美国赫氏：碳纤维--先进复合材料的关键组成部分

History 市售碳纤维基于三种前体材料之一——人造丝、PAN（聚丙烯腈）和沥青。这些碳纤维类型的早期研究可以追溯到 1950 年代后期。人造丝被转化为碳纤维，被发现可以提供有史以来最坚固、最坚硬的材料。到 1963 年，Curry Ford 和 Charles Mitchell 获得了通过将人造丝热处理到高达 3000 °C 的温度来制造纤维和布料的专利。这些是迄今为止商业生产的最强碳纤维，并导致碳纤维进入“先进复合材料”行业。日本和英国同时进行了转化更高效前体的研究 日本大阪政府工业研究所的 Akio Shindo 在他的实验室中制造出模量超过 140 GPa 的纤维，约为人造丝基纤维的三倍美国生产的纤维 1963 年，英国科学家还为生产更高模量 PAN 基碳纤维的工艺申请了专利。这些快速改进的碳纤维背后的秘诀在于获得纯 PAN，这是一种聚合物骨架，可在加工后提供出色的产量。 进步 在 1970 年代初期，人们发现加热沥青（石油或煤基）会产生可用于生产碳纤维的高碳有机前体。沥青基碳纤维具有优异的模量和导热性，但与 PAN 基碳纤维相比，其拉伸强度和压缩强度不足。 随后几年对这些新型碳纤维材料的持续研究和开发导致了我们今天看到的创新。目前所有三种前体类型的碳纤维都可以在市场上买到，但 PAN 占主导地位，超过 90% 的碳纤维是由这种前体生产的。 商业用途 碳纤维增强复合材料的商业应用在 1970 年代末和 1980 年代初开始加速，并应用于军用和商用飞机以及高尔夫球杆杆身和网球拍等休闲产品。自推出以来，成本/收益权衡一直是碳纤维面临的挑战。早期，飞机设计师渴望获得碳纤维复合材料的减重优势，但他们将复合材料用作“黑铝”，而碳纤维与铝相比成本相对较高，限制了其在商业航空航天领域的应用。军用飞机和武器系统以及娱乐产品引领了对碳纤维的需求增长，而商业航空航天继续了解复合材料可以带来的真正好处。随着在波音 787 和空客 A350 上创新使用碳纤维复合材料，碳纤维复合材料已成为最先进商用飞机的使能技术。 未来 包括 Hexcel 在内的制造商基于碳纤维生产不断创新和构建产品组合。碳纤维现在可提供从标准模量纤维 (33 Msi)、中等模量纤维 (42 Msi) 和高模量纤维 (>50 Msi) 的全系列性能，拉伸强度范围从 500 ksi 到 > 1000 ksi。碳纤维也有多种丝束尺寸（纱线束中的长丝数量），从 1K 长丝到 320K 长丝不等。 复合材料零件生产商现在有广泛的碳纤维性能和产品形式可供选择。近年来，先进的复合材料零件制造已经成熟，从碳预浸料的手工铺层转变为许多自动化和快速的生产工艺。多年来，随着碳复合材料具有成本效益的制造技术的发展增加，制造碳纤维的成本已经下降，从而导致了先进复合材料的广泛采用。 随着碳纤维复合材料使用的增长，该行业必须关注复合材料的报废技术。经济的回收、回收和再加工技术显示出碳纤维的巨大前景。现在有一些方法可以将碳纤维从基质中分离出来，几乎不会降解，并将它们重新用于各种应用。复合材料回收的持续进步对于确保与传统金属和塑料继续保持竞争力至关重要。 Hexcel 很自豪能够成为碳纤维早期开发和商业化的重要组成部分。我们还拥有碳纤维的技术、产品和增值工艺，包括织造、非卷曲织物、预浸料和增材制造材料。我们拥有制造规模和装机容量，可以满足行业未来的需求。我们将继续成为碳纤维的行业领导者，拥有广泛的产品组合和无与伦比的产品系列，在许多航空航天和工业应用中提供卓越的性能 关于作者 Tom Haulik 是 Hexcel 全球碳纤维的销售总监。他在碳纤维行业拥有 40 年的经验，在其整个职业生涯中担任过各种销售和营销职位。他活跃于行业组织，目前是 SAMPE（材料和工艺工程促进协会）的受托人和董事会成员，此前他曾担任国际主席。他活跃于 CAMX、ACMA、NCTO 和其他行业组织。他在宾夕法尼亚州立大学获得工业工程学位。 使用Hexcel复合材料推动飞行的未来 自1948年以来，Hexcel先进复合材料一直在通过减轻航空航天结构的重量并保持其强度来帮助推动飞行的未来。当时，飞机主要由金属合金制成，这些合金非常重、噪音大、腐蚀性强，需要大量的维护，使其效率低于现代飞行解决方案。航空航天工业一直在稳步地将复合材料应用于其设计中，以实现与金属合金同等强度的更轻的解决方案，同时具有许多额外的好处，如耐腐蚀性、所需维护更少、先进的声音衰减（降噪）、更大的设计自由度和更长的寿命。自1987年以来，复合材料在航空航天工业中的使用每五年翻一番，现在许多新型飞机都使用超过50%的复合材料制造，如A350 XWB和波音777X。 Hexcel 复合材料用于当今商用飞机的发动机和机舱、机翼和尾翼组件、机身、窗框、门、地板、镶板等等。A350 和 A320neo 以及波音 787 梦幻客机、737 MAX 和最新的 777X 等飞机都实现了增加使用复合材料的潜力。这些飞机不仅比它们的前辈更轻、更耐用，而且更省油。 2008 年，Hexcel 获得了一份为所有 A350 XWB 复合材料主结构供应碳纤维预浸料的合同。这是该公司历史上最大的合同。Hexcel 在中等模量碳纤维方面的经验被用于设计HexTow® IMA以满足空中客车公司的要求。 HexPly® M21E 预浸料树脂基体由赫氏化学家开发，以确保在固化的预浸料层压板中充分优化纤维的高性能特性。A350 XWB 由空中客车和 Tier 1 使用 HexPly® M21E/IMA 建造的复合材料结构包括整个机身面板、龙骨梁、整个机翼（机盖、翼梁和中心翼盒）和尾翼。A350 XWB 下翼盖是迄今为止由碳纤维制成的最大的单个民航部件，长 32 米，宽 6 米。 Hexcel 的复合材料广泛用于为波音 787 梦幻客机提供卓越的强度、刚度和减轻重量。787 Dreamliner 是第一款采用先进复合材料设计的机翼、机身和尾翼主要结构的商用客机。Hexcel 的碳纤维、结构预浸料、增强织物、蜂窝芯材和工程部件用于整个 787 的许多应用中，特别是在飞机的发动机和机舱、内饰和辅助结构中。 Nacelles 机舱制造商率先采用了大量复合材料。到 1970 年代，为了减轻新一代大型高功率涡扇发动机所需的大型机舱的重量，设计师们转向了复合材料。当今的机舱主要由各种复合材料而非金属制成，不仅可以减轻重量，还可以提供卓越的隔音保护和减少维护的好处。由碳纤维和玻璃纤维、芳纶纸和高温树脂制成的复合材料彻底改变了现代机舱的构造方式。碳纤维环氧树脂预浸料通常占整个机舱结构体积的一半，包括进气罩、风扇罩和推力反向器。增韧环氧树脂预浸料，如 Hexcel 的HexPly® 8552和HexPly® M91环氧树脂基体，推荐用于需要高强度、刚度和抗冲击性的结构应用。 引擎 近年来最大的进步是碳纤维风扇叶片在涡扇发动机上的成功应用。长期以来，行业标准一直是钛制风扇叶片，这种叶片坚固且大部分情况下耐腐蚀。钛叶片需要复杂的叠层和融合制造解决方案。这些叶片最大的缺点可能是它们的重量和维修难度，这相当于更高的燃料和维护成本。碳纤维叶片提供了一种更轻的解决方案，可节省燃料并大大减少维护需求，同时高韧性树脂系统满足冲击要求。 在 1990 年代，为波音 777 客机提供动力的 GE90 是第一台成功实施环氧树脂/碳复合材料风扇叶片的商用涡扇发动机。借助碳纤维叶片，GE 能够将叶片数量从 36 个减少到 22 个，从而显着降低了发动机的整体重量。这些复合材料叶片的抗冲击性在接下来的 15 年中得到了证明，它们经受了 180 多次鸟击，只有一个叶片无法使用。Hexcel 先进的增韧 HexPly® 8551-7 环氧树脂基体是唯一符合 GE90 计划的系统。 由 CFM International（GE Aviation 和 Snecma 的合资企业）开发的 LEAP-1 发动机是首批使用复合材料风扇的单通道飞机发动机之一。该发动机上的风扇叶片由 3D 编织 Hexcel 的 HexTow® 碳纤维制成，然后将其注入树脂传递模塑 (RTM) 树脂。这种新的 3D 编织 RTM 技术不仅减轻了风扇模块的重量（每台发动机约 500 磅），而且还实现了用钛制造具有挑战性的叶片几何形状。这些风扇叶片具有很强的抗冲击性，据说非常耐用，以至于它们没有寿命限制并且免维护。 2013年6月，赫氏与赛峰集团（斯奈克玛的母公司）签署了长期合同，为LEAP-1发动机项目提供复合材料。该合同包括 Hexcel HexTow® IM7 碳纤维，用于制造所有 LEAP-1 发动机风扇叶片和安全壳，包括为空客 A320neo 选择的 LEAP-1A；波音 737MAX 选择了 LEAP-1B，中国商飞 919 选择了 LEAP-1C。 发动机内的其他部件，如风扇外壳、外部导叶、平台和整流罩，也正在转换为复合材料。 蜂窝 蜂窝芯是一种材料，可为夹层结构提供额外的刚度和强度，而几乎不会增加重量。用于航空航天的蜂窝由多种材料制成，包括玻璃纤维、碳、铝和芳纶机械纸。除了其结构特性外，蜂窝还是一种高效的能量吸收器，可用于气流控制、声音衰减和介电应用。蜂窝用作机舱大部分组件的内部结构材料，包括进气口、风扇罩组件、推力反向器和声学衬垫。50 多年前，Hexcel 是第一家以商业规模生产蜂窝的公司，该公司通过为核心产品添加功能来继续创新。世界各地的主要机舱制造商使用 Hexcel 的 HexWeb® HRH-10、HRH-36、CR-PAA 和 HRP 芯设计其组件。 近年来，蜂窝的革命性进步，Hexcel 的HexWeb® Acousti-Cap® 降噪蜂窝，使飞机发动机设计人员能够实现卓越的声学性能，包括在起飞和着陆期间显着降低噪音而不会增加结构重量。这种先进的蜂窝材料由嵌入蜂窝芯的可渗透帽材料组成，以形成声学隔膜。Acousti-Cap® 蜂窝不是将这种声学隔膜夹在单独的蜂窝板之间，而是通过将一个可渗透的盖插入单个蜂窝板的每个单独的单元中来创建的。这使设计人员能够从吸声角度保持面板结构简单且一致。HexWeb® Acousti-Cap® 产品的另一个关键特性是能够使用一种使接缝在声学上不可见的技术来缝合形成毯子的各种蜂窝段。事实证明，这对使用它的所有发动机都有显着的降噪效果。对于最终用户而言，这等同于降低机场着陆费、提高机舱舒适度以及减少其他声学处理，从而降低重量和成本。 美国赫氏：推动汽车的未来 汽车行业是赫氏先进复合材料的新兴市场，部分原因在于公众对更好的油耗、更少的排放和更安全的车辆的需求。 以下是 Hexcel 复合材料如何在皮卡车市场上发挥作用的示例。板簧是高疲劳度汽车零件，负责通过吸收颠簸和保持轮胎在道路上对齐来支撑车辆。通过使用复合材料而不是金属来制造两个后板簧，皮卡车的总重量最多可减少 45 磅。此外，Hexcel凭借在风能方面的经验，掌握了用于复合板弹簧的重型玻璃预浸料的成本效益生产，使其成为一种极具成本效益的应用，并且重量轻且抗疲劳。 根据Composites World发表的一篇文章，每从汽车上卸下 100 磅的重量，燃油效率就会提高 2% 到 3%。轻型汽车的另一个好处是，当整体质量减小时，汽车制造商可以缩小其他部件的尺寸，包括发动机、变速箱、制动器、悬架和电池。碳纤维和复合材料的使用因其性能优势和独特的外观而迅速被高端超级跑车和赛车采用，乘用车行业正在寻找在其设计中实施复合材料的新方法。 Hexcel 的另一项最新复合材料创新是金属/复合材料混合结构——金属结构用复合材料补片加固。这对于碰撞场景中的结构关键部件来说是理想的，但这个概念也可以应用于加强金属结构以改变振动行为。例如，Hexcel 使用碳贴片在铝制副车架上创建了局部加强件，以提供与重 50% 的钢制副车架相同的振动行为。这些复合贴片使副车架制造商能够立即从钢结构转变为铝结构，而不会影响噪音、振动和粗糙度要求。 毫无疑问，赫氏复合材料正在塑造汽车的未来。随着世界开始向电动汽车、自动驾驶汽车甚至飞行汽车等新的创新概念发展，复合材料是一种轻质、耐用的解决方案，可以将所有这些概念变成安全高效的现实。