短碳纤维增强热塑复材--注塑工艺

摘要：一位MCAM客户希望在高性能山地自行车的悬架元件上用复合材料代替金属注射成型（MIM-metal injection molded ）镁，目的是减少质量，避免反应性碱土金属的加工问题。考虑到零件的复杂性和所涉及的生产量，只有注塑成型才能满足客户的价格点。

一位MCAM客户希望在高性能山地自行车的悬架元件上用复合材料代替金属注射成型（MIM-metal injection molded ）镁，目的是减少质量，避免反应性碱土金属的加工问题。考虑到零件的复杂性和所涉及的生产量，只有注塑成型才能满足客户的价格点。

MCAM配制了一种30%FWF短碳纤维增强聚苯硫醚（PPS）复合材料（KyronMAX S-8230），该复合材料满足所有机械要求，包括具有挑战性的疲劳目标，并在该应用中成功替代了镁。

一系列专门为注塑成型配制的短碳纤维增强热塑性塑料（CFRTP）化合物正被用于扩展各种零件尺寸和复杂性的热塑性复合材料的性能。有趣的是，这些材料已被证明在越来越多的应用中优于长纤维热塑性塑料（LFT-long fiber thermoplastic ）复合材料（玻璃纤维或碳纤维）以及金属，从体育用品和汽车零件到医疗器械和航空航天部件。

材料由三菱化学先进材料股份有限公司（日本东京MCAM）配制和销售。MCAM合并了母公司在过去十年中收购的几家以前独立的企业。其中包括前Quadrant AG（瑞士伦茨堡），一家生产玻璃垫热塑性塑料（GMT）和有机片材复合材料以及热塑性工程型材的公司，以及曾经的Piper Plastics股份有限公司（美国亚利桑那州钱德勒市），该公司最初是一家注塑和精密加工零件的生产商，后来扩展到定制的CFRTP复合材料-首先用于自己的用途，后来用于其他注塑产品。

大约在2012年，Piper是一家中型定制注塑厂，为航空航天和体育用品/娱乐设备的客户群提供服务。公司领导层希望发展零部件制造业务，但面临两大挑战。首先，它在寻找团队认为能够使公司在高性能细分市场竞争的化合物方面遇到了困难。其次，该公司希望进入汽车市场，但没有足够的可用成型能力在重大项目上竞争。

这个惰轮是高性能复合射箭弓的一部分，最初是用机加工铝制成的。客户希望转换为复合材料，因此最初尝试了50%FWF长玻璃PA6/6。然而，这种材料在填充复杂的几何形状方面存在挑战，导致零件过早失效。

MCAM为该应用配制了20%FWF短碳纤维增强PA6/6复合材料（KyronMAX S 2220）。新的复合材料不仅能够在不进行修改的情况下在与LFT级相同的工具中成型，而且消除了故障，重量比LFT材料减轻了21%，比原始铝减轻了50%。

第一个问题通过在各种基础树脂和纤维上浆技术上集中研发得到了解决，这导致了一系列高性能、可注塑的CFRTP化合物KyronMAX的开发。这些材料以聚酰胺6/6（PA6/6）、聚邻苯二甲酰胺（PPA）、聚醚酰亚胺（PEI）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）和聚芳醚酮（PAEK）等基质为特征，用短切碳纤维增强。这些化合物大多具有高热性能、广泛的耐化学性、良好的机械性能和低火焰/烟雾/毒性（FST）值，其配方不仅可以替代短玻璃纤维增强和矿物填充的注塑等级，还可以替代LFT化合物（平均起始纤维长度为13毫米）甚至金属。

MCAM复合材料大客户经理Alex Wojtysiak解释说：“在数据表上，LFT化合物看起来更强，但它们通常无法填充我们可以用短碳纤维技术填充的零件几何形状。”。“因为我们的流量要高得多，所以我们能够更好地填充复杂的几何形状，所以我们的化合物会产生更强的部件。”

MCAM全球复合材料技术经理克林特·纽厄尔(Clint Newell)补充道：“与其说我们打算制造各种各样的CFRTP化合物，不如说每种化合物都是为了满足特定客户的特定需求而开发的。”。“随着我们配方能力的增长，我们进入了新市场，会见了新客户，询问他们需要什么，并着手创造一种完美的化合物来满足这些需求。”

不出所料，因为这些化合物最初是由模具工为模具工配制的，所以它们的设计目的是提供易于加工的特性，并始终如一地生产出质量更高、性能更好的零件。MCAM研发总监戴夫·威尔金森(Dave Wilkinson)指出：“我们制定了KyronMAX产品线，以提供更高的流量和纤维相互作用、更低的内应力、更少的各向异性、更强的焊缝、更少的缩痕、更少的翘曲倾向和更高的尺寸精度—无论壁段是厚还是薄。”。“除了我们的配方工作和独特的施胶技术外，我们还对压机进行了改造，以更有效地运行这些材料。”

为什么不寻常的产品名称？MCAM首席创新官兰迪·怀特(Randy White)解释说：“在古希腊神话中，凯龙-Kyron （也拼写为Chiron）是半人马半人。”。“凯龙利用他独特的个人技能超越了他的兽性。我们将其比作我们的化合物，一半是碳纤维，一半是树脂，强壮如马，聪明如人，便于加工。”

随着配方专业知识的增长，该公司引起了三菱化学控股集团（MCHC，日本东京）的注意，该集团于2016年收购了Piper。MCHC立即投入数百万美元，扩大亚利桑那州复合生产线的规模，实现操作自动化，并引入自己的碳纤维上浆和切碎技术，使KyronMAX化合物能够更快、更一致、更高效地生产。随后，在密歇根州建立了第二条复合生产线，在日本建立了第三条。产能的扩大意味着KyronMAX等级可以在北美和亚洲的汽车业务中竞争。其他市场也紧随其后。

现在，随着产能的提高和对更广泛的聚合物和碳纤维材料的获取，MCAM团队一直在忙于开发一系列新产品，其中一些是专门为汽车市场配制的。其中最有趣的是KyronMAX ES 4240，据说是世界上第一个打破414 MPa（60000 psi）抗拉强度屏障的短碳纤维注塑化合物。

该等级是在底特律郊区举行的2019年SPE汽车工程塑料会议（AutoEPCON）上推出的，是一种40%纤维重量分数（FWF-fiber weight fraction）的碳纤维增强PPA，其拉伸模量值为41.2 GPa，弯曲模量值为34.5 GPa，弯曲强度值为552 MPa。PPA是一种特殊形式的聚酰胺，比传统的PA6和PA6/6具有更好的耐热性和更宽的耐化学性，水解倾向要低得多。

KyronMAX ES 4240是专门为汽车用途开发的新型可注塑CFRTP化合物之一，这是一种40 FWF的短碳纤维增强PPA，据说是第一个突破414 MPa（60000 psi）抗拉强度屏障的产品。（一般铝合金抗拉强度60000psi。该公司还没有用到PEKK）

2019年SPE AutoEPCON上推出的其他汽车等级包括专为发动机舱应用开发的高温碳纤维增强PPA等级。据说该等级的玻璃化转变温度(Tg)和连续使用温度(CUT- continuous-use temperature）与PEEK相当，但更容易成型。考虑到汽车和小家电等大批量行业的成本敏感性，该团队也在研究基于聚丙烯(PP)的KyronMAX产品也就不足为奇了。

随着其产品线的扩大，使用这些材料的市场也在扩大。除了长期以来渴望的汽车业务外，该公司现在还提供医疗器械（耐用和一次性）、小家电和消费电子产品（金属替换箱/盖）。航空/航天仍然很重要，体育用品行业也是如此，它已经发展到包括赛车、山地自行车、高尔夫球杆、枪支、复合弓和其他射箭部件的应用。随着几款产品的线性热膨胀系数（CLTE-coefficient of linear thermal expansion）值与金属注射成型（MIM-metal injection molded）铝和镁的值相似，尽管具有更好的韧性、更轻的重量和更低的成本，该团队发现自己在越来越多的应用中取代了金属。

为了向航空航天客户展示KyronMAX复合材料的性能，MCAM设计并生产了一种用于飞机厨房的通用四分之一圈固定锁。由于高负载要求，这些零件目前是用铝生产的。30%FWF短碳纤维/PEI级（KyronMAX S 6230）因其机械性能和火焰/烟雾/毒性（FST）列表而被选中。复合材料部件以一半的重量满足铝的性能要求，目前正在接受多家客户的评估。他们还允许油漆与飞机内部相匹配。

通过与三菱全球更广泛的组织建立联系，MCAM团队可以获得代表更广泛复合材料组合的技术，该组合涵盖了热塑性和热固性化学物质，具有各种增强类型和长度。例如，另一家三菱集团生产分裂和短切丝束碳纤维增强锻造模塑料（FMC- forged molding compound)，这是一种先进的片状模塑料(SMC-sheet molding compound )，有助于弥合短玻璃或碳纤维增强SMC和连续碳纤维增强预浸料之间的性能和加工差距。还有一个小组生产编织和非织造碳纤维增强预浸料和快速固化预浸料压缩成型(PCM- prepreg compression molding)材料。

在MCAM内部，另一项即将商业化的技术是一种新的纺织（非织造、机织和单向）增强的干预浸料系列，其具有称为KyronTEX的热塑性基质。这些产品目前正在进行战略性抽样。

最后，去年夏天，MCAM收购了carbonNXT GmbH和姊妹公司CFK Valley State Recycling GmbH and Co.KG（均为德国Wischhafen），将全套碳纤维回收技术引入该集团的产品中。据说，MCAM团队在合格的商业产品之前，正在使用回收碳纤维测试多种配方。

原文，《Short carbon fiber compounds expand reach of thermoplastic composites 》更新于2022.7.13发布于2021.9.22

补充：热塑复材注塑件在飞机结构中最新的应用