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环氧树脂和聚氨酯向来凭借其越来越短的固化时间相互赶超，而谁能更好地服务于汽车批量生产则使竞争更加白热化。大部分复合材料都在平稳发展，而原位聚合法仍是一个永恒的话题。目前，新产品的主要特点是生态性和阻燃性。
位于法兰克福的德国复合材料产业协会于2013年展开的市场调查结果显示，德国复合材料生产商认为当前的整体经济环境和自身的经济形势非常喜人。该协会由德国纤维复合材料行业的四大龙头企业构成。碳纤维增强塑料（CFRP）被认为是汽车和航空领域未来增长（图1）的主要驱动力。 （图片）
图1 2014年复合材料领域的驱动力（图片来源：德国复合材料产业协会） 近年来，热固性玻璃纤维增强塑料（GFRP）市场在很大程度上已趋于稳定，其在欧洲的产量约为90万吨。GFRP在部分领域和加工技术方面的应用有所减少，但却在其他领域得到了补偿。运输和施工行业的应用各占总产量的三分之一，其他销售市场包括电气和电子以及运动和休闲行业。
2011年，GFRP的全球需求量仅为5,9000吨；目前，GFRP的年增长率超过13%。截至2020年，其消耗量预计将达208,000吨。风电行业占据GFRP总需求量的23%，远远领先于其他行业。从交易额来看，航空行业则处于领先地位。
阻燃性和生态性
不饱和聚酯树脂结构件在公共交通领域的应用促使人们进一步改善其阻燃性。氢氧化铝和氢氧化镁等常用的矿物添加剂显著提高了聚酯和乙烯基酯树脂的粘度，导致树脂传递模塑（RTM）和真空导入成型加工无法实现。此外，高刚性的纺织无纺布也很难浸泡。位于德国拉斯特德的Büfa Composite Systems GmbH &Co. KG公司提出的一个新概念既包含了阻燃的若干阶段，又不会过度限制基体的流动性。首先，涂刷具有膨胀性的保护层，即凝胶涂层或表面涂层。其次，对乙烯基酯树脂系统本身进行改性。随后，将同样具有阻燃性能的玻璃或碳纤维用作多轴向增强材料。最终的成品满足一系列国内和欧洲造船、建筑和交通领域的防火标准（表1）。（图片）
表1 LEO（含极端机遇的轻量型）的阻燃概念使高刚性纤维增强塑料能够通过注塑成型或导入成型工艺生产
（图片来源：BüFA) Cobaltoctoat目前正受到欧洲化学品管理局的监管，位于比利时布鲁塞尔的优美科公司推出了相应的替代物——一种将钴嵌入聚合物结构的催化剂，总部设在荷兰阿姆斯特丹的阿克苏诺贝尔公司提供的BluCure催化剂甚至完全不含钴（图2）。（图片）
图2 Pastoe Low Chair 03由完全不含钴的亚麻纤维增强聚酯树脂组成并使用基于BluCure的催化剂
（图片来源：DSM/阿克苏诺贝尔/NPSP Composieten） 丙烯酸酯化学的新奇性
目前，单体用作活性热塑性纤维复合材料的基底已渐成趋势，因为它们既能实现灵活加工又能平衡部件功能。位于法国白鸽城的阿科玛公司最近开发了一条热塑性复合材料专用的丙烯酸酯化学品生产线。名为Elium的透明低粘性材料能够以类似于聚酯树脂加工的方式进行处理。该材料尤其适用于大型部件，对模具的投资要求也非常低（图3）。根据拉伸测试结果，该材料的性能接近模拟应用使用的环氧树脂，不同点是它能够轻松成型、焊接或熔化。（图片）
图3 原位丙烯酸酯使导入成型能够在室温条件下实现并生产出耐损伤部件：含热塑性基体的CFRP船体
（图片来源：阿科玛/Canoe) 该产品组合包含主要用于轻型RTM和真空导入成型应用的液体系统。只需在注塑成型之前将ABS/PMMA（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯）热成形船体放入模具，具有A级表面无需上光的部件即可生产出来。
巨大的风电市场
近年来，欧洲各地风力发电厂的装机容量以每年10GW的速度在增长。目前，欧洲风力产生的电能供应着至少6000万户家庭，这也为环氧树脂和增强纤维造带来了个庞大的销售市场。硬度不一或带有潜性填充系统的环氧树脂基体的模块系统是转子叶片专用的纤维增强环氧树脂的既定应用。CFRP的部分应用可用于处理作用于较大的海上叶片的增强风力。根环可通过缠绕工艺生产，即使体积较大，这主要归功于开模时间较长的环氧树脂，它由总部设在德国路德维希港的巴斯夫公司研发（图4）。（图片）
图4 12厘米厚的GFRP根环模块，专为转子叶片设计（图片来源：巴斯夫） 固化速度低于两分钟
通过RTM工艺制成的聚酯和环氧树脂部件已小批量投入赛车和多用途车应用长达数十年。其他一些典型应用还包括可见部件和结构部件以及客运车厢和车顶部件。一般来说，注塑和固化时间通常是一小时左右，大批量生产除外。
近年来，凭借最新的环氧树脂系统和高压RTM工艺，连续纤维增强环氧树脂复合材料已成功进入汽车部件批量生产领域，这也是为什么大部分碳纤维增强部件能够每年生产10万次以上，如侧板、底盘、保险杠和碰撞吸能盒。
原材料供应商最近调整了他们的环氧树脂的基本热潜性特殊类型，即Baxxodur、Voraforce、埃皮科特和爱牢达等品牌，以适应更快的固化速度。粘度低于200毫帕秒，这个非常低的数值使其能够在明显低于一分钟的时间内浸泡半成品纤维产品，具体受各组分的影响。固化速度行将低于两分钟刻度（图5）。玻璃转化温度通常约为120℃。（图片）
图5 汽车部件专用环氧树脂固化剂系统的固化时间在近年来显著缩短（图片来源：迈图） 生产连续纤维增强部件的另一创新工艺是浸渍半成品纤维制品或预成型件的压缩成型。这一工艺的周期时间也非常低。首先往增强材料里加入热潜性树脂/固化剂系统，然后将其在模内压实和固化。有些以液体的形式喷在纤维上，有些则以可熔性粉末的形式洒在纤维上。
基于聚氨酯的基体树脂
基于聚氨酯的基体树脂以迅猛的速度进入了工业应用领域。它们可用任何常用于制造高性能纤维增强塑料的技术进行加工，提供出色的部件强度和优异的耐磨性。从RTM聚氨酯的第一类型开始，玻璃转化温度也可能增加，这不仅会使应用温度升高，而且能够在制造工艺的早期完成脱模。
双组分液体系统采用快速固化装置的催化剂进行固化，使开模时间大幅度可调并显著缩短了固化时间。它们在加工温度约为80-120℃的条件下的最大初始粘度是100-200毫帕秒，明显低于传统活性树脂的数值。利用模内的低流阻性，这一方式可使大面积多层半成品纤维产品得到有效浸泡而不会产生大幅度纤维位移。同时，这也意味着注塑过程中的气压较低，利于获得较高的表面质量。因此，材料和工艺方面的最新发展主要集中在表面技术上。
总部设在德国杜塞尔多夫的汉高股份有限公司甚至还能提供第二代商业聚氨酯基体树脂。其内部脱模剂提供良好的脱模功能，并且适用于位于德国弗里德里希斯多尔夫的Rühl AG & Co.AG公司生产的PU上光系统。填料清漆在RTM工艺的第二道工序中注入经过固化的部件以补偿可能不平坦的表面。随后通过最终上光产生极其高品质的表面而无需进一步加工。图6（左）所示为利用乐泰Max 3聚氨酯基体树脂制成的经过上光的CFRP车顶模块。
仿生鲨鱼皮减少了大幅度移动纤维复合材料部件所产生的空气阻力。如图6（右）所示，该材料已应用在BMW Z4街头鲨鱼跑车的引擎盖和车顶模块上。作为Vitrox材料组合的一部分，位于德国代根多夫的亨斯迈公司提供的最新聚氨酯原料甚至还能使某些特殊类型的玻璃转化温度高于280℃。此类模塑材料可用于联机电泳涂漆。（图片）
图6 （左）利用聚氨酯基体树脂制成的Roding Roadster敞篷跑车的CFRP车顶模块：
高品质的上光归功于注入的填料清漆；（右）BMW Z4街头鲨鱼跑车的引擎盖：仿生表面仿效鲨鱼皮
（图片来源：汉高、FRIMO集团） BMW i3还采用了PU复合材料。CFRP后座壳体约1.4毫米厚，耐碰撞，并由巴斯夫Elastolit材料制成。杯架装置和储物盘均为壳体的组成部分。
从液体到聚酰胺
如今，活性加工也能够将聚酰胺（PA）加工成高性能纤维增强塑料部件。这一材料具有所有活性基体的最高强度和出色刚度。巴斯夫的颗粒部件由一个基本单体、己内酰胺和一个活化剂或催化剂构成。它们在高于70℃的温度条件下被熔融和混合。当粘度接近水时，该材料被注入模具。这一材料含有增强纺织纤维。最后，该材料在约150℃的温度条件下产生阴离子聚合反应并在数分钟内被转换成PA6。
在高压条件下，车辆的重要部件利用RTM工艺制造完成，如B柱的原型。此外，皮划艇也制造完成，意味着原位PA同样适用于真空导入技术（标题图）。在0.9巴的真空条件下，只需60秒即可完成2.60米小船的填充。
纤维粘接
随着最新活性系统的推出，纤维粘接也必须加以关注。在聚合的过程中，专为活性PA6研制的玻璃纤维规格在玻璃表面和己内酰胺分子之间形成了共价键。用于原位丙烯酸的玻璃和碳纤维同样可定制不同规格。
为了在树脂注入时保持纤维层的尺寸稳定性，建议使用可固化的粘合剂喷雾并进行热处理。利用名为“Part via Preform”的工艺，粘合剂被预先涂抹在碳纤维上，从而实现了连续长纤维预浸料的灵活设计。
热固性模塑化合物
酚醛树脂模塑化合物正在逐渐成为汽车部件的热稳定材料。因此，各种应用近年来已不再使用铝压铸技术，因其在工艺工程方面的要求更高。除了部件重量，生产成本也显著降低。以真空泵为例，它们使用的是矿物和玻璃纤维填充的酚醛树脂化合物。该材料由总部设在德国勒沃库森的迈图高新材料公司生产，它们的特点是热膨胀系数几乎与钢一样低。更重要的是，该材料还具有各向同性，这对注塑成型塑料来说极不寻常。发动机罩下面的部件必须能够吸收发动机以及行驶产生的动力，这也是为什么疲劳强度是关键指标之一。在106次载荷循环之后，酚醛树脂化合物的疲劳强度仅降低约20%（图7）。（图片）
图7 酚醛树脂化合物的疲劳强度比玻璃纤维增强高性能热塑性塑料高得多。
拉伸疲劳测试，R=0.1；5赫兹（图片来源：迈图） 结语
活性复合材料的自动化加工已朝前迈出了一大步，创新的液体系统也适用于所有领域的应用。从工程角度来看，纤维复合材料行业的前景一片光明。
6/8/2015
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