自增强复合材料时代已经到来？—开发新材料加速 "空中出租车 "的到来

近日，韩国科学技术院（KIST）宣布在自增强复合材料（SRC）的开发方面取得重大突破，这是一种具有优异物理性能和可回收性的下一代复合材料。该自增强复合材料由单一类型的聚丙烯（PP）聚合物制成，因其成本低、重量轻和可回收利用等优点，正逐渐成为飞机中使用的碳纤维增强复合材料的潜在替代品。

与以往在增强材料或基体中混合不同化学成分以改善流动性和浸渍的生产工艺不同，该团队通过使用四轴挤出工艺调整聚丙烯基体的链结构，实现了对熔点、流动性和浸渍的控制。

新开发的 SRC 具有超越以往研究的优异机械性能。该材料的粘合强度、拉伸强度和抗冲击性分别提高了 333%、228% 和 2,700% 。此外，在用作小型无人机的框架材料时，SRC 比传统碳纤维增强复合材料轻 52%，飞行时间延长 27%。这些发现凸显了该材料在下一代移动解决方案中的应用潜力。

该团队表达了 100% SRC 工程流程的实用性，并强调了其对各行业的直接适用性。同时该团队打算继续与研究伙伴和行业合作，以提高磁增强复合材料的全球竞争力。

在开发 100% SRC 材料方面取得的这一突破为未来的交通，特别是城市空中交通（UAM）提供了前景广阔的前景，因为它提供了一种可减少碳排放的节油环保型解决方案。

什么是自增强复合材料？

随着航空航天、汽车、建筑等行业对轻质材料的要求越来越高，聚合物复合材料，尤其是热塑性复合材料变得越来越常见。复合材料用量增加的趋势意味着，能够回收利用纤维增强复合材料制成的部件变得越来越重要。热塑性塑料制成的材料可以简单地重新熔化并重新模塑成新的部件，但如果含有玻璃纤维或碳纤维，则无法做到这一点，因为这些纤维无法熔化。因此，必须将复合材料切碎，用作性能较低的短纤维增强聚合物复合材料。为满足可回收纤维增强聚合物复合材料的需求，必须使用可与聚合物基体一起熔化并与熔体相容的纤维。而这就导致了自增强聚合物复合材料(SRCs) 的开发。

自增强聚合物复合材料是一种纤维增强复合材料。这些材料中的纤维增强材料是与基体相同的聚合物高取向版本。例如，用高取向聚丙烯纤维增强聚丙烯基体。

自增强聚合物复合材料目前正在使用多种不同的热塑性聚合物进行开发，例如如聚酰胺、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚丙烯等。但这些材料中最成熟的还是聚丙烯材料。

自增强复合材料的优势与不足

与传统的纤维增强复合材料（如 GRP 和 CFRP）相比,SRCs复合材料具有一系列优势。这些优势包括大大提高了可回收性、密度极低和冲击性能极高。

其中最重要的优势是可回收性。由于SRCs复合材料是 100% 的热塑性塑料，因此回收过程非常简单。与传统的纤维增强复合材料不同，SRCs复合材料与玻璃和碳纤维增强材料一样，需要先将增强材料与基体分离，然后才能进行有效回收。在产品使用寿命结束时，只需将组件重新熔化并重新造粒。这些颗粒可以再加工成新的部件。

第二个明显的优势是密度。SRCs复合材料使用与基体相同的聚合物进行增强。这意味着，虽然材料的性能显著提高，但密度却不会增加。这就可以制造出重量极轻的材料，显著减轻成品部件的重量。

虽然 SRCs复合材料有许多显著的优点，但也并非没有缺点。其中第一个缺点就是对温度的敏感性。在加工过程中，必须非常精确地控制温度，以便只熔化基体材料，同时保持增强材料不受热量破坏。由于这些材料的加工窗口相对较小，因此很难做到这一点。

其次，这些材料是 100% 的热塑性塑料，因此不能用于高温应用，因为它们会迅速失去特性。

生产 SRCs复合材料主要有两种加工工艺：热压和共挤。

热压法是一种将高取向聚合物带非常精确地加热（±0.5°C）的方法。这种加热方式可使大约 10% 的聚合物带熔化。

在施加压力的情况下，熔融聚合物在胶带的晶格中流动，形成连续的基质。然后，板材在压力作用下冷却，使基体凝固。这一过程产生的刚性板材可以进行热成型。Propex Fabrics 使用这种工艺批量生产一种名为 Curv™ 的自增强聚丙烯板材。

生产SRCs复合材料的第二种主要方法是共挤法。从高熔点等级的所选聚合物中挤出高取向度的聚合物带。在这一过程中，同一系列聚合物的低熔点等级被挤压到带子表面。这些胶带随后可编织成织物。在后加工成定型部件的过程中，胶带的外层先于拉伸聚合物的内芯熔化。在压力作用下，这种低熔等级的聚合物会在整个织物中流动。冷却时，这种低熔等级的聚合物重新凝固，形成复合基体。Don & Low、Milliken 和 Lankhorst 均采用这种方法生产自增强聚丙烯织物和板材。

自增强复合材料成品展示

在此我们列举下国外一个被称之为“Smart PRESS 2”的项目中使用自增强复合材料制备的两个产品演示。

—防弹帽

防弹帽是一个具有挑战性的部件，它包含了很深的拉深、复杂的弧度和暗切。这个部件的尺寸要求非常精确，因为它是设计用来固定在现有头盔上的部件。

该部件厚度为 9 毫米，以满足弹道要求。考虑到部件的厚度和拉伸深度，决定使用织物形式的自增强聚丙烯制造该部件。因此，在模具设计中加入了复杂的管道系统，以便快速有效地对模具和材料进行独立加热和冷却。经过多次反复试验后，该部件成功成型，使用的是复杂的材料包，内含 4 种不同形状的坯料。

该部件采用项目开发的数控加工技术进行成型和修整。该部件的设计符合 NIJ 0106 2 级（美国人体装甲）规范，可抵御 9 毫米全金属护套弹。

—航空航天组件

该航空航天部件是一个非常大的部件（直径 950 毫米），拉伸非常深，几乎是垂直的。该部件在厚度和整体尺寸方面都有非常高的公差要求。与防弹帽一样，由于需要非常深的拉伸，该部件选择了织物而不是板材。由于尺寸大，公差要求高，该模具的加工特别复杂。这种模具也是一种铸造模具，内部装有加热和冷却管道系统。设计中必须考虑到模具的热膨胀。该工具包括用于精确厚度控制的内部挡块。该工具还采用了以前从未尝试过的气动夹紧板，用于在模具闭合时限制织物包。该工具的最后一个功能是预装板，可将织物铺在硬板上，然后放入压机。如果没有这项功能，几乎不可能装上所需尺寸和厚度的织物包。

由于在模具设计时进行了仔细考虑，该零件的成型效果非常好设计。该部件符合所有公差规范，并通过了独立和组装到完整系统中的性能测试。

随着人们对自增强聚合物复合材料的兴趣与日俱增，该行业也在高速发展。而试验也证明， 自增强复合材料可为各种不同的工业部门生产高质量、高性能的部件。

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