碳纤维2021.

波士顿材料(Billerica, Mass., U.S.) was formed in 2016 by Anvesh Gurijala, Michael Segal and Dr. Randall Erb as a spin-out from Northeastern University (Boston, Mass., U.S.) to commercialize a patented magnetic alignment process that enables milled carbon fibers to be oriented vertically into a sheet using a roll-to-roll process. “These film-like materials look like velour or velvet thanks to the vertical fibers,” says Boston Materials chief commercial officer, Kedar Murthy. With a length of 0.05 to 0.2 millimeters, milled carbon fibers are an interesting solution, providing macro-scale benefits without the production, cost and health/safety issues of nanomaterials. They also provide an outlet for the growing amount of available reclaimed/recycled carbon fiber, which costs significantly less than virgin fiber and imparts desperately needed circularity for the composites market.

波士顿材料现已扩大了他们的过程,每年生产80万平方米的60英寸材料,适用于不断增长的产品系列:

波士顿材料产品时间表
  • 超级筹例- Z轴碳纤维薄膜层压成标准编织
    和UD预浸料和干强化,于2019年推出,用于工具,滑雪板,滑雪板,反射盘和工业应用;
  • ZRT- 热塑性薄膜和热固性预浸料对于热/电导率和局部加固,在2020年推出并被评估为消费电子和汽车应用的2年开发周期的一部分;
  • 双金属- Z轴碳纤维膜夹在金属板皮肤之间,提供性能平价,其单片金属贴金属高于50%的重量,旨在为汽车应用中的印章成型的钣金零件。

航空航天也是一个关键目标,包括雷击防护(LSP)的整合,增加分层电阻和减振,以及局部加固,具有例如促进紧固件拉出强度的能力50%。然而,航空航天素质通常是更长的过程,因此,非航空航天目标首先被商业化。

Z光纤的历史技术

带玻璃纤维的茶杯插入核心

SAERfoam的特点是玻璃纤维穿过核心。图片来源:SAERTEX

利用z轴纤维提高复合材料层间剪切强度(ILSS)、平面外刚度(横向模量)、抗冲击能力和粘接性能的想法并不新鲜。几十年来,造船商在核心粘接腻子中使用磨碎的玻璃纤维来增加粘接强度,磨碎的纤维通过将一半粘到腻子中,一半粘到泡沫芯的开放孔中,提供了一种止裂机制。Saertex.(德国Saerbeck公司)则更进一步,将切割的玻璃纤维插入SAERfoam产品的泡沫芯中,一旦注入树脂,就可以将有芯的压合面部粘合在一起。

特耐耐拉挤夹芯板

创意草图陆龙草图拉挤夹层面板采用Z轴加固。

由Aztec的(沃尔瑟姆,质量,美国)的商业化的Z-Pinning已经在20世纪80年代进行了固化的Z-Fiber产品,因此由包括航空发动机制造商,空中客车和美国军队在内的众多组织进行了研究和开发。该技术将预固化的碳纤维增强聚合物(CFRP)销(通常为1毫米直径为1毫米,进入未固化的预浸料坯叠层。然而,引脚插入是另外的步骤,并且从未证明过Z轴纤维含量达到30-50%的Z轴纤维含量的方法。

开发了3D编织以实现相同的目标。它被使用奥尔巴尼工程复合材料(罗切斯特,NH,美国)生产通过树脂变换成型(RTM)转化为转换成的复杂预制件CFRP风扇刀片用于Leap Aeroengine。虽然它是有效的,3D编织仍然是,通常,既不是快速也不是廉价的过程提供z轴加强。

Nawa Technologies获取N12 Nanutitch

在几何刻度的另一端是由N12技术开发的NaNOSTICH,现在获取Nawa Technologies在层压层之间的层间区域使用垂直排列的碳纳米管(CNTs),将ILSS提高了10-30%(见“分层结束?”)。尽管N12广泛的商品承诺改进了具有当前复合过程的辍学解决方案的特性,但由于垂直对齐的CNT的新生技术,成本和可扩展性是出现的。

下降解决方案可扩展性

“3D编织,Z-PINNING和拼接都需要额外的步骤和劳动力,”穆尔蒂。“我们希望一种可以轻松地将其作为已经使用的过程和材料集成的材料。我们的Zrt产品处理如粘合剂膜或单向预浸料坯,但在z方向上提供刚度和电导率,利用所得复合材料的性质在新方向上。“

超级COMP层压过程

层压工艺使超级纤维产品结合ZRT薄膜和连续纤维增强。照片来源:Boston Materials

“我们材料的另一个差异是可扩展性,”波士顿材料首席执行官Anvesh Gurijala解释说。“我们正在使用60英寸的滚动过程,类似于造纸。将研磨的纤维分散在水中,计量到PET载体膜上,然后进行磁场以使Z轴上的纤维对准。“他指出碳纤维不是磁性的,所以这种对齐是技巧。然后蒸发水,将干燥的Zrt材料留在载体的顶部。所以,这是不是生长碳纳米管,而且成本效益高得多。与纳米材料相比,它的技术风险要小得多,也没有危险的化学物质、溶剂或颗粒——这是一个生态友好的过程。”

ZRT卷货物也是如此过程-友谊赛。“它们可以用干燥或预先缩短,”穆尔蒂说。“您可以将产品粘在磁带中并用它用于绕组或干燥预制件进行RTM。我们的材料很容易集成到胶带铺设过程中;不需要次要步骤。易于从载体膜中除去ZRT材料,没有纳米纤维或研磨纤维的释放。“ZRT材料还提供高表面积,导致涂料或涂料良好的粘合。“因为我们正在使用回收的碳纤维,”注意Gurijala“,我们可以与持续的处女纤维具有成本竞争力。”

Gurijala说,使用SUPERCOMP和ZRT材料实际上有成本效益。“通过添加ZRT材料层,我们可以保留传统CFRP层合板的关键面内性能,同时替换多达50%的连续纤维。通过设计ZRT材料的层压板标准CFRP材料,我们可以维持面内的性能并增加面外性质,同时减少多达50%所需的肤质数量。因此,我们正在提供经济和辍学的解决方案,但也是增强功能。“

附加功能

通过定向碳纤维外平面外,波士顿材料通过层压厚度克服复合材料的电导率的传统局限性。“我们正在展示与铝合金竞争的热和导电性,”Gurijala说。“我们正在达到纳米纤维,镍面纱和膨胀金属箔的性能平价,用于EMI和雷击​​保护,但具有改善的成本和可加工性。例如,由于我们的产品是碳纤维而不是金属,因此它们不需要绝缘,以防止用碳纤维层压材料进行电抗腐蚀。暴露于水分,化学品等方面没有腐蚀。

雷击保护

初始雷击测试已经显示出ZRT薄膜为CFRP面板提供有效LSP的能力。下面的照片在左侧显示,左侧包含五层编织碳纤维的参考层压板,在右侧和右侧的相同层压板,但是用ZRT表面膜。该测试由Vipin Kumar博士进行,他是橡树岭国家实验室(Knoxville,TN)的雷击危机危险专家。“损害的减少非常清楚,”Kumar博士说。“这种ZRT是用PAN纤维制成的,但由于其导电性较高,我们预计使用沥青纤维更好的结果。”波士顿材料从美国航空部队致敬,以进一步开发这种方法,即将采用传统飞机和即将到来的EVTOL车辆。

波士顿材料ZRT堆焊膜的雷击测试

参考碳纤维复合层压板(剩下)和具有Zrt堆积膜的层压板(正确的)。照片学分:瓦宾库马尔博士,橡树岭国家实验室

紧固件拉出

使用ZRT层之内CFRP层压板已用于帮助抵抗层之间的分层并减少金属紧固件的剥离。Eclipse Composites Engineering(盐湖城,犹他州,美国)正在努力改进初级故障由于剪切和横向张力而剥离金属凸耳的组件。“我们与Eclipse合作,整合了我们的超级COMP 1015 PW干燥产品 - 这是ZRT薄膜与干燥的平纹编织面料 - 层压板中的每层编织3K碳纤维织物之间,”Murthy解释道。

“在用标准层压板制成的拉出试验期间,金属凸耳完全剥去,而用超级胶囊制成的层压板保留金属凸耳。在测试失败时,Eclipse复合材料在发生故障之前测量至少50%的拉出强度,并且失败是渐进的,而不是灾难性的。甚至有一些情况,钢螺栓在拉出耳朵之前的金属凸耳失败。“

合格测试部件由波士顿材料公司的SUPERCOMP材料制造

波士顿材料公司使用SUPERCOMP PW Dry材料制造的合格测试部件显示,金属耳的拉拔强度提高了50%(绿色箭头)在失败之前。照片信用:Eclipse Composites Engineering

ZRT材料也通过剪切吸收振动能量而不会牺牲弯曲刚度。“这是Z轴碳纤维独特的机制,”Gurijala说。“将Zrt的型层掺入复合结构可以降低每种振动模式中的固有频率。”较低的自然频率表示更好的振动阻尼,这提高了:

  • 在滑雪板和网球拍等体育用品中的感觉和控制;
  • 摄像机架的图像质量为无人机;
  • 机器人最终效应器的准确性和速度;
  • 乘坐电动车辆的舒适和驾驶室噪音。
试验结果表明,ZRT材料降低了固有频率

z轴碳纤维ZRT材料与编织碳纤维一起使用可以降低所有振型的固有频率。照片来源:Boston Materials。

热塑性复合材料

九层ZRT材料在压缩模压聚碳酸酯部分

用聚碳酸酯为基体的9层ZRT材料的显微图。照片来源:Boston Materials

“我们还可以加入热塑性薄膜并在整个加工过程中保留碾磨的光纤,”Notes Murthy。这可以在左侧的显微照片中看到,在压缩模塑应用中显示九层Zrt材料。“使用的聚碳酸酯基质具有比环氧树脂更高的粘度”,“他解释说。“本申请还使用了350至400 psi的高压缩压力,但我们可以保留z轴方向。”

对于这些热塑性复合产品,Boston Materials将PET载体膜替换为目标基体聚合物的热塑性膜。或者,它可以将ZRT干膜转移到目标热塑性薄膜上,并在二次工艺中将其熔化到z轴碳纤维中。这些ZRT热塑性制品的纤维体积为>50%。除了聚碳酸酯外,Boston Materials还使用PPS、PEEK、LM-PAEK、PEI、PA-6、PA-12和bio-PA制作了ZRT热塑性复合薄膜。

下一代热交换器的导热系数

正如ZRT材料增强电导率一样,它们也可以提高复合材料中的导热率。“虽然碳纤维沿纤维方向导热导热,但其电导率垂直于纤维近近十倍,”Gurijala解释说。“横向传热在电子设备,EV电池组和非金属热交换器等应用中非常重要。通过在Z轴上放置碳纤维来定制聚合物复合材料横向导热率的能力对于当今所需的多功能结构具有巨大的益处。“

他指出pan基碳纤维的纤维内部导热系数为15到20瓦每米开尔文(W/m-K)。Gurijala说:“在90度的温度下,纤维含量会下降5到10倍。”因此,一种由平面碳纤维与绝缘性聚合物基体在0.2 W/m-K时结合并在层间界面有损耗的复合材料,其整体横向导热系数仅为0.7 W/m-K。通过添加基于pan的ZRT材料层,我们可以将其增加到大约10 W/m-K。”

然而,波士顿材料也在开发ZRT材料基于俯仰的碳纤维具有600至900W / m-K的纤维导热率。“使用基于桨距的Zrt材料,CFRP层压板的理论横向电导率可以达到250W / m-K,”Gurijala表示,然后超过铝的导热率。“

波士顿材料ZRT用于非金属热交换器

将热成型Zrt / PPS膜变成复杂的微浊几何(最小特征尺寸为0.5毫米)增加了在非金属热交换器中该板的传热表面积和效率。照片来源:Boston Materials

通过将ZRT材料与热塑性薄膜组合,波强材料能够产生具有铝状导热率的复杂几何形状。“通过我们的Zrt热塑性复合薄膜,低成本和高容量的热成型可用于生产具有非常小的结构的非金属热交换器板,以增加表面积,”Murthy说。“这种类型的部分是用其他方法制造的真正挑战,例如具有导电成型化合物的注塑成型。”这种板用于热交换器,用于住宅和商业加热/通风和冷却(HVAC)系统,以及汽车,航空航天,制造和工业过程应用。“金属长期以来一直是首选的材料,”他继续“,”但它们难以进入复杂的形状。现在正在要求热交换器提供更高的转移效率,环境稳定性和更低的制造成本。使用导热复合材料可以满足所有这些需求和较轻的重量和耐腐蚀性。“

波士顿材料也使用材料供应商来推出一种工具预浸料,通过在X,Y和Z方向上的热膨胀率中减少不匹配来更快,更均匀地加热和均匀的尺寸精度。

双金属和未来的采用

波士顿材料双金属产品

双金属夹在两张金属板之间的ZRT结构芯。照片来源:Boston Materials

波士顿材料还开发了新的材料,其ZRT薄膜用作结构芯,层压在两层金属板之间。“双金属是一种杂种材料,具有相同的金属板弯曲性能,但重量较轻30-50%,”Gurijala说。“我们为汽车和其他行业开发了这一点,在那里有兴趣的CFRP用于轻量化,而且由于碳纤维的成本和复杂性而采用低。双金属就像中空金属板,大约1毫米厚,具有更好的声学和振动阻尼性能与金属。“

金属皮和Z轴铣削碳纤维之间的电流腐蚀是多少?“这不是一个问题,”他解释说:“因为我们在Zrt薄膜的金属配合表面上使用了富含树脂的层和/或顶部的粘合剂或TP膜。当然,对于钛,没有必要,但如果客户认为,我们也可以使用薄的Nomex芳族纤维或玻璃纤维面纱,以满足应用要求。“双金属坯料是“温暖”的压印成靠近热塑性聚合物基质的熔融温度的组件。

Boston Materials目前正在与7家全球公认的制造商合作,涉及消费类电子产品、汽车、卡车和航空航天等领域,在本地增强、EMI屏蔽、雷击保护、热管理和减振方面寻求产品资质。资格认证预计将于2022年完成,该公司计划宣布更多新的合作伙伴关系、申请和产品。

“我们只是在冰山一角关于我们Z轴碳纤维技术的潜力,”Gurijala说。“我们的目标是最终是扩大复合材料市场。”

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