多年來，位于美國加州杭廷頓海灘的復合材料制造商——先進復合材料產品和技術公司一直致力于開發和完善碳纖維復合材料傳動軸的設計—碳纖維復合材料或金屬管連接大多數車輛下方傳動系統的前部和后部。這些通用部件初用于汽車領域，后來也廣泛應用于諸如海洋、商業、風力、國防、航空航天和工業等領域，近年來對碳纖維復材傳動軸需求穩定增長，因為需求繼續保持增長，該公司意識到生產大量轉動軸的需求，通過與設備供應商合作，終產生一個新設施，建立了一條創新的半自動化生產線，數百個同樣的軸以很高的制造效率生產，其特點是自動纖維纏繞機。

　　該公司的碳纖維復合材料傳動軸廣泛應用于各種行業

　　據該公司介紹，傳動軸需求增加的原因是碳纖維轉動軸與金屬傳動軸相比，具有獨特的性能，例如更高的扭矩和轉速能力、更好的可靠性、更輕的重量，由于在高沖擊下容易分解成相對無害的碳纖維，降低了噪音、振動和不平順性，從而提高了安全性。此外，據報道與傳統的鋼制傳動軸相比，由于復合材料具有較輕的旋轉質量，汽車和卡車中的碳纖維傳動軸可將車輛的后輪馬力增加5%以上。輕量化的碳纖維傳動軸消納更多的沖擊，并具有比鋼更高的扭矩能力，允許更多的發動機功率轉移到車輪上，而不會使輪胎打滑或脫離地面。多年來，該公司一直在加州工廠通過長絲纏繞生產碳纖維復合材料傳動軸。要擴大到所需的水平，就需要擴大設施規模，改進生產設備，并通過盡可能將責任從人工技術人員轉移到自動化過程來簡化過程控制和質量檢查。為了實現這些目標，該公司決定建造第二個生產設施，并為其配備更高水平的自動化設備。

　　該公司將這一新的生產設施設在美國威斯康星州斯科菲爾德，以便在設計、建造、采購和安裝新工廠和生產設備的一年半的時間中盡量減少轉動軸生產的中斷，其中10個月用于自動纖維纏繞系統的建造、交付和安裝。自動化評估了復合傳動軸的生產過程的每個步驟：纖維纏繞、樹脂含量和濕度控制、烘箱固化（包括時間和溫度控制）、芯軸的零件提取和芯軸進出過程的處理。然而，由于預算原因和該公司需要一個允許在必要時有有限數量研發試驗的少許永久和可移動系統，架空或落地安裝的龍門自動化系統被拒絕。在與多家供應商協商后，終的解決方案是一個兩部分生產系統：類型1，位于德國斯坦福伯格的羅斯復合材料機械公司的帶有多個纏繞機架的兩軸自動纖維纏繞系統；而不是一個固定安裝的自動化系統，一個由位于美國華盛頓州塔科馬的環球機械制造公司設計的半自動芯軸處理系統。

 

　　羅斯公司為該公司開發的自動化纖維纏繞工藝

　　據該公司介紹，設計允許兩個主軸同時生產零件的羅斯纖維纏繞系統的主要優點和要求之一是已經證明的自動化能力。該公司的專有傳動軸需要多種材料更改特別重要。為了自動化每種材料變化的手動切割、架線和重新連接不同纖維，羅斯公司的粗紗切割和附加功能通過配備多個制造車廂使纏繞機能夠自動更換材料，羅斯公司的樹脂和纖維張弛技術還提供了確保精確的纖維與樹脂潤濕率而無過飽和的能力，同時使該纏繞機比傳統的纏繞機運行更快，無多余樹脂浪費。一旦卷繞完成，纏繞機自動斷開芯軸和部分與卷繞機的連接。

 

　　羅斯公司的纖維纏繞系統自動地在復合材料之間切換

　　纏繞系統本身是自動化的，但是在每個制造步驟之間仍然留下很大一部分芯軸的處理和移動，而每個步驟以前都是手動完成的，這包括準備裸芯軸并將其連接到纏繞機上，將帶纏繞零件的芯軸移動到烘箱中進行固化，移動帶固化零件的芯軸并從芯軸中取出零件。作為一種解決方案，環球機械制造公司開發了一種工藝，涉及一系列旨在容納芯軸的小車，小車內的旋轉系統用于定位芯軸，以便進出纏繞機和提取器，并在零件被樹脂浸濕和烤箱固化期間連續旋轉。

　　這些芯軸小車在兩組落地式轉移臂的輔助下從一個工位移動到另一個工位，一組位于纏繞機上，另一組位于集成的提取器系統上，它們與芯軸小車協調運動，并為每個工序拾取和放置芯軸。小車上的定制卡盤和羅斯機器上的自動卡盤相協調，自動夾緊和釋放芯軸。

 

　　羅斯公司的雙主軸精密樹脂組件。該系統設計用于復合材料的兩個主軸，并輸送至專用的材料纏繞機架。

　　除了這個芯軸傳輸系統，公司還提供了兩個固化爐，固化和抽芯后，零件被轉移到精密定尺機上，然后被轉移到數控系統上加工管端，后用壓裝附件清潔和涂抹粘合劑。扭矩測試、質量保證和產品跟蹤在終用戶包裝和裝運前完成。據該公司介紹，這一過程的一個重要方面是它能夠跟蹤和記錄設備溫度、濕度水平、纖維張力、纖維速度和每個纏繞機組的樹脂溫度等數據，這些信息存儲在產品質量檢驗系統或生產跟蹤系統中，并可使操作員在必要時調整生產條件。公司開發的整個過程被描述為“半自動化”，因為仍然需要操作員按下按鈕啟動過程序列，并手動將小車移入和移出烤箱。根據該公司的說法，公司展望未來該系統的自動化程度將更高。

 

　　羅斯系統包括兩個主軸和三個獨立的卷繞車廂。每個卷繞小車設計用于自動輸送不同的復合材料。復合材料同時應用于兩個主軸。

　　在新工廠生產的年之后，該公司報道到，該設備已成功證明能夠滿足其產量目標，同時節省勞動力和材料，并提供始終如一的高質量產品。該公司希望在未來的自動化項目中與羅斯公司和公司再次深化合作。

　　經濟性、規?；缴系腪向復材性能

 

　　位于美國馬薩諸塞州比勒里卡的波士頓材料公司是由安維什·古里賈拉，邁克爾·西格爾和蘭德爾博士于2016年創立，它是位于美國馬薩諸塞州波士頓的東北大學的一個衍生企業，其商業化一種獲得的使碾磨后的碳纖維能夠使用輥對輥工藝垂直定向成薄片的磁對準工藝。波士頓材料公司席商務官凱達爾·穆爾西說：“由于垂直纖維的存在，這些薄膜狀材料看起來像立絨或天鵝絨。”長度為0.05至0.2毫米的碾磨碳纖維是一種有趣的解決方案，在沒有納米材料的生產、成本、健康和安全問題的情況下提供宏觀效益，它們還為越來越多的可回收、再利用碳纖維提供了出口，其成本大大低于原纖維，并為復合材料市場提供了急需的循環。

　　波士頓材料公司現每年生產80萬平方米60英寸寬的材料來擴大其工藝規模，以滿足不斷增長的產品系列。

 

　　超級復合材料—于2019年推出的層壓至標準機織物的Z軸碳纖維薄膜、UD預浸料和干增強材料用于工具、滑雪板、滑雪板、反射盤和工業應用產品。

　　ZRT–于2020年推出的用于導熱、導電和局部增強的熱塑性薄膜和熱固性預浸料，同時作為消費電子和汽車應用產品兩年開發周期的一部分進行評估。

　　雙金屬–Z軸碳纖維薄膜夾在金屬板外殼之間，用于汽車應用中的沖壓成型金屬板零件，提供與整體金屬板同等的性能，重量減少50%。

　　航空航天也是一個關鍵目標，包括集成雷擊防護、提高抗分層能力、減振能力和局部加固，后者具有將緊固件拉拔強度提高50%的能力。然而航空航天認證通常是一個較長的過程，因此非航空航天目標先被商業化。

　　利用Z軸纖維提高復合材料層間剪切強度、面外剛度（橫向模量）、抗沖擊性和粘結性的想法并不新鮮。幾十年來，造船廠一直使用磨碎的玻璃纖維在核心粘結膩子，以增加粘結強度，磨碎的纖維通過一半到膩子和一半到泡沫芯的開口孔里提供了一個裂縫停止機制。位于德國薩爾貝克的薩爾泰克斯公司更進一步，將切割好的玻璃纖維插入索爾泡沫產品芯中，在注入樹脂后，將芯層壓板面板綁在一起。

 

　　索爾泡沫的特點是玻璃纖維插入芯層中

　　在20世紀80年代由位于美國馬薩諸塞州沃爾瑟姆的阿茲特克公司商業化的Z-pinning技術固化Z-Fiber產品，此后被包括航空發動機制造商、空中客車公司和美國軍方在內的眾多組織研究和開發。

　　將直徑通常為1毫米預固化碳纖維增強聚合物針釘插入未固化預浸料層中。然而，針釘插入是一個額外的步驟，并且對于Z軸纖維含量超過30-50%的情況未被證實是經濟有效的。

 

　　創造性拉擠法:拉擠夾層板具有Z軸加強功能

　　三維立體編織也是為了達到同樣的目的。它被位于美國新罕布什爾州羅切斯特的奧爾巴尼工程復合材料公司用于生產復雜的預制件，這些預制件通過樹脂轉化模型轉化為LEAP航空發動機的碳纖維復材風扇葉片，雖然三維立體編織是有效的，但通常來說它既不是快速，也不是廉價的增強Z軸的工藝。

　　另一面是位于法國普羅旺斯艾克斯的納瓦技術公司收購了由N12 技術公司開發的納米片技術，該技術在層壓板之間的層間區域使用垂直排列的碳納米管，將綜合生命支援系統提高了10-30%。盡管N12的寬泛產品承諾通過降低當前復合工藝的解決方案來改善性能，但由于增多的垂直排列碳納米管新興技術，成本和可擴展性仍然是一個問題。

　　具有可擴展性的插入式解決方案。“三維編織，Z--釘扎和縫合都需要額外的步驟和勞動力，”墨西說：“我們想要一種可以很容易地整合成一個層面工藝并已經使用的材料，我們的ZRT產品的處理方式類似于膠膜或單向預浸料，但在Z方向上提供了剛度和導電性，在新方向上利用了合成材料的性能。”

　　波士頓材料公司席執行官安維什·古里賈拉解釋說：“我們材料的另一個不同之處是可擴展性，我們使用的是一種60英寸寬的輥對輥工藝，類似于造紙。研磨后的纖維分散在水中，計量到PET載體膜上，然后在磁場作用下使纖維在Z軸上對齊。“他指出，碳纖維沒有磁性，所以這種對齊就是訣竅。然后蒸發水分，將干燥的ZRT材料留在載體頂部。因此，這不是在生長碳納米管，而是更具成本效益。與納米材料相比，技術風險要小得多，而且沒有危險化學品、溶劑或微粒—這是一種環保工藝。”

 

　　層壓工藝通過ZRT薄膜和連續纖維增強相結合生產成超級復材產品

　　ZRT輥產品也便于加工。”“他們可以干用或預包裝，”墨西說您可以將產品切成膠帶，用于纏繞或者干燥預成型件用于樹脂傳遞模塑工藝，我們的材料很容易集成到磁帶鋪設過程中；不需要第二步。它很容易從載體膜上去除ZRT材料，并且不會釋放出納米纖維或碾碎的纖維。“ZRT材料還提供了高表面積，從而與涂層或油漆形成良好的結合。”“因為我們使用的是再生碳纖維，”古里賈拉說，“我們與連續的原始纖維在成本上具有競爭力。

　　古里亞拉說：“使用超級MP和ZRT材料實際上有成本效益。”通過添加ZRT材料層，我們可以保留傳統碳纖維復材層壓板的關鍵面內性能，同時替換高達50%的連續纖維。通過使用ZRT材料和標準碳纖維復材設計層壓板，我們可以保持面內性能和增加面外性能，同時將所需的總層數減少50%。因此，我們提供了一個經濟實惠、同時也增強功能的解決方案。”

　　波士頓材料公司通過將碳纖維定向出平面，克服了復合材料在整個層壓板厚度的導電性方面的傳統限制。”“我們正在展示與鋁有競爭力的熱導率和導電率”，古里賈拉說，在電磁干擾和雷擊防護方面，我們的性能與納米纖維、鎳面紗和金屬箔相當，但成本和加工性能有所提高。例如，因為我們的產品是碳纖維而不是金屬，所以它們不需要絕緣來防止碳纖維層壓板的電偶腐蝕，使用中也不會因暴露于濕氣、化學品等而發生腐蝕。”

　　初步雷擊試驗表明，ZRT薄膜能夠為碳纖維復材面板提供有效的激光沖擊。下面的照片顯示，在左邊，一個參考層壓板包括五層編織碳纖維在環氧樹脂基體中，右邊同樣的層壓板有ZRT堆焊膜。測試由維平庫馬爾博士執行，他是田納西州諾克斯維爾的橡樹嶺實驗室碳纖維復材的雷擊損傷專家。“損失的減少是非常明顯的，”庫馬爾博士說這種ZRT是用聚丙烯腈纖維制成的，但由于其較高的導電性，我們預計瀝青纖維會有更好的效果。”波士頓材料公司正在等待美國空軍的一項獎勵，以進一步開發用于常規飛機和即將推出電動垂直起降車輛的方式。

 

　　緊固件拉出

　　碳纖維復材層壓板中使用的ZRT層有助于抵抗層間分層和減少金屬緊固件的脫粘。位于美國猶他州鹽湖城的日食復合材料公司正致力于改進一個部件，該部件失效主要是由于剪切和橫向張力導致的金屬凸耳脫粘。”我們與日食公司合作，將ZRT薄膜與干式平紋織物相結合的超級復材1015 PW干式產品集成在層壓板的每層3K碳纖維織物之間，”穆爾蒂解釋道。

　　在用標準層壓板進行的拉拔試驗中，金屬凸耳完全脫膠，而用超級壓合板制成的層壓板保留了金屬凸耳。當進行失效測試時，日食復材公司在失效前測得的拉拔強度至少高出50%，而且失效是漸進的，而不是災難性的。甚至有一些情況是在金屬吊耳被拔出之前，擰入金屬吊耳的鋼螺栓發生了故障。”

 

　　波士頓材料公司用超級復材 PW干材料做的的鑒定試驗零件表明，在失效前，金屬凸耳（綠色箭頭）的拉拔強度提高了50%。

　　ZRT材料還通過剪切吸收振動能量，而不影響彎曲剛度。”這是Z軸碳纖維獨有的一種機制，在復合材料結構中加入ZRT層可以降低每種振動模式下的固有頻率。“較低的固有頻率表明減振效果更好，從而提高：

　　對滑雪板和網球拍等體育用品的感覺和控制；

　　無人機攝像機支架的圖像質量；

　　機器人末端執行器的精度和速度；

　　電動汽車的乘坐舒適性和座艙噪聲。

 

　　Z軸碳纖維ZRT材料與編織碳纖維配合使用可以降低所有振動模態的固有頻率

　　熱塑性復合材料

　　“我們還可以在熱塑性薄膜中添加ZRT，并在整個加工過程中保持研磨后的纖維取向，”穆爾蒂說。這可以在下面的顯微照片中看到，這張照片顯示了壓縮成型應用中的九層ZRT材料。”他解釋說：“所使用的聚碳酸酯基質的粘度比環氧樹脂高得多。”該應用還使用了350至400 平方英寸每磅的高壓實壓力，但我們可以保持Z軸方向。”

 

　　使用聚碳酸酯基的9層ZRT材料的顯微照片

　　對于這些熱塑性復合產品，波士頓材料公司將PET載體膜替換為目標基體聚合物的熱塑性膜，或者它可以將ZRT干膜轉移到目標熱塑性薄膜上，并在二次過程中將其熔化到Z軸碳纖維中。這些ZRT熱塑性產品的纖維體積大于50%。除了聚碳酸酯，波士頓材料公司還利用PPS、PEEK、LM-PAEK、PEI、PA-6、PA-12和bio-PA等材料制備了ZRT熱塑性復合薄膜。

　　正如ZRT材料增強了導電性一樣，它們也提高了復合材料的導熱性。”盡管碳纖維沿纖維方向具有導熱性，但其導電性垂直于纖維方向下降了近10倍。橫向傳熱在電子器件、電動汽車電池組和非金屬熱交換器等應用中具有重要意義。通過在Z軸上放置碳纖維來定制聚合物復合材料橫向導熱性的能力，對于當今所需的多功能結構來說是一個巨大的好處。”

　　他指出，PAN基碳纖維的纖維內導熱系數為15至20瓦/米開爾文。”這一點在纖維90下降了5到10倍，“古里賈拉說,因此用平面內碳纖維與0.2瓦/米開爾文處的絕緣聚合物基體結合而成且在層間界面上有損耗的復合材料的總橫向導熱系數僅為0.7瓦/米開爾文。通過添加PAN基ZRT材料層，我們可以將其增加到大約10瓦/米開爾文。

　　與此同時波士頓材料公司也在開發使用瀝青基碳纖維的ZRT材料，這種碳纖維的內導熱系數為600至900瓦/米開爾文。”使用瀝青基ZRT材料，碳纖維增強壓板的理論橫向電導率可以達到250瓦/米開爾文，” 古里賈拉說，“這超過了鋁的導熱系數。”

　　通過將ZRT材料與熱塑性薄膜結合，波士頓材料能夠創造出具有類似鋁導熱性的復雜幾何結構。”利用ZRT熱塑性復合膜，低成本、高體積熱成型可用于生產結構非常小的非金屬換熱器板等，以增加表面積。

　　墨蒂說這種類型的零件是用其他方法制造的真正挑戰，例如用導電模塑化合物進行注塑。“這種板用于住宅和商業供暖/通風和制冷系統的熱交換器，以及汽車、航空航天、制造業和工業過程應用。”金屬一直以來都是人們選擇的材料，但很難加工成復雜的形狀。熱交換器現在被要求提供更高的傳輸效率、環境穩定性和更低的制造成本。使用導熱復合材料可以滿足所有這些要求，并且具有更輕的重量和耐腐蝕性。”

　　波士頓材料公司還與一家材料供應商合作，推出了一種模具預浸料，通過減少X、Y和Z方向熱膨脹率的不匹配，使其升溫更快、更均勻，從而縮短固化周期，提高尺寸精度。

　　雙金屬和未來采用

　　波士頓材料公司還開發了新材料，其ZRT薄膜作為結構核心，層壓在兩層金屬板之間。”“雙金屬是一種混合材料，具有與金屬板相同的彎曲性能，但重量比金屬板輕30-50%，” 古里亞拉說我們為汽車和其他行業開發了這種材料，這些行業一直對碳纖維增強塑料的重量輕感興趣，但采用率低，是因為碳纖維的成本和復雜性，雙金屬大約1毫米厚類似于空心金屬板，與金屬相比具有更好的聲學和減振性能。”

 

　　雙金屬夾在兩個金屬板之間的ZRT結構核心

　　那么金屬外殼和Z軸銑削碳纖維之間的電偶腐蝕呢？”“這不是一個問題，”他解釋說，“因為我們在ZRT薄膜的金屬配合面上使用了一層富含樹脂的層和/或在頂部使用了粘合劑或TP薄膜。當然，對于鈦不需要任何東西，但是如果客戶認為有必要滿足應用要求，我們也可以使用薄的芳綸纖維或玻璃纖維面紗。”雙金屬坯料暖沖壓到接近熱塑性聚合物基體熔化溫度的組件中。

　　波士頓材料公司目前正與消費電子、汽車、卡車運輸和航空航天領域的七家知名制造商合作，在本地增強、電磁干擾屏蔽、雷擊防護、熱管理和減震等方面尋求產品資質。資格認證預計將在2022年完成，該公司計劃宣布新的合作伙伴關系、申請和產品。

　　“關于Z軸碳纖維技術的潛力，我們還處在冰山一角，”古里賈拉說我們的終目標是擴大復合材料市場。”