近日，韓國科學(xué)技術(shù)院（KIST）宣布在自增強(qiáng)復(fù)合材料（SRC）的開發(fā)方面取得重大突破，這是一種具有優(yōu)異物理性能和可回收性的下一代復(fù)合材料。該自增強(qiáng)復(fù)合材料由單一類型的聚丙烯（PP）聚合物制成，因其成本低、重量輕和可回收利用等優(yōu)點(diǎn)，正逐漸成為飛機(jī)中使用的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的潛在替代品。

與以往在增強(qiáng)材料或基體中混合不同化學(xué)成分以改善流動(dòng)性和浸漬的生產(chǎn)工藝不同，該團(tuán)隊(duì)通過使用四軸擠出工藝調(diào)整聚丙烯基體的鏈結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)熔點(diǎn)、流動(dòng)性和浸漬的控制。

新開發(fā)的 SRC 具有超越以往研究的優(yōu)異機(jī)械性能。該材料的粘合強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和抗沖擊性分別提高了 333%、228% 和 2,700% 。此外，在用作小型無人機(jī)的框架材料時(shí)，SRC 比傳統(tǒng)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輕 52%，飛行時(shí)間延長(zhǎng) 27%。這些發(fā)現(xiàn)凸顯了該材料在下一代移動(dòng)解決方案中的應(yīng)用潛力。

該團(tuán)隊(duì)表達(dá)了 100% SRC 工程流程的實(shí)用性，并強(qiáng)調(diào)了其對(duì)各行業(yè)的直接適用性。同時(shí)該團(tuán)隊(duì)打算繼續(xù)與研究伙伴和行業(yè)合作，以提高磁增強(qiáng)復(fù)合材料的全球競(jìng)爭(zhēng)力。

在開發(fā) 100% SRC 材料方面取得的這一突破為未來的交通，特別是城市空中交通（UAM）提供了前景廣闊的前景，因?yàn)樗峁┝艘环N可減少碳排放的節(jié)油環(huán)保型解決方案。

什么是自增強(qiáng)復(fù)合材料？

隨著航空航天、汽車、建筑等行業(yè)對(duì)輕質(zhì)材料的要求越來越高，聚合物復(fù)合材料，尤其是熱塑性復(fù)合材料變得越來越常見。復(fù)合材料用量增加的趨勢(shì)意味著，能夠回收利用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的部件變得越來越重要。熱塑性塑料制成的材料可以簡(jiǎn)單地重新熔化并重新模塑成新的部件，但如果含有玻璃纖維或碳纖維，則無法做到這一點(diǎn)，因?yàn)檫@些纖維無法熔化。因此，必須將復(fù)合材料切碎，用作性能較低的短纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料。為滿足可回收纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的需求，必須使用可與聚合物基體一起熔化并與熔體相容的纖維。而這就導(dǎo)致了自增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料(SRCs) 的開發(fā)。

自增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料是一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。這些材料中的纖維增強(qiáng)材料是與基體相同的聚合物高取向版本。例如，用高取向聚丙烯纖維增強(qiáng)聚丙烯基體。

自增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料目前正在使用多種不同的熱塑性聚合物進(jìn)行開發(fā)，例如如聚酰胺、聚乙烯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯和聚丙烯等。但這些材料中最成熟的還是聚丙烯材料。

自增強(qiáng)復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)與不足

與傳統(tǒng)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（如 GRP 和 CFRP）相比,SRCs復(fù)合材料具有一系列優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)包括大大提高了可回收性、密度極低和沖擊性能極高。

其中最重要的優(yōu)勢(shì)是可回收性。由于SRCs復(fù)合材料是 100% 的熱塑性塑料，因此回收過程非常簡(jiǎn)單。與傳統(tǒng)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料不同，SRCs復(fù)合材料與玻璃和碳纖維增強(qiáng)材料一樣，需要先將增強(qiáng)材料與基體分離，然后才能進(jìn)行有效回收。在產(chǎn)品使用壽命結(jié)束時(shí)，只需將組件重新熔化并重新造粒。這些顆粒可以再加工成新的部件。

第二個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)是密度。SRCs復(fù)合材料使用與基體相同的聚合物進(jìn)行增強(qiáng)。這意味著，雖然材料的性能顯著提高，但密度卻不會(huì)增加。這就可以制造出重量極輕的材料，顯著減輕成品部件的重量。

雖然 SRCs復(fù)合材料有許多顯著的優(yōu)點(diǎn)，但也并非沒有缺點(diǎn)。其中第一個(gè)缺點(diǎn)就是對(duì)溫度的敏感性。在加工過程中，必須非常精確地控制溫度，以便只熔化基體材料，同時(shí)保持增強(qiáng)材料不受熱量破壞。由于這些材料的加工窗口相對(duì)較小，因此很難做到這一點(diǎn)。

其次，這些材料是 100% 的熱塑性塑料，因此不能用于高溫應(yīng)用，因?yàn)樗鼈儠?huì)迅速失去特性。

生產(chǎn) SRCs復(fù)合材料主要有兩種加工工藝：熱壓和共擠。

熱壓法是一種將高取向聚合物帶非常精確地加熱（±0.5°C）的方法。這種加熱方式可使大約 10% 的聚合物帶熔化。

在施加壓力的情況下，熔融聚合物在膠帶的晶格中流動(dòng)，形成連續(xù)的基質(zhì)。然后，板材在壓力作用下冷卻，使基體凝固。這一過程產(chǎn)生的剛性板材可以進(jìn)行熱成型。Propex Fabrics 使用這種工藝批量生產(chǎn)一種名為 Curv? 的自增強(qiáng)聚丙烯板材。

生產(chǎn)SRCs復(fù)合材料的第二種主要方法是共擠法。從高熔點(diǎn)等級(jí)的所選聚合物中擠出高取向度的聚合物帶。在這一過程中，同一系列聚合物的低熔點(diǎn)等級(jí)被擠壓到帶子表面。這些膠帶隨后可編織成織物。在后加工成定型部件的過程中，膠帶的外層先于拉伸聚合物的內(nèi)芯熔化。在壓力作用下，這種低熔等級(jí)的聚合物會(huì)在整個(gè)織物中流動(dòng)。冷卻時(shí)，這種低熔等級(jí)的聚合物重新凝固，形成復(fù)合基體。Don & Low、Milliken 和 Lankhorst 均采用這種方法生產(chǎn)自增強(qiáng)聚丙烯織物和板材。

自增強(qiáng)復(fù)合材料成品展示

在此我們列舉下國外一個(gè)被稱之為“Smart PRESS 2”的項(xiàng)目中使用自增強(qiáng)復(fù)合材料制備的兩個(gè)產(chǎn)品演示。

—防彈帽

防彈帽是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的部件，它包含了很深的拉深、復(fù)雜的弧度和暗切。這個(gè)部件的尺寸要求非常精確，因?yàn)樗窃O(shè)計(jì)用來固定在現(xiàn)有頭盔上的部件。

該部件厚度為 9 毫米，以滿足彈道要求。考慮到部件的厚度和拉伸深度，決定使用織物形式的自增強(qiáng)聚丙烯制造該部件。因此，在模具設(shè)計(jì)中加入了復(fù)雜的管道系統(tǒng)，以便快速有效地對(duì)模具和材料進(jìn)行獨(dú)立加熱和冷卻。經(jīng)過多次反復(fù)試驗(yàn)后，該部件成功成型，使用的是復(fù)雜的材料包，內(nèi)含 4 種不同形狀的坯料。

該部件采用項(xiàng)目開發(fā)的數(shù)控加工技術(shù)進(jìn)行成型和修整。該部件的設(shè)計(jì)符合 NIJ 0106 2 級(jí)（美國人體裝甲）規(guī)范，可抵御 9 毫米全金屬護(hù)套彈。

—航空航天組件

該航空航天部件是一個(gè)非常大的部件（直徑 950 毫米），拉伸非常深，幾乎是垂直的。該部件在厚度和整體尺寸方面都有非常高的公差要求。與防彈帽一樣，由于需要非常深的拉伸，該部件選擇了織物而不是板材。由于尺寸大，公差要求高，該模具的加工特別復(fù)雜。這種模具也是一種鑄造模具，內(nèi)部裝有加熱和冷卻管道系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中必須考慮到模具的熱膨脹。該工具包括用于精確厚度控制的內(nèi)部擋塊。該工具還采用了以前從未嘗試過的氣動(dòng)夾緊板，用于在模具閉合時(shí)限制織物包。該工具的最后一個(gè)功能是預(yù)裝板，可將織物鋪在硬板上，然后放入壓機(jī)。如果沒有這項(xiàng)功能，幾乎不可能裝上所需尺寸和厚度的織物包。

由于在模具設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了仔細(xì)考慮，該零件的成型效果非常好設(shè)計(jì)。該部件符合所有公差規(guī)范，并通過了獨(dú)立和組裝到完整系統(tǒng)中的性能測(cè)試。

隨著人們對(duì)自增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的興趣與日俱增，該行業(yè)也在高速發(fā)展。而試驗(yàn)也證明， 自增強(qiáng)復(fù)合材料可為各種不同的工業(yè)部門生產(chǎn)高質(zhì)量、高性能的部件。

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