預(yù)測呈兩位數(shù)增長的碳纖維(CF)市場正走向光明的未來。大部分碳纖維用于碳纖維增強(qiáng)塑料組件 (CFRP)中。 特別在汽車領(lǐng)域，碳纖維增強(qiáng)塑料被認(rèn)為是增長的動力。其中的實(shí)例之一是寶馬i3的，碳纖維增強(qiáng)塑料被應(yīng)用于2015年售出的24000輛車型中。

但是，今天要用CFRP（或其它纖維如玻纖）取代所有的金屬部件是不現(xiàn)實(shí)的。對此需承擔(dān)共同責(zé)任的是金屬加工，尤其是深拉部件經(jīng)驗(yàn)的進(jìn)一步豐富。這些深拉部件之所以得以成形是由于金屬的流動性。比如，可以通過深拉工藝，在金屬部件上產(chǎn)生局部的變薄，從而形成瓦楞狀。

有局限的復(fù)雜有機(jī)板材

從工藝發(fā)展的角度看，流動性將金屬板材與CFRP半成品這種所謂的有機(jī)板材清晰地區(qū)分開來。由于增強(qiáng)碳纖維難以流動，懸垂性能這一用以描述兩維材料適應(yīng)三維形狀的能力，即便有，也會很低。本文主要側(cè)重于探討InTeKS(用短碳纖創(chuàng)新型紡織品結(jié)構(gòu)；開發(fā)一種創(chuàng)新性可塑性變形的有機(jī)板材)，并揭示了一種具有出色懸垂性的熱塑性塑料半成品的理念。這一項(xiàng)目將推動熱塑性CFRP的大規(guī)模應(yīng)用。

CFRP應(yīng)用的日益廣泛也帶來了其它挑戰(zhàn)：其中之一就是，隨著CFRP應(yīng)用的增加，廢棄物也會增多?，F(xiàn)在這些廢棄物主要來自于CFRP部件的，但未來還會有使用壽命終了（EOL）的廢棄物。研究表明，2020年，CFRP廢棄物會達(dá)到21000噸，其中13800噸為廢棄物，7200噸為EOL廢棄物。這樣，InTeKS項(xiàng)目的另一個(gè)目標(biāo)就是將回收的碳纖維作為新的具有高懸垂性有機(jī)板材的原材料。這兩個(gè)大的目標(biāo)可以形成理想的互補(bǔ)。

當(dāng)前的障礙

當(dāng)采用傳統(tǒng)的有機(jī)板材時(shí)，對部件復(fù)雜性的限制可以被視為這些半成品的劣勢。其中的一個(gè)原因是懸垂性的獲得，它會直接影響單粗紗的粘結(jié)類型，尤其與織物的粘結(jié)性。粗紗交織次數(shù)越多，剪切角越小，懸垂性也越差。平紋織物的交織點(diǎn)*多，因此波紋**。經(jīng)緞織物每隔三四根粗紗才有一交織點(diǎn)，降低了波紋，**限度提高了剪切角和懸垂性。但不管是什么織物類型，實(shí)際情況是，碳纖維不發(fā)生塑性變形，斷裂伸長率遠(yuǎn)低于2%。具體取決于碳纖維類型。

圖1：回收碳纖維是新型高懸垂有機(jī)板材的原材料（? ITV）。

回收碳纖維（rC纖維）只存在有限的和隨機(jī)取向形式（圖1）。rC纖維進(jìn)一步加工成半成品的**工藝沒有改變這一形式，制成了纖維取向不明確的氈和無紡布。基于這一形勢，rC纖維只能用于半結(jié)構(gòu)件。但是，在大多情況下，這標(biāo)志著“下降性循環(huán)”，也即材料原有的大部分功能都會喪失。向結(jié)構(gòu)部件方面發(fā)展的“**的”回收只能通過實(shí)際有機(jī)板材中那樣，長度無限排列整齊的碳纖維才能實(shí)現(xiàn)。

用回收碳纖維短纖紗

InTeKS項(xiàng)目的目標(biāo)是在使用回收碳纖維的同時(shí)，改善有機(jī)板材的懸垂性。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的戰(zhàn)略是用rC短纖進(jìn)一步成rC短纖紗來CFRP（圖2）。InTeKS材料獨(dú)特的特性是回收rC短纖紗的結(jié)構(gòu)。rC和單纖PA6纖維主要因摩擦力的作用形成紗線。這種結(jié)構(gòu)使得單根碳纖可以在熱成型時(shí)滑移，其表現(xiàn)就像在深拉工藝中，金屬的塑性流動一樣，從而確保獲得可與傳統(tǒng)無皺褶織物相媲美的懸垂性，提高了可以獲得形狀復(fù)雜、輕量化的部件的可能性。

圖2：中間站：通過表面披覆紗線，rC短纖紗獲得了特殊結(jié)構(gòu)，使得單纖維在熱成型過程中可以滑移（? ITV）。

負(fù)責(zé)的團(tuán)體由來自整個(gè)流程鏈的代表組成，從回收碳纖維的處理，到紗線和面料的，再到有機(jī)板材以的，以及將它們熱成型加工成展示部件（圖3）。材料和工藝的開發(fā)與用以模擬基于rC纖維的CFRP懸垂性的模型的開發(fā)一起進(jìn)行。

圖3：InTeKS項(xiàng)目（用短碳纖創(chuàng)新型紡織品結(jié)構(gòu)）合作伙伴及時(shí)間表：（來源：IVW）

圖4：工藝：開松rC纖維，按纖維束方向排列整齊（來源：ITV)

這**程鏈從德國格羅瑙的Altex Textil-Recycling GmbH & Co. KG（Altex紡織品回收有限公司）將rC纖維從廢棄的紗管上取出開始。由剪切設(shè)備（商：位于比利時(shí)Corbion 的Pierret Industries公司）按照規(guī)定的約80mm的長度剪切纖維。然后處理過的rC纖維由德國鄧肯多夫的Textile Tech- nology and Process Engineering（紡織技術(shù)及加工工程研究院）(ITV)加工（圖4）。首先，在用德國柏林的Memmingen Textil Engineering公司（原名Maschinenfabrik Memmingen）對纖維進(jìn)行梳理之前，用法國Cours la Ville 的Laroche公司的設(shè)備開松rC粗紗（此處纖維被相互分離成單獨(dú)的一根根纖維），然后加工成纖維條（圖5）。此后，rC纖維條用ITV公司自己開發(fā)的設(shè)備（圖6）紡成rC短纖紗，**卷繞在紗筒上。這些筒子被發(fā)運(yùn)到項(xiàng)目的另一個(gè)合作伙伴、Gustav Gerster旗下的Gerster TechTex公司，由其將rC短纖紗成無皺褶織物。

圖5：喂入rC短纖束供紗線用（ITV）

圖6：用自己（ITV 登肯多夫）開發(fā)的“Spinntester” 紗線

rC短纖紗制成的粗紗

Gerster TechTex是一家有經(jīng)驗(yàn)的高懸垂性粗紗的企業(yè)，如，他們有一只產(chǎn)品叫“Drapfix”。他們的任務(wù)是將rC短纖紗制成粗紗。**批試驗(yàn)顯示，可行的辦法是對紗線施加大的徑向應(yīng)力（圖8）。這樣，就掌握了無褶皺面料工藝的關(guān)鍵一步。

圖7：rC短纖紗管：2D紡織品用（? ITV）

成品無褶皺面料被送到德國凱澤斯勞滕復(fù)合材料研究院（IVW）。在那里，和項(xiàng)目合作伙伴德國布里隆的Bond-Laminates公司一起合作，將這些面料壓制成有機(jī)板材。接下來，會對有機(jī)板材進(jìn)行**的表征，尤其是，會采用由IVW與德國棟茨多夫的Kunststoff Wagner工具公司合作開發(fā)的各種特別測試工具考察其懸垂特性。這一過程中重要的一個(gè)方面是，rC 短纖紗塑性伸長率的測試。在項(xiàng)目臨近結(jié)束時(shí)，有一種帶有各種苛刻要求的特性如半徑約為1mm，拉伸角1°，邊緣等非常具有挑戰(zhàn)性的工具，來展示材料出色懸垂特性。

圖8：左：rC短纖紗用作緯紗，面臨著旋轉(zhuǎn)90°的挑戰(zhàn)。右：窄幅面料（? Gerster TechTex）

用仿真模型來進(jìn)行新型有機(jī)板材的開發(fā)，它可以預(yù)測材料在熱成型過程中的懸垂過程。這種模型由IVW與位于德國斯圖加特的Dynamore Gesellschaft für FEM-Inge-nieurdienstleistungen mbH合作開發(fā)。該模型將檢驗(yàn)典型的畸變，如粗紗擴(kuò)散、纖維取向度（剪切）改變、折疊區(qū)域以及材料變薄等。

rC纖維制成的結(jié)構(gòu)性部件

盡管InTeKS項(xiàng)目還在**年，但已經(jīng)完成了**個(gè)里程碑。連續(xù)的、排列整齊的rC短纖紗的成功是回收碳纖維結(jié)構(gòu)性部件的重要一步。對這種紗線進(jìn)行表征，以及確定它們的機(jī)械性能將是接下來的重要突破。

除了能夠提高部件復(fù)雜度，還可通過利用回收碳纖維來降低材料成本。這使得汽車行業(yè)對InTeKS材料產(chǎn)生了興趣，因?yàn)樵谔蓟厥疹I(lǐng)域新的可能性有助于歐盟實(shí)施自2015年1月1日生效的關(guān)于舊機(jī)動車EOL廢棄物回收的法律。因?yàn)檫@些舊汽車EOL廢棄物將達(dá)到車輛重量的95%。

從這些車輛中回收用過的CFRP，同時(shí)又不降低它們的機(jī)械性能的潛在可能，使得CFRP的應(yīng)用更具吸引力。但項(xiàng)目**的目標(biāo)，即通過使材料變得具有塑性伸長特性，從而改善有機(jī)板材的懸垂性，將為在這一領(lǐng)域進(jìn)一步的研究提供動力。