A-LFI纤维定向喷涂技术

作者：WERNER A. HUFENBACH ET AL.    来源：KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL杂志

欢迎访问e展厅 展厅 2 复合材料/胶粘剂展厅 阻尼材料, 环氧树脂, 密封胶, 硅胶, 厌氧胶, ... 复合材料-采用长纤维线性注入（A-LFI）加工工艺生产的定向纤维增强复合材料，经过在生产中的检验，充分凸显出其优良的结构受力性能。通过将纤维线性定向层面的进一步改良与调整，更可显著提升这种复合材料的机械性能。 使用可扩张聚氨酯（PU）和无定向长纤维增强材料进行复合材料的生产加工中，可采用标准长纤维注入（LFI）加工技术，这项技术设计的初衷是应用在大型轻量化元件的生产中，旨在节约生产成本。但这里所述的无定向长纤维增强材料，其自身类无向性特性的局限，已经决定了复合加工产品的材料效能相对较低。现在终于涌现出了让人鼓舞的开发成果，如果将纤维增强与力度方向二者相结合，特别是在A-LFI喷涂加工中将无定向纤维进行线性定向，或可扭转这一局面，这样一来便可显著提升轻量化结构的性能。 LFI加工技术的开发初衷是为了实现生产成本节约，与结构反射注塑成型(SRIM)加工技术相比，LFI因其特有的高变性、单一加工工序的优势，能够相对迅速地应用于生产中，支持长纤维增强复合材料生产。正是因为生产中引入了具有这样优势的加工工艺和可扩张PU基底层，生产系统才能够游刃有余地应对大型轻量化结构和智能复合元件生产，目前该生产系统主要适用的产品是汽车和商务机动车内饰和外部。在LFI加工工序中，玻璃纤维先根据设定长度进行切割，随后由排出气流运送至混合端口，与PU基底料一同混合添加进开口模具，这些步骤均由同一道工序一气呵成。在原料混合添加的过程中，纤维长度和玻璃纤维成分含量可以即时进行多样化选择调整。完成喷涂工序和合模之后，玻璃纤维与PU混合物会在密闭型腔中进行固化，同时也会呈现扩张，扩张的具体程度视所采用PU材质不同而会有所差别。 上述步骤加工出的半成品中，切割玻璃纤维呈随机静态分布，且具绝对无定向性，这与喷涂积层工艺加工出的半成品类似。从目前为止的生产适用范围来看，复合材料的这种类无向性可用来避免各向异性产生的影响，而各向异性往往在生产实践中是不可控的。例如，由于加工技术自身固有的原因，LFI工艺产品会比使用钢筋增强网的SRIM工艺呈现相对显著的低纤维定向性。但是局面也有转机，将LFI中涉及的各个技术加工参数，与纤维长度、纤维成分含量等材料参数相结合，便可对复合材料的构成起到主要影响作用（见图1）。 排出气流和振荡气流之间会根据设置的不同而产生不同的混合互动，这会对注入纤维的静态分布起到决定性的影响。批量生产研究结果表明，通过在A-LFI技术系统中调适这两个参数，能够实现定向纤维增强，从而显著提升复合材料性能。 LFI喷涂加工的分析 为了得到更全面深入的评估结论，批量生产研究分析了在A-LFI工艺中，喷涂加工的技术参数（排出气流和振荡气流）对复合材料构成的影响。研究首先聚焦在了纤维和基底层的互动影响，以及排出气流和振荡气流之间互相作用和关联，这与接下来喷涂通路中的纤维/基底层在混合端出口处的混合状况息息相关，此外，研究也会重点关注模具表面的纤维静态分布状况。生产采用的机器人程序中，其他参数（传输速度，混合端在模具上方的悬挂高度，混合端角度）被设置为恒定，而其他参数的多样化被引入了系统中，这以大多数等方性复合材料生产的标准参数设置为开端。研究过程中会使用高速相机对喷涂加工的过程加以记录和分析，随后便可直观评估压缩状态前的纤维静态分布。加工参数对复合材料构成影响的这一项生产研究，在研究中心自己的LFI生产车间内进行（见图2），车间内装配有模具穿梭传输机，以便于在两个不同的操作空间内进行喷涂加工和合模工序。 在首先进行的研究中，排出气流和振荡气流压力的相互影响，具体放在了使用不同纤维长度的条件下进行考量，采用的纤维长度是生产中典型应用的12.5 mm, 25 mm, 50 mm和100 mm。结果正如预期的一样，因为排出气流的压力要明显高过振荡气流，所以使得喷涂圆锥区域相对集中，因而材料释放的范围不会过大，即便偶有存在偏离于喷涂圆锥区域，这种情况也只会发生在非常有限的范围内。同时，可以清楚地观察到，随着纤维长度值减小，纤维便呈现出更活跃的悬浮活动，而长纤维的悬浮在传输通路中则不会被影响得那么明显。 进一步的参数研究还发现，除了排出气流和振动气流作用的因素，振动管嘴及其频率也是玻璃纤维/PU混合分布的主要影响因素。通过在喷涂中进行的直观评估和高速照相机的记录评估，可以准确界定混合参数，这便可实现玻璃纤维在模具中完成静态分布的过程中，能够根据要求呈直线方向(0°)定向（见图3）。 研究进行到了混合步骤之后，便开始了更深入的细节研究，旨在实现对纤维定向的进一步改良工艺。这些参数大致上决定了玻璃纤维的定向状况，也会导致喷涂圆锥范围的缩小，因而也缩小了喷涂轨迹的宽度。但为了确保原材料在模具表面的均匀覆盖，喷涂加工机器人控制器也经过了改良，增加了喷涂轨迹的数量，缩少了轨迹间的重叠部分。 复合材料横截面光显微镜术分析 经过喷涂工序后，可直观评估到的纤维静止分布状况，便已经预示了随后产生的纤维定向是否合格。为了客观评估压缩横截面的纤维定向状况，还需要对平面压缩复合材料的显微图加以分析。评估的样本是根据要求定向的正常线性纤维排列(0°)横截面，以及垂直于这个方向（90°）的线性纤维排列（见图4）。0°方向排列的玻璃细丝呈现圆形横截面，90°方向排列的横截面存在很大程度的扭曲椭圆形，0°方向线性纤维排列的优势所在已经显而易见。 机械性能测试 研究中心采用按特定要求生产的复合材料样本，对样本进行拉伸测试，用以评估纤维定向性对A-LFI工艺复合结构在力度和硬度方面的影响。测试中采用标准参数无定向纤维作为参考板，样本板采用的是在3个不同调整参数作用下的定向纤维样本。样本纤维长度跟在喷涂加工分析中所用的样本一致，采用50 mm和100 mm纤维长度。测试严格依据EN ISO 527-4标准进行，使用型号3测试样本（有边缘条的条状样本）。测试样本的轴方向设为预定定向方向。 测试结果表明，与标准参数样本相比，排出气流和振荡气流调整参数下生产出的复合材料在拉伸强度方面显著胜出，后者的样本也就是Young氏样本模型。图5显示了参考样本与3个调整参数设定的Young氏样本标准性能的比对。技术上要求需排除在整个样本区域材料含量的不同差异，为了符合这一要求，Young氏样本的测试是基于单个测试样本实际玻璃纤维含量确定的基础上的。Young氏样本根据参数的不同设置，其拉伸强度呈现不同数值，纤维长度50 mm的样本可以被拉伸近100%，纤维长度100 mm的样本可以拉伸约50%。 与参考样本相比，通过参数上的调整，纤维定向样本的拉伸强度也可实现显著增强。纤维长度50mm样本通过参数变化3可以增强70%，相比之下，另外两个参数调整样本拉伸强度的提升幅度则没有那么明显。在经过喷涂工序后，纤维的分布呈自然不均一性，这对参考样本的拉伸强度影响较大，而对Young氏样本则不然。纤维长度100mm样本的拉伸强度，最高可增加至50%（见图6）。 结语与展望 批量生产的技术研究结果表明，通过协调设定排出气流和振荡气流的相互作用参数，A-LFI生产加工技术可实现长纤维的定向静态分布。通过将纤维在预定方向上进行定向线性排列，便可进一步显著增强复合材料的机械性能。LFI复合材料的性能优势也因而进一步彰显，因为其不仅在材料和技术相关层面具有较高灵活性（PU基底层、纤维长度、纤维成分含量），对于以负荷导向的复合材料本身而言，也留有巨大的潜力空间。虽然参数的设定可能会带来加工环节的一定局限，针对其影响可能性的进一步研究已经在计划开展。待这一难题得到攻克，便可开发出更加改良完善的解决方案，使得纤维定向的实现不再依赖于上述种种技术加工参数。

文章内容仅供参考 (投稿) (12/26/2012)