第三節　國外新型復合材料創新與制造能力動態

一、美國建立專門的研究所

美國先進復合材料制造業創新研究所將由以田納西大學為首組建的聯盟承擔建設。該聯盟由122名成員（包括57家企業、15所大學及實驗室、14家其他實體、36家聯盟合作成員等）組成，總投資2.59億美元，其中0.7億美元來自聯邦（美國能源部）、1.89億美元來自非聯邦部門。

該研究所將聚焦于碳纖維等先進復合材料的前沿研究，將開發成本更低、速度更快、效率更高的制造和循環工藝。未來十年內，將致力于降低復合材料總制造成本50%，減少能耗75%，提高再循環能力至95%以上。

該研究所將圍繞五大領域分地區開展工作：車輛，風力渦輪機，壓縮氣體儲存，設計、建模和仿真，復合材料及加工技術。

二、美國開發新型復合材料構件自動化檢測系統

美國國家國防制造與加工中心（NCDMM）與英格索爾機床公司以及領先軍工企業Orbital ATK公司聯合宣布，完成美國國防部制造科學與技術（DMS&T）計劃資助的三年科研項目的第一期，為美國空軍研究實驗室（AFRL）成功開發出新型復合材料構件自動檢測系統（ACSIS）。該系統在檢測通過自動絲束鋪放（AFP）設備生產的不同形狀飛機零部件的缺陷時，缺陷檢出率可高達99.7%。

自動絲束鋪放是一種可重復的、具有良好成本效益的復合材料構件成型手段，廣泛應用于航空航天領域。雖然自動絲束鋪放設備是以在成型過程中實現合適的絲束鋪放為目標進行設計和編程的，但復合材料生產過程中固有的一些潛在問題仍可能發生。但當前自動絲束鋪放的缺陷檢測仍主要采用人工，不僅費時、費力，而且缺陷檢出率不高。

一直以來，工業界圍繞缺陷自動檢測系統開發進行了諸多嘗試，但從未實現如此高的缺陷檢出率。這套新型自動檢測系統的成功研制代表了一次重大進步。利用這套系統可實現復合材料構件成型過程的實時檢測，隨時提醒操作人員，且可在制造過程中進行修復。所開發的系統還包括電子數據庫系統，可實現以電子化的方式記錄相關數據，對缺陷進行跟蹤。

2015年春，在OrbitalATK公司的F-35聯合攻擊戰斗機發動機艙的生產環境中對這套復合材料構件自動檢測系統進行了驗證，并與手動檢測過程進行了對比測試，主要包括絲束丟失或扭絞、絲束間的縫隙、不準確的絲束鋪放、起皺或黏結、異物和碎片等缺陷的識別。8周后，該自動檢測系統共檢查54層帶料，得出缺陷檢出率為98.4%～99.7%，誤檢率為0.1%～0.2%，對于生產環境而言，這兩個比率均在可接受的范圍內?？梢宰C明，該復合材料構件自動檢測系統具備高可靠的缺陷檢測能力，這也將有助于提高自動絲束鋪放生產效率。

三、Chem Polymer推出一種新型玻纖增強聚酰胺6復合材料

Teknor Apex公司旗下的ChemPolymer于近日宣布推出一種新型的25%玻纖增強聚酰胺6復合材料Chemlon，為注塑成型加工廠商提供了一種可取代含鹵素阻燃（FR）材料并符合嚴格阻燃要求的材料。

該材料在厚度不小于0.8mm時，UL94阻燃性能為V0級。該材料的相對漏電起痕指數為600V，比同類含鹵素（一般是含溴）阻燃材料高一倍以上，具有出色的電氣性能，可用于汽車、住宅和家用電器，例如卡鉤式外殼、斷路器、充電器外殼和安全開關。另外，這種新型材料的密度降低了14%，制成的部件更輕。

公司技術經理RichardBarnes指出，這種阻燃材料目前只有黑色配方獲得了UL的認可，預計其著色性能會遠遠超過含溴阻燃材料和基于紅磷的不含鹵阻燃材料。通常情況下，這些材料只有黑色的才符合規格要求。Barnes說：“長期以來，相比起含溴的阻燃材料，不含鹵素的阻燃材料比較難以使用玻纖作為填充材料，因此不含鹵素的聚酰胺相對較少，北美市場就更少。對于尋求開拓世界阻燃性零配件市場的廠商，我們的新型Chemlon材料提供了一種性能更好的替代材料?！?/p>

Chemlon現已投入商業應用，用于制造車輛發動機的空氣過濾器外殼。

四、AGY新型PCB用玻璃纖維

為應對高速數字電子器件的迅速發展，美國AGY公司近日推出一種用于印制電路板（PCB）的低損耗玻璃纖維——L玻璃纖維。這種玻璃纖維的介電常數和損耗因數都很低，故極適用于要求比E玻璃/環氧材料更高信號速度和信號完整性的電路板。

具有低介電常數和低損耗因數的基體材料已成為高速數字體系如移動通信基站、高端路由器和服務器、高速存儲網絡的核心條件。隨著這些體系的高速化，必須使用低損耗的基體材料來保證信號速度和信號完整性。

在10GHz頻率下，L玻璃纖維的介電常數為4.86、損耗因數為0.0050，而E玻璃纖維的介電常數為6.81、損耗因數為0.0060，因此L玻璃纖維的低損耗性能使其成為高信號速度作業的理想材料。此外，L玻璃纖維的熱膨脹系數為3.9×10-6℃-1，而E玻璃纖維的熱膨脹系數為5.4×10-6℃-1，這使得L玻璃纖維成為IC封裝基板的佳選。因為在此用途中如果玻璃纖維的熱膨脹系數與硅的不適配，會因熱環境致使電路板產生缺陷。

AGY的L玻璃纖維紗將以多種紗線密度規格供應，它們可按106、1080、2113/2313和2116織物牌號織造低損耗的玻璃布。另外，根據市場需要，還可生產更多規格的紗線。

五、Fiber SIM 5.5增強復合材料制造能力

Vistagy宣布推出復合材料工程軟件Fiber SIM 5.5 最新版本。Fiber SIM和商業化CAD系統整合在一起，為航天、高性能汽車、船舶、F1賽車和風能工業設計制造復合材料部件和組件。

新推出的軟件有一些改進的工具，用于解決在使用纖維鋪放技術時所遇到的問題。早期確認過程所需最短時間將有助于使產品開發周期更加順暢。該版本還將擴大支持服務，有更多的分析包，向客戶提供分析師、設計人員，是下游制造業之間傳遞重要信息的渠道。

隨著Fiber SIM5.5的發布，設計人員將使用一種增加生產率的引擎，它將提高速度，減少整個設計模擬時間。同樣將有一個像電子表格一樣的界面，提高設計人員編輯區域積層技術說明和鋪層次序的能力。其他改進的地方包括使用顏色把不同積層的技術要求可視化，提高設計部件的能力等。

六、RTM用樹脂及其注射設備

美國3M公司最近開發出一種新的單組分RTM專用環氧樹脂PR500。該樹脂比常用的RTM環氧樹脂有較高的力學性能，并且有較長的室溫貯存期。由于它的交聯密度較低，因此玻璃化轉變溫度較高，屬于耐久性樹脂之一。由于該樹脂吸濕性較小，因而可在熱濕狀態下成型。固化樹脂的抗彎模量為3496MPa，短臂剪切強度為83～90MPa，高于常用RTM樹脂的剪切強度62～69MPa。

PR500樹脂在室溫下呈團糊狀，在160℃溫度下黏度急劇下降，與水樣相接近，可供RTM設備注射使用。該樹脂的固化溫度和時間為180℃，2h。溫度因素對交聯密度的影響比壓力因素更甚。該樹脂室溫下的貯存期為6個月。PR500樹脂特別適用于生產復雜的飛機零部件，例如螺旋槳葉片，噴氣引擎門，引擎葉片罩等。

目前，PR500已應用于ATR42/72運輸機的螺旋槳葉片，這是由美國葉片制造商哈密爾頓標準件公司和法國RatierFigeac公司共同合作完成的。另悉，美國Graco公司，已為PR500樹脂生產了RTM專用泵。

該公司為適應使用3M公司的PR500RTM樹脂，專門設計了一種新型的RTM注射成型機。該設備的特點，是加熱系統設計安置在樹脂貯存器的后面，這樣可以縮短預注射加熱浸漬而后壓入樹脂容器所需的時間。該設備的氣動泵位于機器的上端，并設有一個電熱平臺。由于PR500樹脂在室溫下的黏度較高，且難以控制，因此該設備采用在平板上進行注射，再經過電加熱室后，才進入模具之中。

由于貯存器內的環氧樹脂并沒有被加熱，因而完成注射過程后樹脂不會固化，其回流部分還可以被再利用。該機器的PR500設計注入量為4.45L樹脂，足以制造飛機上用玻璃鋼部件。當注射溫度和壓力超過某一限度時，該機器將自行關閉，并進行自動調整。

當超過預先設定的溫度極限時，自控線路的傳感器將自動關閉。生產時的設定溫度，一般為82℃，還可以根據用戶需要進行調整?？刂破辽系挠涗浹b置，可同時顯示出平板上和模塑室內的溫度數值。設備預設壓力為2.8MPa，也可以隨用戶的需要而改變。當超過極限壓力時，泵機將自動關閉。其最大注射壓力為5.9MPa，在72℃溫度下，最大的瞬時流速和連續流速，分別為340g/s和54g/s。

七、超輕碳纖維復合材料制備一體式設計自行車

據悉，世界上第一臺真正意義上的一體式設計自行車于2016年問世，其框架采用了超輕碳纖維復合材料。眾籌平臺Kickstarter上線了這款沒有輪轂和輻條的智能自行車（如圖1-2）。

該智能自行車乍一看頗有點像《創光速戰記》里面的LightCycle光輪，它有個十分高端上檔次的名字——Cyclotron（回旋加速器）。

這款自行車裝備了自充電電池、無輪轂車輪、非充氣輪胎、自動光傳感器等，更重要的是，它的框架使用的是超輕碳纖維復合材料，整車不含腳踏的重量在11.5kg左右。車身搭載兩個無輻條空心輪胎，外圍是一圈由固體聚合物制成的輪圈，帶有強烈的未來氣息。

據該公司在眾籌頁面的介紹，為了達到超輕復合材料結構，他們在中央超輕核結構外包裹兩層碳纖維，如此可以使用更少的碳纖維和樹脂，同時也不降低穩定性。設計者聲稱這款自行車上已經擁有超過15項科技專利了。

八、制造聚氨酯復合材料的纖維復合噴射技術

德國克勞斯瑪菲公司制造聚氨酯復合材料的FCS（纖維復合噴射）技術是一種新穎的解決方案。它面向大型纖維復合材料制品市場。典型應用是用于制造一般用途車輛（如公共汽車、拖拉機等）的車身部件和卡車的導風板、駕駛室等。在建筑和基礎設施行業中也有很多潛在市場。

1.復合噴射技術工藝

把連續的玻璃纖維無捻粗紗喂入切割機，切成規定長度，同時聚氨酯組分在混合頭中混合，通過專用噴嘴送出。被切短的玻璃纖維被噴入一噴射器，在此被聚氨酯混合料浸漬。形成的玻璃纖維增強聚氨酯配混料按照預定的鋪層構型逐層噴覆在模具上。

纖維含量和纖維長度可經調節來適配產品要求，也可指定一些不含玻璃纖維的噴射層。例如，在配用模內涂飾工藝的時候，這兩種工藝的結合可在一道工序中做成高光澤的表面。不含玻璃纖維的噴射層可防止纖維與涂層接觸，從而形成無瑕疵的表面。

2.同軸噴射可提高設計自由度

在第一代FCS系統中，切割機就位于混合頭旁邊，切短的玻璃纖維從側部滑落到一流槽中，進入噴射器。該系統有一些缺點：其一是敞開的流槽引起的飛絲問題；其二是噴射方向只能垂直向下。因此第一代系統不適合生產具有復雜三維形狀的制件。

為此，克勞斯瑪菲公司完全重新設計了玻璃纖維到達混合頭的方式。這種第二代系統更靈活，更清潔。纖維通過文丘里噴嘴和一密閉管同軸進入噴射器，這就可使噴射器擺動運行，最大可擺動90°，把玻璃纖維與聚氨酯的配混料噴射到豎直面上。這為設計人員提供了很大的設計自由度。

密閉的喂料系統盡量減少了飛絲，同時纖維能被聚氨酯均勻浸漬。同軸喂纖還意味著切割機不必緊靠混合頭，這使操作人員到達混合頭更加方便。

3.四組分混合頭拓寬用料范圍

FCS工藝中采用的四組分混合頭提供了選用多種材料的可能性。例如，選擇不同的多元醇（最多達3種），就可在同一產品中兼容致密層和泡沫層。泡沫層可減輕產品重量，還可改善聲學性能。另一變異方法是使用兩種不同的多元醇和兩種異氰酸酯。換句話說，該系統可做成兩種完全不同的聚氨酯體系，例如產品外層是用聚氨酯制成的耐紫外線皮層，而內層則是普通的聚氨酯。