羅旺斯艾克斯）收購，該技術(shù)在層壓板之間的層間區(qū)域使用垂直排列的碳納米管，將層間剪切強(qiáng)度（ILSS- improve interlaminar shear strength）提高 10-30%。盡管 N12 的廣泛產(chǎn)品承諾通過減少當(dāng)前復(fù)合材料工藝的解決方案來改善性能，但由于生長垂直排列碳納米管（CNT）的新興技術(shù)，成本和可擴(kuò)展性仍然存在問題。

　　

　　　

　　具有可擴(kuò)展性的插入式解決方案

　　

　　Murthy 指出：“3D 編織、z-銷釘和縫合都需要額外的步驟和勞動(dòng)力。”。“我們想要一種可以很容易地作為簾布層集成到已經(jīng)使用的工藝和材料中的材料。我們的 ZRT 產(chǎn)品像粘合膜或單向預(yù)浸料一樣處理，但在 z 方向上提供剛度和導(dǎo)電性，在新的方向上利用由此產(chǎn)生的復(fù)合材料的性能。”

　　

　　

　　

　　將 ZRT 薄膜和連續(xù)纖維增強(qiáng)材料相結(jié)合的層壓工藝制成 SUPERCOMP 產(chǎn)品

　　

　　波士頓材料公司首席執(zhí)行官 Anvesh Gurijala 解釋道：“我們材料的另一個(gè)不同之處在于可擴(kuò)展性。”。“我們使用的是一種 60 英寸寬的卷對(duì)卷工藝，類似于造紙術(shù)。將磨碎的纖維分散在水中，計(jì)量到 PET 載體膜上，然后施加磁場，使纖維在 z 軸上對(duì)齊。”他指 出，碳纖維沒有磁性，因此這種對(duì)齊是訣竅。然后蒸發(fā)水，將干燥的 ZRT 材料留在載體的頂部。因此，這不是在生長 CNT，而是更具成本效益。與納米材料相比，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)要小得多，而且沒有危險(xiǎn)化學(xué)品、溶劑或顆粒——這是一個(gè)環(huán)保的過程。”

　　

　　ZRT 軋輥產(chǎn)品也便于加工。Murthy 說：“它們可以干燥使用，也可以預(yù)浸使用。”。“您可以將產(chǎn)品切成膠帶，并將其用于 RTM 的纏繞或干燥預(yù)成型。我們的材料很容易融入膠帶鋪設(shè)過程；不需要第二步。很容易從載體膜上去除 ZRT 材料，并且不會(huì)釋放納米纖維或研磨纖維。”ZRT 材料還提供了高表面積，從而與涂層或油漆形成良好的粘合。“因?yàn)槲覀兪褂玫氖窃偕祭w維，”Gurijala 指出，“我們可以與連續(xù)的原始纖維相比具有成本競爭力。”

　　

　　Gurijala 說，使用 SUPERCOMP 和 ZRT 材料實(shí)際上有成本效益。“通過添加 ZRT 材料層，我們可以保留傳統(tǒng)復(fù)合材料層壓板的關(guān)鍵平面內(nèi)性能，同時(shí)替換高達(dá) 50%的連續(xù)纖維。通過使用 ZRT 材料和標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合材料設(shè)計(jì)層壓板，我們可以保持平面內(nèi)性能并增加平面外性能，同時(shí)將所需的層總數(shù)減少 50%。因此，我們提供經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的嵌入式解決方案，同時(shí)還增強(qiáng)了功能。”

　　

　　　

　　附加功能

　　

　　通過將碳纖維定向到平面外，Boston Materials 通過層壓板厚度克服了復(fù)合材料在導(dǎo)電性方面的傳統(tǒng)限制。Gurijala 說：“我們正在展示與鋁競爭的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。”。“在 EMI 和雷擊保護(hù)方面，我們的性能與納米纖維、鎳面紗和膨脹金屬箔相當(dāng)，但成本和可加工性有所提高。例如，由于我們的產(chǎn)品是碳纖維而非金屬，因此它們不需要絕緣來防止碳纖維層壓板的電偶腐蝕化學(xué)品等。”

　　

　

　　雷擊保護(hù)

　　

　　擊試驗(yàn)表明，ZRT 薄膜能夠?yàn)閺?fù)合材料面板提供有效的雷擊保護(hù)（LSP）。下面的照片在左邊顯示了參考層壓板，該參考層壓板包括五層在環(huán)氧樹脂基體中的編織碳纖維，在右邊顯示了相同的層壓板，但具有 ZRT 表面膜。測試由 Vipin Kumar 博士進(jìn)行，他是橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（田納西州諾克斯維爾）復(fù)合材料的雷擊損傷專家。庫馬爾博士說：“損害的減少是非常明顯的。”。“這種 ZRT 是用聚丙烯腈（PAN-polyacrylonitrile）纖維制成的，但由于其更高的導(dǎo)電性，我們預(yù)計(jì)瀝青纖維的效果會(huì)更好。”波士頓材料公司獲得了美國空軍的一項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)，將進(jìn)一步為傳統(tǒng)飛機(jī)和即將推出的 eVTOL 車輛開發(fā)這種方法。

　　

　　

　　

　　參考碳纖維復(fù)合材料層壓板（左）和具有 ZRT表面膜的層壓板（右）

　　

　　復(fù)合材料層壓板中使用的 ZRT 簾布層已被用于幫助抵抗簾布層之間的分層并減少金屬緊固件的脫膠。Eclipse 復(fù)合材料工程公司（美國猶他州鹽湖城）正在努力改進(jìn)一個(gè)部件，該部件的主要故障是由于剪切和橫向張力導(dǎo)致金屬凸耳脫膠。Murthy 解釋道：“我們與 Eclipse合作，將我們的 SUPERCOMP 1015 PW Dry 產(chǎn)品—— ZRT 薄膜與干平紋織物相結(jié)合——集成在層壓板中的每層 3K 碳纖維織物之間。”

　　

　　“在用標(biāo)準(zhǔn)層壓板進(jìn)行的拉拔試驗(yàn)中，金屬凸耳完全脫膠，而用 SUPERCOMP 層壓板制成的層壓板保留了金屬凸耳。當(dāng)測試失敗時(shí)，Eclipse Composites 在失敗前測得的拉拔強(qiáng)度至少高出 50%，而且失敗是漸進(jìn)的，而不是災(zāi)難性的。甚至有少數(shù)情況下，擰入金屬凸耳的鋼螺栓在拔出凸耳之前發(fā)生故障。”

　　

　　

　　

　　波士頓材料公司用 SUPERCOMP PW 干材料制成的鑒定測試零件在失效前證明了金屬凸耳（綠色箭頭）的拔出強(qiáng)度增加了 50%。

　　

　　材料還通過剪切吸收振動(dòng)能量，而不犧牲彎曲剛度。Gurijala 說：“這是 z 軸碳纖維特有的機(jī)制。”。“在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中加入 ZRT 層可以降低每種振動(dòng)模式下的固有頻率。”較低的固有頻率表明減振效果更好，從而改善：

　　

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　　Z 軸碳纖維 ZRT 材料與編織碳纖維一起使用，可以降低所有振動(dòng)模式的固有頻率

　　

　　

　　

　　使用聚碳酸酯基質(zhì)的 9 層 ZRT 材料的顯微圖

　　

　　　　

　　熱塑性復(fù)合材料

　　

　　Murthy 指出：“我們還可以在熱塑性薄膜中添加ZRT，并在整個(gè)加工過程中保持研磨后的纖維取向。”這可以在左側(cè)的顯微照片中看到，該照片顯示了壓縮成型應(yīng)用中的九層 ZRT 材料。他解釋說：“所用的聚碳酸酯基質(zhì)的粘度比環(huán)氧樹脂高得多。”。“該應(yīng)用程序還使用了 350 至 400 磅/平方英寸的高壓實(shí)壓力，但我們可以保持 z 軸方向。”

　　

　　對(duì)于這些熱塑性復(fù)合材料產(chǎn)品，Boston Materials將 PET 載體薄膜更換為目標(biāo)基質(zhì)聚合物的熱塑性薄膜。或者，它可以將 ZRT 干膜轉(zhuǎn)移到目標(biāo)熱塑性膜上，并在第二過程中將其熔化到 z 軸碳纖維中。這些 ZRT 熱塑性產(chǎn)品的纖維體積大于 50%。除了聚碳酸酯，Boston Materials 還使用 PPS、PEEK、LM- PAEK、PEI、PA-6、PA-12 和 bio-PA 制作了 ZRT 熱塑性復(fù)合薄膜。

　　

　　　　

　　下一代換熱器的導(dǎo)熱系數(shù)

　　

　　正如 ZRT 材料提高導(dǎo)電性一樣，它們也提高了復(fù)合材料的導(dǎo)熱性。Gurijala 解釋道：“盡管碳纖維沿纖維方向具有導(dǎo)熱性，但其導(dǎo)電性在垂直于纖維的方向上下降了近十倍。”。“橫向傳熱在電子設(shè)備、電動(dòng)汽車電池組和非金屬熱交換器等應(yīng)用中很重要。通過在 z 軸上放置碳纖維來調(diào)整聚合物復(fù)合材料的橫向熱導(dǎo)率，這對(duì)當(dāng)今所需的多功能結(jié)構(gòu)來說是一個(gè)巨大的好處。”

　　

　　他指出，聚丙烯腈（PAN- polyacrylonitrile）基碳纖維的纖維內(nèi)熱導(dǎo)率為 15 至 20 瓦特每米開爾文（W/m- K）。Gurijala 說：“在 90 度的溫度下，纖維的溫度會(huì)下降五到十倍。”。“因此，由平面內(nèi)碳纖維與絕緣聚合物基體以 0.2 W/m-K 的溫度組合而成的復(fù)合材料，在簾布層界面處有損耗，其總體橫向熱導(dǎo)率僅為 0.7 W/m-K。通過添加我們的 PAN 基 ZRT 材料層，我們可以將其提高到 10 W/m-K 左右。”

　　

　　然而，波士頓材料公司也在開發(fā) ZRT 材料，該材料使用瀝青基碳纖維，其纖維內(nèi)熱導(dǎo)率為 600 至 900W/m-K。Gurijala 說：“使用瀝青基 ZRT 材料，復(fù)合材料層壓板的理論橫向電導(dǎo)率可以達(dá)到 250 W/m- K，這超過了鋁的熱導(dǎo)率。”

　　

　　

　　

　　將 ZRT/PPS 薄膜熱成型為復(fù)雜的微凹坑幾何形狀（最小特征尺寸為 0.5 毫米），增加了該板在非金屬熱交換器中的傳熱表面積和效率。

　　

　　通過將 ZRT 材料與熱塑性薄膜相結(jié)合，波士頓材料公司能夠創(chuàng)造出具有類鋁導(dǎo)熱性的復(fù)雜幾何形狀。Murthy 說：“通過我們的 ZRT 熱塑性復(fù)合薄膜，低成本和高容量的熱成型可以用于生產(chǎn)具有非常小結(jié)構(gòu)的非金屬熱交換器板等應(yīng)用，以增加表面積。”。“用其他方法制造這種類型的零件是一個(gè)真正的挑戰(zhàn)，例如用導(dǎo)電模塑化合物注射成型。”這種板用于住宅和商業(yè)供暖/通風(fēng)和制冷（HVAC- heating/ventilation and cooling）系統(tǒng)的熱交換器，以及汽車、航空航天、制造和工業(yè)過程應(yīng)用。“長期以來，金屬一直是人們的首選材料，”他繼續(xù)說道， “但它們很難加工成復(fù)雜的形狀。現(xiàn)在人們要求熱交換器提供更高的傳輸效率、環(huán)境穩(wěn)定性和更低的制造成本。使用導(dǎo)熱復(fù)合材料可以滿足所有這些需求，而且重量更 輕，耐腐蝕。”

　　

　　波士頓材料公司還與一家材料供應(yīng)商合作，推出一種模具預(yù)浸料，通過減少 x、y 和 z 方向熱膨脹率的不匹配，可以更快、更均勻地加熱，從而縮短固化周期，提高尺寸精度。

　　

　　

　　

　BImetaL 將 ZRT 結(jié)構(gòu)芯夾在兩個(gè)金屬板蒙皮之間

　　　

　　

　　雙金屬和未來的應(yīng)用

　　

　　還開發(fā)了新材料，其 ZRT 薄膜作為結(jié)構(gòu)核心，層壓在兩層金屬板之間。Gurijala 說：“雙金屬是一種混合材料，具有與金屬片相同的彎曲性能，但重量降低了 30- 50%。”。“我們?yōu)槠嚭推渌袠I(yè)開發(fā)了這一技術(shù)，在這些行業(yè)，人們對(duì)復(fù)合材料有興趣，因?yàn)樘祭w維的重量輕，但由于碳纖維的成本和復(fù)雜性，采用率低。雙金屬就像中空金屬板，大約 1 毫米厚，與金屬相比具有更好的聲學(xué)和減振性能。”

　　

　　金屬外皮和 z 軸銑削碳纖維之間的電偶腐蝕怎么辦？“這不是問題，”他解釋道，“因?yàn)槲覀冊(cè)?ZRT 薄膜的金屬配合面上使用富含樹脂的層，和/或在頂部使用粘合劑或 TP 薄膜。當(dāng)然，對(duì)于鈦，不需要任何東西，但如果客戶認(rèn)為有必要滿足應(yīng)用要求，我們也可以使用薄的 NOMEX 芳綸纖維或玻璃纖維面紗。”。雙金屬坯料在接近熱塑性聚合物基體熔化溫度的溫度下“溫?zé)?rdquo;沖壓成部件。

　　

　　波士頓材料公司目前正在與消費(fèi)電子、汽車、卡車運(yùn)輸和航空航天領(lǐng)域的七家全球知名制造商合作，尋求本地增強(qiáng)、EMI 屏蔽、雷擊保護(hù)、熱管理和減振的產(chǎn)品資格。資格認(rèn)證預(yù)計(jì)將于 2022 年完成，該公司計(jì)劃宣布更多新的合作伙伴關(guān)系、應(yīng)用程序和產(chǎn)品。

　　

　　Gurijala 說：“關(guān)于 z 軸碳纖維技術(shù)的潛力，我們只是冰山一角。”。“我們的最終目標(biāo)是擴(kuò)大復(fù)合材料市場。”

　　

　　-------------完-------------

　　

　　注：原文見《Z-direction composite properties on an affordable, industrial scale》2021.4.20