歐美樹脂基復(fù)合材料近況 （三）

高翔宇

1 環(huán)氧樹脂復(fù)合材料原材料、半成品

1.1 尖端模型、模具制造用原材料

1.1.1 板材、液體材料

RAMPF Composite Solution公司是全球業(yè)界頂級研制宇航和醫(yī)療領(lǐng)域復(fù)合材料制品的公司，其采用尖端技術(shù)——高壓釜外真空樹脂傳遞模塑工藝、樹脂灌注和增值組件，將先進碳纖維（CF）、玻璃纖維（GF）復(fù)合材料制成優(yōu)異制品（如機械加工公差極微小的制品）。該公司研發(fā)用于尖端模型和模具制造的板材和液體材料，如用于“閉合輪廓模型和模具”的糊料（膏）、大容量全規(guī)格澆鑄件、原型系統(tǒng)等。

1.1.2 半成品組合、氰酸酯樹脂系統(tǒng)

上述公司研發(fā)用于生產(chǎn)模型、模具、復(fù)合材料構(gòu)件的環(huán)氧、聚氨酯系統(tǒng)組成的廣泛、現(xiàn)代、平衡的半成品或產(chǎn)品組合，其適用的成型工藝很多，成型溫度寬泛；可確保加工成輕質(zhì)且性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。RAKU FST牌氰酸酯樹脂系統(tǒng)的黏度低、機械性能優(yōu)異，阻燃性、阻煙性和毒性符合頂級宇航制造的要求，已獲多個原始代工（OEM）平臺認證，它可灌注成型于民用飛機的二次結(jié)構(gòu)，如飛機內(nèi)飾件、門、隔間、排氣系統(tǒng)構(gòu)件等。

1.2 轎車用混雜材料

Sabic公司利用混雜材料（包括連續(xù)纖維增強熱塑性塑料復(fù)合材料、UDMAX GPP45—70編織帶）研制成轎車的側(cè)門。嗣后，發(fā)布了其有效使用期評估：它可改善轎車嚴格的能源消耗和尾氣排放規(guī)則。就導(dǎo)致全球氣溫變暖的潛力和積累能源需求而言，連續(xù)纖維增強聚丙烯（GF/PP）制轎車側(cè)門優(yōu)于金屬（鋼、鋁、鎂）制轎車側(cè)門，與后者相比其質(zhì)量輕，強度和耐腐蝕性更強，生產(chǎn)效率（當采用注射模塑工藝時）更高。

當采用ISO14040/44標準進行評估時，連續(xù)玻璃纖維/UDMAX GPP45—70編織帶/熱塑性樹脂基材注射模塑成型的轎車側(cè)門的性能，幾乎與金屬制轎車側(cè)門相當。把UDMAX GPP45—70編織帶摻和到層壓板里，然后二次模壓到STAMAM牌連續(xù)纖維增強聚丙烯層壓板的兩側(cè)邊，進而制成轎車側(cè)門。轎車的運行參數(shù)是以3種汽車動力傳動系統(tǒng)（無匹配內(nèi)燃系統(tǒng)、插電式混合動力系統(tǒng)和電動系統(tǒng)）為基礎(chǔ)的。按照新歐洲駕駛循環(huán)計算，混雜材料制轎車側(cè)門的有效行駛總路程超過20萬km。

內(nèi)燃機轎車的熱塑性復(fù)合材料側(cè)門的生產(chǎn)也將增加全球氣溫變暖的風(fēng)險，比3種金屬制側(cè)門低：比鋼側(cè)門低26%，鋁側(cè)門低21%，鎂側(cè)門低27%。這些數(shù)據(jù)與插電式混合動力和電動系統(tǒng)轎車側(cè)門稍微不同。就積累能源需求而言，轎車的熱塑性復(fù)合材料制側(cè)門也比3種金屬制側(cè)門低：比鋼側(cè)門低10%，鋁側(cè)門低13%，鎂側(cè)門低26%。一些國家（如中國、日本、部分歐盟國家）已宣布即將加強汽車尾氣排放控制。總之，汽車材料迫切需求不犧牲制品性能，卻能減輕制品質(zhì)量的新穎先進材料。

1.3 汽車、風(fēng)電機葉片用預(yù)浸料和掛車地板

德國Hexcel公司推出用于制造運動型多用途汽車（SUV）、貨車、有蓬貨車的懸掛系統(tǒng)板簧的預(yù)浸料。與鋼制板簧相比，預(yù)浸料制板簧具有明顯優(yōu)點：質(zhì)量輕（最多減輕70%）、耐腐蝕性高、乘坐舒適性更佳。與其他復(fù)合材料制板簧相比，預(yù)浸料制板簧的固化時間少50%、機械性能高15%、耐熱性能更優(yōu)異。該公司還推出用于風(fēng)電機葉片和其他巨型構(gòu)件的表面精加工預(yù)浸料。它可應(yīng)時涂敷、表面處理，模具不需要模內(nèi)涂層、效率高、成本低、韌性高且耐用。

該公司把Polyspeed牌玻纖/樹脂層壓板與新穎卡車掛車木地板相結(jié)合，從而制成了Fusion Floors牌卡車掛車地板。它的優(yōu)點是：節(jié)省燃油耗量、提高地板載荷率和延長掛車的有效使用期。此外，該公司還推出用于研發(fā)新的HeMax無褶皺織物模擬技術(shù)。它將昂貴的實驗程序的需求壓縮到最低限度。該公司還將展示模擬技術(shù)的最終構(gòu)件+二維平面織物加強件。

1.4 造船用半成品組合、預(yù)加固網(wǎng)點印刷膠粘增強材料

德國Hexcel公司推出造船用材料（如制造船殼、甲板、桅桿等），例如：①半成品組合——含有獲得挪威檢測標準（DNV）和德國檢測標準（GL）認可的預(yù)浸料、紡織纖維和多軸織物；②HiMax牌預(yù)加固網(wǎng)點印刷膠粘增強材料用于灌注成型工藝準備期間手糊多層織物，注射樹脂以前不需要噴射粘接劑，簡單地展開就可提供最佳粘接性能，適用于模具或芯材層。其優(yōu)點有：樹脂流動性好；污染風(fēng)險低和減輕質(zhì)量。該公司還推出Polyspeed牌預(yù)固化拉擠層壓技術(shù)。它是下述制品的低成本增強技術(shù)：耐腐蝕性好、耐用性好、剪切強度高、質(zhì)量管理性能好的大規(guī)模復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制品——單向CF/聚氨酯的連續(xù)橫斷面型材（便于運輸和保存）的制品。其優(yōu)點是：完美的纖維排列和始終如一的高機械性能、優(yōu)異的剛度—重量比率、高斷裂韌性和高剪切強度。

2 技術(shù)、生產(chǎn)設(shè)備、制品

2.1 拉擠成型工藝

2.1.1 最大型強子對撞機的碳纖維/環(huán)氧樹脂制粒子加速器

全球最大型強子對撞機（LHC）位于瑞士日內(nèi)瓦的一條長27km的地下圓形隧道（見圖1），是歐洲核子研究組織（CERN）研制的。LHC里的拉擠成型碳纖維復(fù)合材料（CFRP）粒子加速器是Exel Composites公司（全球第二碳纖維制造商）研制的。作為LHC的緊湊緲子線圈探測器（CMS）的粒子牽引車的支撐結(jié)構(gòu)，是在極端挑戰(zhàn)、惡劣環(huán)境中必須嚴格滿足的尺寸公差的拉擠成型制品。為了提高粒子沿軌跡運行的能量，LHC是由具有許多長27km的加速結(jié)構(gòu)、環(huán)形超導(dǎo)磁體組成。加速器里的2束高能質(zhì)子梁以接近光速的速度傳輸粒子。然后質(zhì)子梁才在相反方向環(huán)繞著其環(huán)形體上的4個點上相撞。CMS是位于4個相撞點中的1個點上，利用硅跟蹤儀（硅跟蹤儀由排列于12個同心層的環(huán)繞著7.5億個單電子傳感器通道組成。）記錄粒子所走過的路徑。為了盡可能地減少對粒子的干擾，硅跟蹤儀需要精準、輕巧地記錄粒子的運行軌跡。長21m的CMS起著高速、超巨型照相機作用，以最快4億次/s的速度，對粒子撞擊場景進行三維（3D）抓拍（見圖2）。

Exel Composites公司制造了688個支撐硅跟蹤儀模塊的結(jié)構(gòu)件的一部分，例如：2個長1.2m、壁厚0.7mm的Exel碳纖維/環(huán)氧樹脂U形型材和L形橫梁，從而構(gòu)成CMS模塊（安置在小隔間里）。此外CMS還提供了檢測所需的輕質(zhì)、輻射透明性。下述情況很關(guān)鍵：Exel Composites公司制造的型材必須在規(guī)格尺寸和平直度以及在CMS里遭受的低溫環(huán)境里維持所有機械性能，都能滿足非常嚴格的公差要求。為了提供制品所需的高剛度、高熱穩(wěn)定性，型材選用高模量單向CF。為了便于加工選用薄表面玻纖紗。然后，為確保結(jié)構(gòu)尺寸公差±0.05mm，所有構(gòu)件和固定件都必須在裝配架里邊進行粘接、裝配。上述復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的要求很具挑戰(zhàn)性。Exel Composites公司研發(fā)的薄壁CF/環(huán)氧樹脂U形型材的技術(shù)很先進、經(jīng)濟效益好（如降低CF消耗量）。

2.1.2 拉擠成型復(fù)合材料智能電線桿

芬蘭Pultrusion公司所屬Excel Composites分公司研制成用于5G工程的復(fù)合材料層壓板。5G工程的目的是為各公司與用戶之間借助于智能電線桿網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)造廣袤的信息量。該公司與伙伴公司合作研制成復(fù)合材料智能電線桿：采用連續(xù)玻纖、聚氨酯樹脂拉擠成型電線桿。對電線桿的材料（層壓板或型材）的要求是：①使5G毫米波穿過該材料的損耗值最小——如同該電波穿過電桿壁的損耗值一樣；②易于安裝；③電桿的有效服務(wù)期長（長于鐵桿、木桿）。該電桿的功能是提供電線桿、建筑鑄件、氣候防護和5G天線罩的共同功效，為廣大居民提供了理想的無線通訊和照明（見圖3）。

2.2 纏繞成型工藝

2.2.1 氫氣儲罐的纏繞工藝

德國R o t h C o m p o s i t e Machinery公司研發(fā)纖維纏繞、預(yù)浸料、有機片材的生產(chǎn)設(shè)備（包括：①纖維纏繞、預(yù)浸料的生產(chǎn)設(shè)備；②編織、涂層的生產(chǎn)設(shè)備；③刷子和掃帚的生產(chǎn)設(shè)備）。設(shè)備的特點是：安裝期短、可選用各種纖維——從簡單的玻纖到著色的、高強纖維。正試驗的纖維纏繞機的重量達120t，具有3個牽引托架（俗稱：小車）。該公司正研制極精準、高效加工氫氣儲罐的生產(chǎn)線（見圖5）。

2.2.2 纏繞成型玻璃鋼（FRP）管

荷蘭馬斯特里赫特市新高速公路的多層公路隧道里，原設(shè)計的消防水網(wǎng)絡(luò)的水管都是不銹鋼管。施工過程中發(fā)現(xiàn)：消防水網(wǎng)絡(luò)的鋼管成本太高；鋼管焊接部位腐蝕坑的腐蝕風(fēng)險大；鋼管的原材料供應(yīng)短缺，延誤工期。于是果斷決定改為玻璃鋼管：管的直徑125mm，管網(wǎng)總長度4.2km（見圖5）。FRP管選用Aliancys公司的Atlac牌樹脂為粘接基材，玻纖做增強材料纏繞成型FRP管。

2.3 高壓纖維浸漬技術(shù)

Sabic公司采用高壓纖維浸漬技術(shù)——使纖維（如：GF、CF）與熱塑性粘接基材高效浸漬、復(fù)合，導(dǎo)致連續(xù)纖維具有富樹脂表面層、氣泡最少、斷頭最少。一個纖維帶卷筒里的連續(xù)纖維/熱塑性粘接基材帶的長度達4 000m。利用該技術(shù)研制成加工水（氣、油）管、罐的UDMAX GPE45-70牌玻璃纖維/高密度PE（聚乙烯）帶。

2.4 編織帶的纏繞工藝和鋪敷技術(shù)

德國Conbility GmbH和Frauhhofer IPT公司合作研發(fā)編織帶的纏繞工藝和鋪敷技術(shù)。新的PrePro二維鋪敷機由圍繞著應(yīng)用站的旋轉(zhuǎn)桌和移動桌組成，它可把注射工藝連續(xù)熱成型或增韌結(jié)構(gòu)的單向?qū)訅喊遄詣愉伔罂p制帶（見圖6）。應(yīng)用站安裝著單線軸或多線軸。原位凝固成型工藝具有9kW紅外線固化區(qū)。三維鋪敷機用于激光輔助熱塑性帶鋪敷、紅外線固化輔助熱固性預(yù)浸料鋪敷和干纖維鋪敷。

2.5 復(fù)合材料固化用智能加熱設(shè)備

傳統(tǒng)復(fù)合材料制品固化工藝：將坯料投入高壓釜里，經(jīng)受高溫、高壓最終固化成制品。高壓釜是固化生產(chǎn)線的瓶頸。解決的策略是：縮短制品的生產(chǎn)周期、降低能耗和成本。英國蘇格蘭Spirit AeroSystem公司屬下 Advanced Technology Center與某大學(xué)合作，研發(fā)復(fù)合材料固化用智能加熱設(shè)備。其原理是：借助于實時監(jiān)控和反饋，從而控制固化過程。與復(fù)合材料固化的傳統(tǒng)加熱設(shè)備相比，其優(yōu)點有：①其固化周期與制品的幾何形狀相匹配，傳統(tǒng)加熱設(shè)備中二者則不匹配；②傳統(tǒng)固化溫度高，巨型構(gòu)件的固化周期達數(shù)小時，新設(shè)備的固化速度快40%；③新設(shè)備的固化成本降低5%；④新固化技術(shù)是多個具有智能加熱設(shè)備的加熱區(qū)取代高壓釜；⑤新設(shè)備的固化構(gòu)件的規(guī)格幾乎不受限制，巨型構(gòu)件很多：從風(fēng)電機葉片到下一代復(fù)合材料飛機機身等。世界最大的高壓釜支持Spirit公司的復(fù)合材料飛機機身的營業(yè)（見圖7）。

2.6樹脂注射工藝的多層真空微孔通道技術(shù)

Solvay 公司研制成用于樹脂注射工藝的Vac-Ply VMS3牌多層真空微孔通道。在樹脂注射工藝過程中，該通道可最大限度排除樹脂里的空氣，改善樹脂對纖維的浸漬性能，從而杜絕層壓板里呈現(xiàn)“白點”——纖維未浸漬樹脂的現(xiàn)象。樹脂注射工藝中復(fù)合材料巨型構(gòu)件，如：船殼、風(fēng)電機葉片客觀要求長距離真空通道，方可圓滿完成樹脂注射、樹脂浸漬任務(wù)。Vac-Ply VMS3牌多層真空微孔通道的優(yōu)點：可減少層壓板表面透見的層壓板層內(nèi)瑕疵，改善纖維與樹脂之間的線性粘接線，使制品的結(jié)構(gòu)更薄等。

3 結(jié)語

綜上所述，可粗淺地得出以下幾點管見。

拉擠成型碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在LHC結(jié)構(gòu)中起著頂梁柱作用。其破天荒的顯著特點是：①規(guī)格超長大，加工公差卻極微小，如：長21m的緊湊緲子線圈探測器（CMS）、27km超導(dǎo)磁環(huán)形體；長1.2m、壁厚0.7mm的U形型材和L形橫梁；確保結(jié)構(gòu)尺寸公差±0.05mm；②在惡劣環(huán)境、極端挑戰(zhàn)中型材的規(guī)格尺寸和平直度上，都必須嚴格滿足尺寸公差要求；在CMS中遭受的低溫環(huán)境里確保維持所有機械性能，滿足非常嚴格的公差要求；型材選用高模量單向CF（提高強度）、薄表面玻纖紗（便于加工）；為了確保制品的高剛度、高熱穩(wěn)定性，確保結(jié)構(gòu)尺寸公差±0.05mm，所有構(gòu)件和固定件都必須在裝配架里邊進行粘接、裝配。

LHC里邊主要的拉擠成型碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制關(guān)鍵構(gòu)件有：①LHC是由具有許多長27km的加速結(jié)構(gòu)、環(huán)形超導(dǎo)磁體組成；②做為LHC的緊湊緲子線圈探測器（CMS）的粒子牽引車的支撐結(jié)構(gòu)；③688個支撐硅跟蹤儀模塊的結(jié)構(gòu)件，例如：2個長1.2m、壁厚0.7mm的碳纖維/環(huán)氧樹脂U形型材和L形橫梁。

全球最大型強子對撞機（LHC）不失為基礎(chǔ)研究的無可替代的關(guān)鍵利器、金睛慧眼！且看：當代物理學(xué)理論認為，4種基本力（引力、磁力、強核力和弱核力）支配著宇宙中所有物理和粒子相互作用的動力、方式。如今美國、日本科學(xué)家在LHC里進行粒子物理學(xué)實驗過程中，竟然發(fā)現(xiàn)了“第五種力”存在證據(jù)——μ子g-2因子。這是當代世界的一次偉大發(fā)現(xiàn)，就世界力的探索成就而言，這一發(fā)現(xiàn)（雖然尚未最終確認）具有劃時代意義而將載入史冊。

10.19599/j.issn.1008-892x.2022.02.005