高度对齐的短纤维可定制通用成形原料实现了航空航天性能，在零废弃纤维到零件试点工厂中实现了金属般的成形性。

TuFF短纤维片材用于经济复杂形状复合件UD-CCM开发了可定制通用成型原料(TuFF)，该片材凭借高度的纤维对齐和长度控制，能够达到UD预预产期的纤维体积和性能(此处展示的IM7纤维)，同时因其面内拉伸性，能够轻松成形复杂形状。

可定制原料与成形(TFF- Tailorable Feedstock and Forming)项目由美国国防高级研究计划局(DARPA，弗吉尼亚州阿灵顿)于2015年启动，旨在实现快速、低成本且灵活地制造重量低于20磅的复杂几何复合材料。复合材料在通过自动铺带和纤维铺设(ATL/AFP)等工艺制造的大型刚性蒙皮中，在金属中占优。然而，典型战术军用机体中超过80%的零件体积较小且几何形状复杂。对于这些，机械加工铝材因其高成本和复杂性而受到青睐，因为小零件制造过程复杂。

“你可以买一块4到6英寸厚的铝板，放进CNC加工中心，按下按钮，”复合材料行业和TFF项目顾问杰夫·亨德里克斯(Jeff Hendrix)说。“虽然金属零件制造成本更低，但其额外的重量以及易开裂腐蚀，导致系统性能不佳，”DARPA国防科学办公室项目经理、TFF创始人米克·马赫(Mick Maher)解释道。（尽管马赫于2016年完成了五年DARPA任期，但他对TFF的愿景与现任DARPA项目经理扬·范登布兰德(Jan Vandenbrande)博士有相同之处。)亨德里克斯(Hendrix)表示同意，但指出：“没人会为复合材料在这些小零件中节省重量而付出双倍;它们必须与铝业更具成本竞争力。”

为实现这一愿景，TFF分为两个子项目—第一部分讨论的材料(原料)；成型(成型)，将在下个月的第二部分探讨：

• 由特拉华大学(UD)复合材料中心(UD-CCM，纽瓦克，美国)领导的可定制通用成形原料(TuFF- Tailorable Universal Feedstock for Forming)
• RApid 高性能制造公司(RAPM- RApid high-Performance Manufacturing)由波音公司(美国伊利诺伊州芝加哥)领导

TuFF原料是一种高度对齐、不连续的纤维预成型体，采用薄层形式，可与热塑性树脂(TP- thermoplastic)或热固性树脂(TS- thermoset)混合进行预预料，或以干法形式用于基于浸泡的工艺。UD-CCM的一项每年5吨试点设施展示了一种专利申请中的不连续纤维对准和预成型工艺，该设施包括：

• 短纤维分散与对齐
• 自动铺设与堆叠
• 预产与定制空包生产
• TS/TP成型和液态成型工作站计划于2020年第三季度前新增。

对齐工艺与纤维无关，TuFF预制品采用航空航天级聚丙烯腈(PAN)碳纤维(如IM7、T800)、沥青碳纤维、再生碳纤维、玻璃纤维和陶瓷纤维制造。具有<1%空隙且纤维容积高达63%的层压材料在成形过程中展现出>40%的双轴平面应变能力，使复杂几何形状能够实现金属式成型，无需穿梭或复杂夹板图案。该试点工艺线还展示了TuFF工艺废料的闭环回收和再利用，目标是实现零废弃制造。TuFF在2019年CAMX大会上获得了美国复合材料制造商协会(ACMA)的表彰;美国弗吉尼亚州阿灵顿）凭借其复合材料卓越奖(ACE)项目的一部分，获得了无限市场增长可能性奖。

开发不连续纤维原料

连续碳纤维对TFF的目标提出了两个问题：其成本高昂且难以成型成复杂形状。短纤维具有成形性，但现有的成型形式和工艺，如注塑，无法实现所需的高纤维体积性能（见图1）。此外，还面临如何在日益分散的国防部市场中摊销高模具和零部件开发成本的问题，这些市场采用更为针对任务的平台，产量较低。

“这使得复合材料零件在独特零件/工艺/程序认证上变得昂贵，”UD-CCM主任兼TuFF首席研究员小约翰·W·吉莱斯皮(John W. Gillespie Jr.)博士补充道。因此，TuFF的目标是开发一种既能展现金属状成形性，又能根据国防部各种应用需求和产量进行定制的材料。

图1. 短纤维格式、长纤维性能且可成型且零件成本更低由DARPA资助的TuFF项目目标是一种通用材料，可以根据特定零件和项目需求定制，同时使复合材料在国防应用中能够在国防应用中击败<10公斤）小型零件的机械加工铝材，因为复合材料的市场渗透率较低。 即使商用飞机和汽车技术进步不断提升。

 

亚拉加达(Yarlagadda)说：“TuFF项目旨在解决几个关键挑战，包括如何制造直径更小的短碳纤维，以实现具有航空航天性能的复合材料。”“当时的想法是转向低成本的前驱体，直接制造短纤维，而不是切割连续纤维，目标是实现中间模量(IM)碳纤维的性能。”该项目包括德雷塞尔大学(美国宾夕法尼亚州费城)、弗吉尼亚理工学院与州立大学(美国弗吉尼亚州布莱克斯堡)和克莱姆森大学(南卡罗来纳州克莱姆森)作为分包商，后者承担了大部分沥青纤维的工作。

亚拉加达解释道：“这是一个具有挑战性的问题，因为你面对的工艺与生产连续纤维的过程截然不同。”尽管克莱姆森的多种延距碳纤迭代已被评估，但在DARPA TuFF项目之外，还需进一步工作以开发和成熟该沥青纤维技术。因此，本文呈现的TuFF结果是通过商用连续PAN纤维剪短实现的。成本影响将在下文讨论。

图2. 短纤维材料的历史TuFF终于成功了，弥补了以往努力失败的成果，因为它能够严格控制纤维长度和对齐，且宽高比恰好处于成型的最佳平衡点。

 

几十年来，人们一直在寻找用于经济且可成形复合材料的短碳纤维解决方案(见图2)，包括DiscoTex、拉伸断裂碳纤维(SBCF- stretch-broken carbon fiber)和高性能不连续纤维(HiPerDif- High Performance Discontinuous Fiber)。对于SBCF，机械工艺将连续的PAN碳纤维断裂成25-50毫米或更长的长度。对于所使用的直径0.005毫米的IM7碳纤维(赫氏-Hexcel)来说，这给出了10,000的长径比。

亚拉加达解释说：“超过10,000的长径比需要较大的成形力，”他指出成形的最佳平衡点是100到1,000之间的长径比。TuFF使用3毫米长的IM7光纤，长径比为600。

“自1990年代末以来，技术论文发表显示，长径比为100的短纤维应当与连续纤维的刚度相匹配，长径比为1000的短纤维也应能匹配强度，” 亚拉加达说。“但纤维对齐出了问题。”

HiPerDiF由英国布里斯托尔大学开发，能够使用多种不同长度的碳纤维原料，长度从1毫米到12毫米不等，这些原料悬浮于水中，从喷嘴沉积到基底上，以形成对齐的纤维预成型体。因此，它们相比SBCF在纤维对齐上有所改善，但报告称67%的纤维距离单向在±3度以内。TuFF实现了>95%的纤维在目标方向5度以内排列。

精准控制、均匀一致的微观结构

“通过这种高水平的纤维比齐，我们可以达到与单向固化相同的纤维体积，”UD-CCM助理主任兼TuFF项目负责人德克·海德(Dirk Heider)解释道。他指出，使用3毫米长的IM7碳纤维复合材料，已证明纤维体积控制在40%至63%之间。

另一个关键因素是纤维长度控制;95%的IM7纤维长度为2.8至3.2毫米(名义上为3±0.2毫米)。“你需要保持非常一致的纤维长度，以优化机械和成型性能，实现可重复的工艺，”吉莱斯皮(Gillespie)解释道。海德补充说，3毫米的IM7纤维长度足以实现完整的性能平移，同时降低成形压力和模具成本。“我们控制微观结构，不论纤维类型，”他观察道。亚拉加达补充道：“如果微观结构均匀，就能获得全局一致的响应，从而在成型过程中保持零件厚度的一致性。”

丝束尺寸是个因素吗？“不，”海德说。“你必须在丝状层面对齐，否则你无法获得性质的转化和受控的微观结构。我们从外部供应商接收切碎的IM7丝束，然后通过撒在水中进行丝状化。然后我们将纤维以极高排列的薄片形式沉积，将纤维重新组装，但方式非常受控。”正在申请专利的TuFF工艺生产薄层（8微米厚）的纤维片，这些片材可以叠加成定制的叠层、切割成空白片或切成胶带。薄层指的是铺展的丝束—例如，通常将5毫米宽的12K高强度(HS)碳纤维丝束展幅为25毫米宽的带状材料。海德指出：“我们已经展示了一种薄层胶带，其转向性非常好，半径达到1英寸，而连续纤维胶带只有40-50英寸。”

海德表示，标准模量纤维的直径约为7微米（0.007毫米），这意味着对于TuFF期望的100-1000长径比，纤维长度为4到5毫米。他还指出，复合材料的性能不仅取决于纤维本身，还取决于树脂和树脂-纤维界面。海德说：“我们一直在使用经过表面处理用于航空航天热塑性和环氧基体树脂的商业纤维，但没有按尺寸定制。”“我们展示了短纤维与树脂之间的良好结合，这一点在SAMPE 2019上发表的多篇论文中有所报道。”

航空航天特性，金属状的成型性

吉莱斯皮说：“我们正在用聚醚酰亚胺(PEI)和PEKK(聚醚酮酮)热塑性塑料以及Hexcel 8552环氧(用于HexPly单向预预售物)测试对齐短纤维材料，以展示航空航天级复合材料的性能。”PEI测试已完成，显示复合材料性能在所有范围内均与连续碳纤维相当(见图3)，包括拉伸、压缩和剪切，以及缺口性质，如开孔张力和压缩(OHT/OHC--open-hole tension and compression)和承载强度。PEKK和8552环氧树脂的测试正在进行中，预计今年完成。

图3. 实现UD预浸料性能TuFF在初步测试中表现出与UD预预浸料相当的特性，甚至在某些性能上提升了薄层（60gsm/60微米厚）IM7/PEI材料相较于标准IM7/8552环氧预浸料材料（见下文），这得益于薄层的微观结构。

 

“我们能够生产空隙少于1%的复合层压板，” 亚拉加达说。“我们还展示了与UD热固性和热塑性预浸料的可比性能，以及一些薄层TuFF格式的初步数据。”薄层增强已被证明能提升承载能力并减少裂纹传播，从而提高损伤容忍度。“这些初步数据显示，由于薄层微结构，拉伸强度提升可达30%，” 亚拉加达补充道。

“这种材料在平面上是可拉伸的，所以像金属一样可以塑形，”他补充道。TuFF已形成>40%双轴应变的部分几何形状。“我们掌控边界并塑造它，非常像金属成型过程。”TuFF的可形成性已被证明适用于多种叠层，包括0度和90度单向（UD）、0/90双轴和准各向同性。图4和下方视频中的图片（详见了解更多）也展示了一系列复杂形状的部件。“我们从薄弱的部分开始，因为缺陷无法掩盖。”

TuFF的短纤维和均匀的微观结构使得在高压或复杂温度控制下，能够形成航空航天级的复杂形状。材料也可以被分割成连续磁带，用于AFP处理。

纤维至零件试制生产线

“我们在DARPA项目中的目标之一是超越实验室规模系统，”UD-CCM高级科学家、TuFF联合发明人约翰·蒂尔尼(John Tierney)博士说。“经过多次迭代，我们目前有两条24英寸宽的线用于制作对齐的短纤维片：一条标准线和一条偏轴线用于产生倾斜的纤维方向(例如45度、30度、60度)。”这些线条的标准片是一种连续的薄层材料，厚度约8微米，重量约为8克/平方米(见图5)。纸张被卷到卷筒上，卷筒随后装入相邻的自动叠加系统。该系统由内部制造，需将单卷和堆叠多达八层，以构建所需的纤维面积重量和纤维取向铺层，最终形成标准预预料和空白料，重量为30-190克/平方米，厚度为30-190微米。

“第三台机器用于预浸料和定制坯料制造，大多是现成的，但针对我们的材料进行了定制，” 亚拉加达指出。“在这台机器出现之前，我们一直使用树脂薄膜工艺，先在叠加的片材上叠加树脂膜，然后加热和加压来巩固。半连续索引压机设计使我们能够生产预产或定制热塑性坯料。”

他解释道，制造毛坯的工艺并非采用AFP（自动纤维铺放）技术中常见的将纤维带铺设在旋转平台上的方式。“我们遵循标准的复合材料铺层方法，由定制毛坯设计决定铺层顺序。TuFF材料的优势在于能简化毛坯几何形状，省去复杂的剪裁和异形铺层，因为其面内拉伸特性允许实现复杂造型。”海德进一步说明，在后续成型单元中（可生产最大0.9×1.2米的部件），“我们通常使用特定铺层设计的矩形预压实毛坯，然后像金属板材成型那样塑造成型。同时我们也在制作干态毛坯，通过液体树脂灌注成型工艺塑造形状。”这项工作与UD-CCM设在纽瓦克的小型企业孵化器Composites Automation LLC合作开展。“实验结果非常乐观，"海德补充道，"我们可以使用热塑性面纱稳定材料，轻松完成预成型后再进行灌注。”

蒂尔尼强调，这座集成自动化、年产能5吨的试点工厂展示了TuFF技术的工业可扩展性。“所有硬件都反映了全尺寸工厂的样子，”他解释道。“目前正在供应材料特性测试和成形演示所需的材料。”

成本控制、纤维到零件的转化、零浪费

TuFF已证明其在高成型性下满足航空航天性能的能力，但低成本又如何呢？“我们使用的是连续短的 PAN纤维，” 亚拉加达 承认。“不过，市场上有东丽、赫氏、帝人等公司的商业短纤维，也有来自回收和废弃物流的短纤维。这些纤维尚未获得主要航空航天结构所需的认证，但在其他应用中有望显著降低材料成本。”

“归根结底，这取决于你的纤维到零件成本结构，”他继续说道。“使用织物和UD胶带，你承担了从纤维到这种形式转换的成本，然后再转换成复杂几何部件，后者由于复杂性、缺陷等原因，会产生显著的废料和成型风险。通过先用连续的认证纤维再进行切割，确实会增加一些成本，但当我们把这些纤维转化为复杂的形状时，成型起来容易得多。因此，在航空航天零件中，避免复杂图案和铺设，以及成形性和较低的废料，具有优势。”

亨德里克斯指出，UD-CCM技术能够成型传统连续纤维材料难以应对的深拉伸部件（详见即将发布的第二部分）。“TuFF技术仅需六层预浸料即可替代20种不同预成型件，这是实现成本目标的关键。他们还证明了这种工艺能制造传统材料无法实现的几何结构。”亚拉加达以开篇照片中的网格状部件为例：这用连续纤维根本不可能实现。“这对价值评估和商业案例测算有何影响？这需要你退后一步思考：现有工艺如何制造部件？又能释放多大的设计自由度？"

海德回到纤维成本问题，并考虑另一个因素：废弃物的再利用。“如果你不需要认证纤维，也许可以使用成本较低的短纤维或再生纤维。”大多数回收纤维属于短纤维，因为热解和其他一些工艺需要切割，才能从废料预预料和固化废料/报废部件中去除树脂。“如果你以短纤维模具为起点，所有废料都可以重复利用，基本上实现了零废弃的制造过程，” 亚拉加达说。“这并非DARPATFF项目的重点，但我们已经证明可以回收TuFF材料，将这些纤维重新送回TuFF工艺，并获得相同的性能。国防部的应用需要经过认证的航空航天级光纤，但我们认为短光纤的成本优势仍将使得显著降低成本。”

预浸
- 薄膜浸渍（8层TuFF：1层PEI）（PEI薄膜厚度为25微米）
- TS预浸当量：24层TuFF片（195克直压）
- TP预浸当量：16层TuFF层（130克直立米）

图5. 纤维至零件试点工厂

UD-CCM已安装了一个每年5吨的试点工厂，生产连续的TuFF板材和预预料和定制毛坯，这些材料将在其柔性制造单元中用于尺寸不超过0.9米×1.2米（3×4英尺）的复杂零件。

下一步

“我们希望完成PEKK和8552环氧树脂的特性测试，然后发布这些结果，以及我们在各种零件成型工艺上的成果，” 吉莱斯皮说。“我们有专利申请中，正在进行技术授权。”DARPA的TFF项目将于2020年正式结束，所有测试和结果均已公布。

吉莱斯皮说：“TFF最初成立时，项目关注的是为什么复合材料在国防和汽车领域不被更多使用。”“对于汽车来说，是因为他们已经投资于金属成型，必须再投资于复合材料。但当复合材料可以像金属一样成型时会发生什么？然后，重新配置现有生产流程和利用现有设备变得更容易。”

对亨德里克斯来说，紧迫的问题不是大量生产，而是如何在低产量下实现可负担的减重。“我不指望一万个铝件被一万个复合材料零件取代，”他承认，“但我愿意接受几百个。”为实现这一点，下一步是挑选几个样品零件，使用这些具备航空航天品质的材料和工艺，验证其与机械加工铝材的经济性。

在第二部分中，CW将回顾RAPM项目，该项目探索了可重构制造单元中的多种工艺，配备了模块化模具和快速加热/冷却，并具备像素化温度控制功能。

原文,《Revolutionizing the composites cost paradigm, Part 1: Feedstock》 2020.3.30

杨超凡