高翔宇

1 環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料原材料、半成品

1.1 尖端模型、模具制造用原材料

1.1.1 板材、液體材料

RAMPF Composite Solution公司是全球業(yè)界頂級(jí)研制宇航和醫(yī)療領(lǐng)域復(fù)合材料制品的公司，其采用尖端技術(shù)——高壓釜外真空樹(shù)脂傳遞模塑工藝、樹(shù)脂灌注和增值組件，將先進(jìn)碳纖維（CF）、玻璃纖維（GF）復(fù)合材料制成優(yōu)異制品（如機(jī)械加工公差極微小的制品）。該公司研發(fā)用于尖端模型和模具制造的板材和液體材料，如用于“閉合輪廓模型和模具”的糊料（膏）、大容量全規(guī)格澆鑄件、原型系統(tǒng)等。

1.1.2 半成品組合、氰酸酯樹(shù)脂系統(tǒng)

上述公司研發(fā)用于生產(chǎn)模型、模具、復(fù)合材料構(gòu)件的環(huán)氧、聚氨酯系統(tǒng)組成的廣泛、現(xiàn)代、平衡的半成品或產(chǎn)品組合，其適用的成型工藝很多，成型溫度寬泛；可確保加工成輕質(zhì)且性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。RAKU FST牌氰酸酯樹(shù)脂系統(tǒng)的黏度低、機(jī)械性能優(yōu)異，阻燃性、阻煙性和毒性符合頂級(jí)宇航制造的要求，已獲多個(gè)原始代工（OEM）平臺(tái)認(rèn)證，它可灌注成型于民用飛機(jī)的二次結(jié)構(gòu)，如飛機(jī)內(nèi)飾件、門(mén)、隔間、排氣系統(tǒng)構(gòu)件等。

1.2 轎車用混雜材料

Sabic公司利用混雜材料（包括連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料復(fù)合材料、UDMAX GPP45—70編織帶）研制成轎車的側(cè)門(mén)。嗣后，發(fā)布了其有效使用期評(píng)估：它可改善轎車嚴(yán)格的能源消耗和尾氣排放規(guī)則。就導(dǎo)致全球氣溫變暖的潛力和積累能源需求而言，連續(xù)纖維增強(qiáng)聚丙烯（GF/PP）制轎車側(cè)門(mén)優(yōu)于金屬（鋼、鋁、鎂）制轎車側(cè)門(mén)，與后者相比其質(zhì)量輕，強(qiáng)度和耐腐蝕性更強(qiáng)，生產(chǎn)效率（當(dāng)采用注射模塑工藝時(shí)）更高。

當(dāng)采用ISO14040/44標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，連續(xù)玻璃纖維/UDMAX GPP45—70編織帶/熱塑性樹(shù)脂基材注射模塑成型的轎車側(cè)門(mén)的性能，幾乎與金屬制轎車側(cè)門(mén)相當(dāng)。把UDMAX GPP45—70編織帶摻和到層壓板里，然后二次模壓到STAMAM牌連續(xù)纖維增強(qiáng)聚丙烯層壓板的兩側(cè)邊，進(jìn)而制成轎車側(cè)門(mén)。轎車的運(yùn)行參數(shù)是以3種汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)（無(wú)匹配內(nèi)燃系統(tǒng)、插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)和電動(dòng)系統(tǒng)）為基礎(chǔ)的。按照新歐洲駕駛循環(huán)計(jì)算，混雜材料制轎車側(cè)門(mén)的有效行駛總路程超過(guò)20萬(wàn)km。

內(nèi)燃機(jī)轎車的熱塑性復(fù)合材料側(cè)門(mén)的生產(chǎn)也將增加全球氣溫變暖的風(fēng)險(xiǎn)，比3種金屬制側(cè)門(mén)低：比鋼側(cè)門(mén)低26%，鋁側(cè)門(mén)低21%，鎂側(cè)門(mén)低27%。這些數(shù)據(jù)與插電式混合動(dòng)力和電動(dòng)系統(tǒng)轎車側(cè)門(mén)稍微不同。就積累能源需求而言，轎車的熱塑性復(fù)合材料制側(cè)門(mén)也比3種金屬制側(cè)門(mén)低：比鋼側(cè)門(mén)低10%，鋁側(cè)門(mén)低13%，鎂側(cè)門(mén)低26%。一些國(guó)家（如中國(guó)、日本、部分歐盟國(guó)家）已宣布即將加強(qiáng)汽車尾氣排放控制?？傊?，汽車材料迫切需求不犧牲制品性能，卻能減輕制品質(zhì)量的新穎先進(jìn)材料。

1.3 汽車、風(fēng)電機(jī)葉片用預(yù)浸料和掛車地板

德國(guó)Hexcel公司推出用于制造運(yùn)動(dòng)型多用途汽車（SUV）、貨車、有蓬貨車的懸掛系統(tǒng)板簧的預(yù)浸料。與鋼制板簧相比，預(yù)浸料制板簧具有明顯優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)量輕（最多減輕70%）、耐腐蝕性高、乘坐舒適性更佳。與其他復(fù)合材料制板簧相比，預(yù)浸料制板簧的固化時(shí)間少50%、機(jī)械性能高15%、耐熱性能更優(yōu)異。該公司還推出用于風(fēng)電機(jī)葉片和其他巨型構(gòu)件的表面精加工預(yù)浸料。它可應(yīng)時(shí)涂敷、表面處理，模具不需要模內(nèi)涂層、效率高、成本低、韌性高且耐用。

該公司把Polyspeed牌玻纖/樹(shù)脂層壓板與新穎卡車掛車木地板相結(jié)合，從而制成了Fusion Floors牌卡車掛車地板。它的優(yōu)點(diǎn)是：節(jié)省燃油耗量、提高地板載荷率和延長(zhǎng)掛車的有效使用期。此外，該公司還推出用于研發(fā)新的HeMax無(wú)褶皺織物模擬技術(shù)。它將昂貴的實(shí)驗(yàn)程序的需求壓縮到最低限度。該公司還將展示模擬技術(shù)的最終構(gòu)件+二維平面織物加強(qiáng)件。

1.4 造船用半成品組合、預(yù)加固網(wǎng)點(diǎn)印刷膠粘增強(qiáng)材料

德國(guó)Hexcel公司推出造船用材料（如制造船殼、甲板、桅桿等），例如：①半成品組合——含有獲得挪威檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)（DNV）和德國(guó)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)（GL）認(rèn)可的預(yù)浸料、紡織纖維和多軸織物；②HiMax牌預(yù)加固網(wǎng)點(diǎn)印刷膠粘增強(qiáng)材料用于灌注成型工藝準(zhǔn)備期間手糊多層織物，注射樹(shù)脂以前不需要噴射粘接劑，簡(jiǎn)單地展開(kāi)就可提供最佳粘接性能，適用于模具或芯材層。其優(yōu)點(diǎn)有：樹(shù)脂流動(dòng)性好；污染風(fēng)險(xiǎn)低和減輕質(zhì)量。該公司還推出Polyspeed牌預(yù)固化拉擠層壓技術(shù)。它是下述制品的低成本增強(qiáng)技術(shù)：耐腐蝕性好、耐用性好、剪切強(qiáng)度高、質(zhì)量管理性能好的大規(guī)模復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制品——單向CF/聚氨酯的連續(xù)橫斷面型材（便于運(yùn)輸和保存）的制品。其優(yōu)點(diǎn)是：完美的纖維排列和始終如一的高機(jī)械性能、優(yōu)異的剛度—重量比率、高斷裂韌性和高剪切強(qiáng)度。

2 技術(shù)、生產(chǎn)設(shè)備、制品

2.1 拉擠成型工藝

2.1.1 最大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂制粒子加速器

全球最大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）位于瑞士日內(nèi)瓦的一條長(zhǎng)27km的地下圓形隧道（見(jiàn)圖1），是歐洲核子研究組織（CERN）研制的。LHC里的拉擠成型碳纖維復(fù)合材料（CFRP）粒子加速器是Exel Composites公司（全球第二碳纖維制造商）研制的。作為L(zhǎng)HC的緊湊緲子線圈探測(cè)器（CMS）的粒子牽引車的支撐結(jié)構(gòu)，是在極端挑戰(zhàn)、惡劣環(huán)境中必須嚴(yán)格滿足的尺寸公差的拉擠成型制品。為了提高粒子沿軌跡運(yùn)行的能量，LHC是由具有許多長(zhǎng)27km的加速結(jié)構(gòu)、環(huán)形超導(dǎo)磁體組成。加速器里的2束高能質(zhì)子梁以接近光速的速度傳輸粒子。然后質(zhì)子梁才在相反方向環(huán)繞著其環(huán)形體上的4個(gè)點(diǎn)上相撞。CMS是位于4個(gè)相撞點(diǎn)中的1個(gè)點(diǎn)上，利用硅跟蹤儀（硅跟蹤儀由排列于12個(gè)同心層的環(huán)繞著7.5億個(gè)單電子傳感器通道組成。）記錄粒子所走過(guò)的路徑。為了盡可能地減少對(duì)粒子的干擾，硅跟蹤儀需要精準(zhǔn)、輕巧地記錄粒子的運(yùn)行軌跡。長(zhǎng)21m的CMS起著高速、超巨型照相機(jī)作用，以最快4億次/s的速度，對(duì)粒子撞擊場(chǎng)景進(jìn)行三維（3D）抓拍（見(jiàn)圖2）。

Exel Composites公司制造了688個(gè)支撐硅跟蹤儀模塊的結(jié)構(gòu)件的一部分，例如：2個(gè)長(zhǎng)1.2m、壁厚0.7mm的Exel碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂U形型材和L形橫梁，從而構(gòu)成CMS模塊（安置在小隔間里）。此外CMS還提供了檢測(cè)所需的輕質(zhì)、輻射透明性。下述情況很關(guān)鍵：Exel Composites公司制造的型材必須在規(guī)格尺寸和平直度以及在CMS里遭受的低溫環(huán)境里維持所有機(jī)械性能，都能滿足非常嚴(yán)格的公差要求。為了提供制品所需的高剛度、高熱穩(wěn)定性，型材選用高模量單向CF。為了便于加工選用薄表面玻纖紗。然后，為確保結(jié)構(gòu)尺寸公差±0.05mm，所有構(gòu)件和固定件都必須在裝配架里邊進(jìn)行粘接、裝配。上述復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的要求很具挑戰(zhàn)性。Exel Composites公司研發(fā)的薄壁CF/環(huán)氧樹(shù)脂U形型材的技術(shù)很先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)效益好（如降低CF消耗量）。

2.1.2 拉擠成型復(fù)合材料智能電線桿

芬蘭Pultrusion公司所屬Excel Composites分公司研制成用于5G工程的復(fù)合材料層壓板。5G工程的目的是為各公司與用戶之間借助于智能電線桿網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)造廣袤的信息量。該公司與伙伴公司合作研制成復(fù)合材料智能電線桿：采用連續(xù)玻纖、聚氨酯樹(shù)脂拉擠成型電線桿。對(duì)電線桿的材料（層壓板或型材）的要求是：①使5G毫米波穿過(guò)該材料的損耗值最小——如同該電波穿過(guò)電桿壁的損耗值一樣；②易于安裝；③電桿的有效服務(wù)期長(zhǎng)（長(zhǎng)于鐵桿、木桿）。該電桿的功能是提供電線桿、建筑鑄件、氣候防護(hù)和5G天線罩的共同功效，為廣大居民提供了理想的無(wú)線通訊和照明（見(jiàn)圖3）。

2.2 纏繞成型工藝

2.2.1 氫氣儲(chǔ)罐的纏繞工藝

德國(guó)R o t h C o m p o s i t e Machinery公司研發(fā)纖維纏繞、預(yù)浸料、有機(jī)片材的生產(chǎn)設(shè)備（包括：①纖維纏繞、預(yù)浸料的生產(chǎn)設(shè)備；②編織、涂層的生產(chǎn)設(shè)備；③刷子和掃帚的生產(chǎn)設(shè)備）。設(shè)備的特點(diǎn)是：安裝期短、可選用各種纖維——從簡(jiǎn)單的玻纖到著色的、高強(qiáng)纖維。正試驗(yàn)的纖維纏繞機(jī)的重量達(dá)120t，具有3個(gè)牽引托架（俗稱：小車）。該公司正研制極精準(zhǔn)、高效加工氫氣儲(chǔ)罐的生產(chǎn)線（見(jiàn)圖5）。

2.2.2 纏繞成型玻璃鋼（FRP）管

荷蘭馬斯特里赫特市新高速公路的多層公路隧道里，原設(shè)計(jì)的消防水網(wǎng)絡(luò)的水管都是不銹鋼管。施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：消防水網(wǎng)絡(luò)的鋼管成本太高；鋼管焊接部位腐蝕坑的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)大；鋼管的原材料供應(yīng)短缺，延誤工期。于是果斷決定改為玻璃鋼管：管的直徑125mm，管網(wǎng)總長(zhǎng)度4.2km（見(jiàn)圖5）。FRP管選用Aliancys公司的Atlac牌樹(shù)脂為粘接基材，玻纖做增強(qiáng)材料纏繞成型FRP管。

2.3 高壓纖維浸漬技術(shù)

Sabic公司采用高壓纖維浸漬技術(shù)——使纖維（如：GF、CF）與熱塑性粘接基材高效浸漬、復(fù)合，導(dǎo)致連續(xù)纖維具有富樹(shù)脂表面層、氣泡最少、斷頭最少。一個(gè)纖維帶卷筒里的連續(xù)纖維/熱塑性粘接基材帶的長(zhǎng)度達(dá)4 000m。利用該技術(shù)研制成加工水（氣、油）管、罐的UDMAX GPE45-70牌玻璃纖維/高密度PE（聚乙烯）帶。

2.4 編織帶的纏繞工藝和鋪敷技術(shù)

德國(guó)Conbility GmbH和Frauhhofer IPT公司合作研發(fā)編織帶的纏繞工藝和鋪敷技術(shù)。新的PrePro二維鋪敷機(jī)由圍繞著應(yīng)用站的旋轉(zhuǎn)桌和移動(dòng)桌組成，它可把注射工藝連續(xù)熱成型或增韌結(jié)構(gòu)的單向?qū)訅喊遄詣?dòng)鋪敷縫制帶（見(jiàn)圖6）。應(yīng)用站安裝著單線軸或多線軸。原位凝固成型工藝具有9kW紅外線固化區(qū)。三維鋪敷機(jī)用于激光輔助熱塑性帶鋪敷、紅外線固化輔助熱固性預(yù)浸料鋪敷和干纖維鋪敷。

2.5 復(fù)合材料固化用智能加熱設(shè)備

傳統(tǒng)復(fù)合材料制品固化工藝：將坯料投入高壓釜里，經(jīng)受高溫、高壓最終固化成制品。高壓釜是固化生產(chǎn)線的瓶頸。解決的策略是：縮短制品的生產(chǎn)周期、降低能耗和成本。英國(guó)蘇格蘭Spirit AeroSystem公司屬下 Advanced Technology Center與某大學(xué)合作，研發(fā)復(fù)合材料固化用智能加熱設(shè)備。其原理是：借助于實(shí)時(shí)監(jiān)控和反饋，從而控制固化過(guò)程。與復(fù)合材料固化的傳統(tǒng)加熱設(shè)備相比，其優(yōu)點(diǎn)有：①其固化周期與制品的幾何形狀相匹配，傳統(tǒng)加熱設(shè)備中二者則不匹配；②傳統(tǒng)固化溫度高，巨型構(gòu)件的固化周期達(dá)數(shù)小時(shí)，新設(shè)備的固化速度快40%；③新設(shè)備的固化成本降低5%；④新固化技術(shù)是多個(gè)具有智能加熱設(shè)備的加熱區(qū)取代高壓釜；⑤新設(shè)備的固化構(gòu)件的規(guī)格幾乎不受限制，巨型構(gòu)件很多：從風(fēng)電機(jī)葉片到下一代復(fù)合材料飛機(jī)機(jī)身等。世界最大的高壓釜支持Spirit公司的復(fù)合材料飛機(jī)機(jī)身的營(yíng)業(yè)（見(jiàn)圖7）。

2.6樹(shù)脂注射工藝的多層真空微孔通道技術(shù)

Solvay 公司研制成用于樹(shù)脂注射工藝的Vac-Ply VMS3牌多層真空微孔通道。在樹(shù)脂注射工藝過(guò)程中，該通道可最大限度排除樹(shù)脂里的空氣，改善樹(shù)脂對(duì)纖維的浸漬性能，從而杜絕層壓板里呈現(xiàn)“白點(diǎn)”——纖維未浸漬樹(shù)脂的現(xiàn)象。樹(shù)脂注射工藝中復(fù)合材料巨型構(gòu)件，如：船殼、風(fēng)電機(jī)葉片客觀要求長(zhǎng)距離真空通道，方可圓滿完成樹(shù)脂注射、樹(shù)脂浸漬任務(wù)。Vac-Ply VMS3牌多層真空微孔通道的優(yōu)點(diǎn)：可減少層壓板表面透見(jiàn)的層壓板層內(nèi)瑕疵，改善纖維與樹(shù)脂之間的線性粘接線，使制品的結(jié)構(gòu)更薄等。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，可粗淺地得出以下幾點(diǎn)管見(jiàn)。

拉擠成型碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料在LHC結(jié)構(gòu)中起著頂梁柱作用。其破天荒的顯著特點(diǎn)是：①規(guī)格超長(zhǎng)大，加工公差卻極微小，如：長(zhǎng)21m的緊湊緲子線圈探測(cè)器（CMS）、27km超導(dǎo)磁環(huán)形體；長(zhǎng)1.2m、壁厚0.7mm的U形型材和L形橫梁；確保結(jié)構(gòu)尺寸公差±0.05mm；②在惡劣環(huán)境、極端挑戰(zhàn)中型材的規(guī)格尺寸和平直度上，都必須嚴(yán)格滿足尺寸公差要求；在CMS中遭受的低溫環(huán)境里確保維持所有機(jī)械性能，滿足非常嚴(yán)格的公差要求；型材選用高模量單向CF（提高強(qiáng)度）、薄表面玻纖紗（便于加工）；為了確保制品的高剛度、高熱穩(wěn)定性，確保結(jié)構(gòu)尺寸公差±0.05mm，所有構(gòu)件和固定件都必須在裝配架里邊進(jìn)行粘接、裝配。

LHC里邊主要的拉擠成型碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料制關(guān)鍵構(gòu)件有：①LHC是由具有許多長(zhǎng)27km的加速結(jié)構(gòu)、環(huán)形超導(dǎo)磁體組成；②做為L(zhǎng)HC的緊湊緲子線圈探測(cè)器（CMS）的粒子牽引車的支撐結(jié)構(gòu)；③688個(gè)支撐硅跟蹤儀模塊的結(jié)構(gòu)件，例如：2個(gè)長(zhǎng)1.2m、壁厚0.7mm的碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂U形型材和L形橫梁。

全球最大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）不失為基礎(chǔ)研究的無(wú)可替代的關(guān)鍵利器、金睛慧眼！且看：當(dāng)代物理學(xué)理論認(rèn)為，4種基本力（引力、磁力、強(qiáng)核力和弱核力）支配著宇宙中所有物理和粒子相互作用的動(dòng)力、方式。如今美國(guó)、日本科學(xué)家在LHC里進(jìn)行粒子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，竟然發(fā)現(xiàn)了“第五種力”存在證據(jù)——μ子g-2因子。這是當(dāng)代世界的一次偉大發(fā)現(xiàn)，就世界力的探索成就而言，這一發(fā)現(xiàn)（雖然尚未最終確認(rèn)）具有劃時(shí)代意義而將載入史冊(cè)。

10.19599/j.issn.1008-892x.2022.02.005