一位MCAM客戶希望在高性能山地自行車的懸架元件上用復(fù)合材料代替金屬注射成型（MIM-metal injection molded ）鎂，目的是減少質(zhì)量，避免反應(yīng)性堿土金屬的加工問題。考慮到零件的復(fù)雜性和所涉及的生產(chǎn)量，只有注塑成型才能滿足客戶的價格點。

MCAM配制了一種30%FWF短碳纖維增強聚苯硫醚（PPS）復(fù)合材料（KyronMAX S-8230），該復(fù)合材料滿足所有機械要求，包括具有挑戰(zhàn)性的疲勞目標(biāo)，并在該應(yīng)用中成功替代了鎂。

一系列專門為注塑成型配制的短碳纖維增強熱塑性塑料（CFRTP）化合物正被用于擴展各種零件尺寸和復(fù)雜性的熱塑性復(fù)合材料的性能。有趣的是，這些材料已被證明在越來越多的應(yīng)用中優(yōu)于長纖維熱塑性塑料（LFT-long fiber thermoplastic ）復(fù)合材料（玻璃纖維或碳纖維）以及金屬，從體育用品和汽車零件到醫(yī)療器械和航空航天部件。

塑料注塑到短纖維復(fù)材注塑

材料由三菱化學(xué)先進材料股份有限公司（日本東京MCAM）配制和銷售。MCAM合并了母公司在過去十年中收購的幾家以前獨立的企業(yè)。其中包括前Quadrant AG（瑞士倫茨堡），一家生產(chǎn)玻璃墊熱塑性塑料（GMT）和有機片材復(fù)合材料以及熱塑性工程型材的公司，以及曾經(jīng)的Piper Plastics股份有限公司（美國亞利桑那州錢德勒市），該公司最初是一家注塑和精密加工零件的生產(chǎn)商，后來擴展到定制的CFRTP復(fù)合材料-首先用于自己的用途，后來用于其他注塑產(chǎn)品。

大約在2012年，Piper是一家中型定制注塑廠，為航空航天和體育用品/娛樂設(shè)備的客戶群提供服務(wù)。公司領(lǐng)導(dǎo)層希望發(fā)展零部件制造業(yè)務(wù)，但面臨兩大挑戰(zhàn)。首先，它在尋找團隊認為能夠使公司在高性能細分市場競爭的化合物方面遇到了困難。其次，該公司希望進入汽車市場，但沒有足夠的可用成型能力在重大項目上競爭。

 

這個惰輪是高性能復(fù)合射箭弓的一部分，最初是用機加工鋁制成的。客戶希望轉(zhuǎn)換為復(fù)合材料，因此最初嘗試了50%FWF長玻璃PA6/6。然而，這種材料在填充復(fù)雜的幾何形狀方面存在挑戰(zhàn)，導(dǎo)致零件過早失效。

MCAM為該應(yīng)用配制了20%FWF短碳纖維增強PA6/6復(fù)合材料（KyronMAX S 2220）。新的復(fù)合材料不僅能夠在不進行修改的情況下在與LFT級相同的工具中成型，而且消除了故障，重量比LFT材料減輕了21%，比原始鋁減輕了50%。

第一個問題通過在各種基礎(chǔ)樹脂和纖維上漿技術(shù)上集中研發(fā)得到了解決，這導(dǎo)致了一系列高性能、可注塑的CFRTP化合物KyronMAX的開發(fā)。這些材料以聚酰胺6/6（PA6/6）、聚鄰苯二甲酰胺（PPA）、聚醚酰亞胺（PEI）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）和聚芳醚酮（PAEK）等基質(zhì)為特征，用短切碳纖維增強。這些化合物大多具有高熱性能、廣泛的耐化學(xué)性、良好的機械性能和低火焰/煙霧/毒性（FST）值，其配方不僅可以替代短玻璃纖維增強和礦物填充的注塑等級，還可以替代LFT化合物（平均起始纖維長度為13毫米）甚至金屬。

MCAM復(fù)合材料大客戶經(jīng)理Alex Wojtysiak解釋說：“在數(shù)據(jù)表上，LFT化合物看起來更強，但它們通常無法填充我們可以用短碳纖維技術(shù)填充的零件幾何形狀。”。“因為我們的流量要高得多，所以我們能夠更好地填充復(fù)雜的幾何形狀，所以我們的化合物會產(chǎn)生更強的部件。”

MCAM全球復(fù)合材料技術(shù)經(jīng)理克林特·紐厄爾(Clint Newell)補充道：“與其說我們打算制造各種各樣的CFRTP化合物，不如說每種化合物都是為了滿足特定客戶的特定需求而開發(fā)的。”。“隨著我們配方能力的增長，我們進入了新市場，會見了新客戶，詢問他們需要什么，并著手創(chuàng)造一種完美的化合物來滿足這些需求。”

不出所料，因為這些化合物最初是由模具工為模具工配制的，所以它們的設(shè)計目的是提供易于加工的特性，并始終如一地生產(chǎn)出質(zhì)量更高、性能更好的零件。MCAM研發(fā)總監(jiān)戴夫·威爾金森(Dave Wilkinson)指出：“我們制定了KyronMAX產(chǎn)品線，以提供更高的流量和纖維相互作用、更低的內(nèi)應(yīng)力、更少的各向異性、更強的焊縫、更少的縮痕、更少的翹曲傾向和更高的尺寸精度—無論壁段是厚還是薄。”。“除了我們的配方工作和獨特的施膠技術(shù)外，我們還對壓機進行了改造，以更有效地運行這些材料。”

為什么不尋常的產(chǎn)品名稱？MCAM首席創(chuàng)新官蘭迪·懷特(Randy White)解釋說：“在古希臘神話中，凱龍-Kyron （也拼寫為Chiron）是半人馬半人。”。“凱龍利用他獨特的個人技能超越了他的獸性。我們將其比作我們的化合物，一半是碳纖維，一半是樹脂，強壯如馬，聰明如人，便于加工。”

隨著配方專業(yè)知識的增長，該公司引起了三菱化學(xué)控股集團（MCHC，日本東京）的注意，該集團于2016年收購了Piper。MCHC立即投入數(shù)百萬美元，擴大亞利桑那州復(fù)合生產(chǎn)線的規(guī)模，實現(xiàn)操作自動化，并引入自己的碳纖維上漿和切碎技術(shù)，使KyronMAX化合物能夠更快、更一致、更高效地生產(chǎn)。隨后，在密歇根州建立了第二條復(fù)合生產(chǎn)線，在日本建立了第三條。產(chǎn)能的擴大意味著KyronMAX等級可以在北美和亞洲的汽車業(yè)務(wù)中競爭。其他市場也緊隨其后。

擴大產(chǎn)品供應(yīng)，開拓新市場

現(xiàn)在，隨著產(chǎn)能的提高和對更廣泛的聚合物和碳纖維材料的獲取，MCAM團隊一直在忙于開發(fā)一系列新產(chǎn)品，其中一些是專門為汽車市場配制的。其中最有趣的是KyronMAX ES 4240，據(jù)說是世界上第一個打破414 MPa（60000 psi）抗拉強度屏障的短碳纖維注塑化合物。

該等級是在底特律郊區(qū)舉行的2019年SPE汽車工程塑料會議（AutoEPCON）上推出的，是一種40%纖維重量分數(shù)（FWF-fiber weight fraction）的碳纖維增強PPA，其拉伸模量值為41.2 GPa，彎曲模量值為34.5 GPa，彎曲強度值為552 MPa。PPA是一種特殊形式的聚酰胺，比傳統(tǒng)的PA6和PA6/6具有更好的耐熱性和更寬的耐化學(xué)性，水解傾向要低得多。

 

KyronMAX ES 4240是專門為汽車用途開發(fā)的新型可注塑CFRTP化合物之一，這是一種40 FWF的短碳纖維增強PPA，據(jù)說是第一個突破414 MPa（60000 psi）抗拉強度屏障的產(chǎn)品。（一般鋁合金抗拉強度60000psi。該公司還沒有用到PEKK）

2019年SPE AutoEPCON上推出的其他汽車等級包括專為發(fā)動機艙應(yīng)用開發(fā)的高溫碳纖維增強PPA等級。據(jù)說該等級的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)和連續(xù)使用溫度(CUT- continuous-use temperature）與PEEK相當(dāng)，但更容易成型。考慮到汽車和小家電等大批量行業(yè)的成本敏感性，該團隊也在研究基于聚丙烯(PP)的KyronMAX產(chǎn)品也就不足為奇了。

隨著其產(chǎn)品線的擴大，使用這些材料的市場也在擴大。除了長期以來渴望的汽車業(yè)務(wù)外，該公司現(xiàn)在還提供醫(yī)療器械（耐用和一次性）、小家電和消費電子產(chǎn)品（金屬替換箱/蓋）。航空/航天仍然很重要，體育用品行業(yè)也是如此，它已經(jīng)發(fā)展到包括賽車、山地自行車、高爾夫球桿、槍支、復(fù)合弓和其他射箭部件的應(yīng)用。隨著幾款產(chǎn)品的線性熱膨脹系數(shù)（CLTE-coefficient of linear thermal expansion）值與金屬注射成型（MIM-metal injection molded）鋁和鎂的值相似，盡管具有更好的韌性、更輕的重量和更低的成本，該團隊發(fā)現(xiàn)自己在越來越多的應(yīng)用中取代了金屬。

 

為了向航空航天客戶展示KyronMAX復(fù)合材料的性能，MCAM設(shè)計并生產(chǎn)了一種用于飛機廚房的通用四分之一圈固定鎖。由于高負載要求，這些零件目前是用鋁生產(chǎn)的。30%FWF短碳纖維/PEI級 （KyronMAX S 6230）因其機械性能和火焰/煙霧/毒性（FST）列表而被選中。復(fù)合材料部件以一半的重量滿足鋁的性能要求，目前正在接受多家客戶的評估。他們還允許油漆與飛機內(nèi)部相匹配。

接下來是什么？

通過與三菱全球更廣泛的組織建立聯(lián)系，MCAM團隊可以獲得代表更廣泛復(fù)合材料組合的技術(shù)，該組合涵蓋了熱塑性和熱固性化學(xué)物質(zhì)，具有各種增強類型和長度。例如，另一家三菱集團生產(chǎn)分裂和短切絲束碳纖維增強鍛造模塑料（FMC- forged molding compound)，這是一種先進的片狀模塑料(SMC-sheet molding compound )，有助于彌合短玻璃或碳纖維增強SMC和連續(xù)碳纖維增強預(yù)浸料之間的性能和加工差距。還有一個小組生產(chǎn)編織和非織造碳纖維增強預(yù)浸料和快速固化預(yù)浸料壓縮成型(PCM- prepreg compression molding)材料。

在MCAM內(nèi)部，另一項即將商業(yè)化的技術(shù)是一種新的紡織（非織造、機織和單向）增強的干預(yù)浸料系列，其具有稱為KyronTEX的熱塑性基質(zhì)。這些產(chǎn)品目前正在進行戰(zhàn)略性抽樣。

最后，去年夏天，MCAM收購了carbonNXT GmbH和姊妹公司CFK Valley State Recycling GmbH and Co.KG（均為德國Wischhafen），將全套碳纖維回收技術(shù)引入該集團的產(chǎn)品中。據(jù)說，MCAM團隊在合格的商業(yè)產(chǎn)品之前，正在使用回收碳纖維測試多種配方。

原文，《Short carbon fiber compounds expand reach of thermoplastic composites 》 更新于2022.7.13發(fā)布于2021.9.22

補充：熱塑復(fù)材注塑件在飛機結(jié)構(gòu)中最新的應(yīng)用