圖1 多孔CFRP的試制品

可使用普通的GFRP用沖壓成型機(jī)，在5分鐘左右內(nèi)完成大型部件的一體成型。

       東麗將此次開發(fā)的材料稱作“CFRF”（Carbon Fiber Reinforced Form，碳纖維強(qiáng)化發(fā)泡樹脂）。典型的發(fā)泡樹脂——發(fā)泡聚丙烯（PP）的比重僅為0.3～0.4，不過彎曲彈性模量只有0.1GPa左右，剛性較低。因此，在汽車領(lǐng)域，發(fā)泡樹脂一般被用于對(duì)強(qiáng)度和剛性要求不高的內(nèi)飾材料及隔音材料。

 

       而且，汽車部件使用的GFRP（基體樹脂采用PP的情況下）的比重為1.2左右，按體積比例混入20％的玻璃纖維之后，彎曲彈性模量約為6GPa。而東麗開發(fā)的材料不僅比重與發(fā)泡PP同等（0.3～0.4），而且實(shí)現(xiàn)了與PP基GFRP同等的彎曲彈性模量（6GPa）。

 

碳纖維立體交纏

 

      據(jù)東麗介紹，以往的GFRP需要在玻璃纖維之間不留空隙地填滿基體樹脂，而東麗開發(fā)的材料則是讓碳纖維呈立體狀交錯(cuò)纏繞，形成多孔構(gòu)造。利用這種構(gòu)造，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低比重和高剛性。

 

       從制造方法來看，東麗將連續(xù)的碳纖維（直徑約為7μm）切成了10mm左右的長度。將這種碳纖維和基于熱塑性樹脂的粘合劑樹脂混合在一起，在裝有溶液的模具內(nèi)一邊加熱，一邊使碳纖維均勻分散。然后，在將溶液從模具中排出去的同時(shí)進(jìn)行壓縮，最后制造出多孔構(gòu)造的片狀或者卷狀基材。按體積比例計(jì)算，碳纖維的含量約為20％，空間約占50％。片狀基材可以生產(chǎn)厚度為0.5～3.0mm的產(chǎn)品，卷狀基材可以生產(chǎn)厚度為0.1～0.5mm的產(chǎn)品。

 

      分散的碳纖維的接觸點(diǎn)（交叉點(diǎn)）通過粘合劑樹脂牢固地粘合在一起，形成了碳纖維呈立體狀交錯(cuò)纏繞的多孔構(gòu)造。即便在制造基材時(shí)進(jìn)行壓縮，也能保持內(nèi)部空間（圖2）。粘合劑樹脂的基料——熱塑性樹脂除了PP之外，還可以使用“PA（聚酰胺）6”、“PPS（聚苯硫醚）”等。

 

圖2 多孔CFRP的構(gòu)造

碳纖維的交叉點(diǎn)通過粘合劑樹脂牢固地結(jié)合在一起，形成了呈立體狀交錯(cuò)纏繞的三維構(gòu)造。

沖壓成型時(shí)會(huì)沿厚度方向膨脹

 

把采用這種工藝制造的基材放在模型中，可以使用普通的GRFP用沖壓成型機(jī)，加工成汽車部件等。沖壓成型時(shí)的加熱溫度方面，PP為200℃，PA6為250℃，PPS為300℃，模具溫度均設(shè)定在100℃左右。

 

據(jù)東麗介紹，經(jīng)過沖壓成型時(shí)的加熱，粘合劑樹脂會(huì)變軟，同時(shí)，制造基材時(shí)被壓縮的碳纖維也會(huì)在回彈力的作用下沿著基材的厚度方向發(fā)生膨脹。這樣一來，各位置厚度不同、形狀復(fù)雜的部件也能實(shí)現(xiàn)一體成型（圖3）。沖壓成型后一冷卻，粘合劑樹脂與碳纖維就會(huì)再次牢固地結(jié)合在一起，從而可獲得與以往的GFRP同等的彎曲彈性模量。

 

圖3 利用模具的空隙（空間）

經(jīng)過沖壓成型時(shí)的加熱，碳纖維會(huì)沿著厚度方向發(fā)生膨脹。這樣一來，便可以制造出各位置厚度不同、形狀復(fù)雜的部件。

新材料還能用來制造復(fù)合構(gòu)造的成型品。比如內(nèi)部由此次的材料構(gòu)成、表面由熱固性CFRP構(gòu)成的成型品。

 

目標(biāo)是3年以內(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)用化

 

       關(guān)于此次開發(fā)的材料，東麗已開始向汽車廠商及部件廠商提供樣品，計(jì)劃3年以內(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。除了發(fā)動(dòng)機(jī)罩、車門、后備箱蓋、車頂、地板等板狀部件之外，該公司還打算將該材料應(yīng)用于要求具有耐沖擊性的保險(xiǎn)杠及吸能盒等部件。

 

      不過，新材料的實(shí)用化還面臨幾個(gè)問題。成型時(shí)可以使用普通的GRFP用沖壓成型機(jī)，這對(duì)于汽車廠商及部件廠商來說是一大優(yōu)點(diǎn)，但成型需要花費(fèi)約5分鐘的時(shí)間。沖壓成型的時(shí)間為1～2分鐘左右，成型后的冷卻時(shí)間為3～4分鐘。而GFRP的成型時(shí)間為1～2分鐘。新材料面臨的第一個(gè)問題是如何縮短成型后的冷卻時(shí)間。

 

       另一個(gè)問題是成本。目前，東麗使用該公司內(nèi)部的實(shí)驗(yàn)設(shè)備（年產(chǎn)規(guī)模為數(shù)噸）來生產(chǎn)樣品，成本高于GFRP或CFRTP。對(duì)于這一點(diǎn)，東麗表示，“量產(chǎn)時(shí)，可通過加入一些設(shè)計(jì)來發(fā)揮能夠立體成型的優(yōu)勢，將成本降至可與目前的GFRP或CFRP進(jìn)行價(jià)格競爭的水平”。