美國復合材料研究所開發多材料連接新方案

美國IACMI-復合材料研究所的項目模型將研究和開發重點放在最可能的部署和影響技術創新上。IACMI及其合作伙伴正在創建新的材料和流程，以應對關鍵的行業挑戰，包括加入多種材料。

將復合材料與其他材料連接的能力是將先進復合材料集成到風力渦輪機葉片，車輛和其他高價值應用中的一項關鍵制造技術。

優點：

1．輕量化-通過混合材料產品設計-提高最終應用的能源效率和可持續性。汽車制造商通常使用混合材料設計方法作為減少質量而又不施加重大技術實施風險的策略。較輕的車輛可以減少燃料消耗和溫室氣體排放。

2．多材料連接技術可以提高制造過程的靈活性并降低生產成本。從工廠到安裝地點，更長的風力渦輪機葉片更難運輸。較長的風力渦輪機葉片很難從工廠運輸到安裝現場。隨著風力渦輪機葉片的高速公路運輸變得越來越不現實，新型的多材料連接技術可以通過提供現場制造和裝配的連接設計來實現更大、更高效的葉片。

3．改進的組裝／拆卸特性可以增強產品生命周期特性，并滿足報廢（EOL）可循環利用性或圓形性目標。汽車制造商正越來越多地設計車輛以實現便捷，經濟的拆卸，部分原因是全球范圍內對可持續性倡議的支持例如歐盟的《報廢汽車指令》，該指令要求用于乘用車的材料的85％（按重量計）必須是可重復使用或可回收的。改進的組裝／拆卸特性可以延長使用壽命，進行翻新和零件更換以及EOL產品的回收和再利用。

IACMI的技術路線圖包括優先考慮項目重點的項目主題領域，并將通過以下方式推動復合材料制造行業中多材料連接技術的發展：

隨著碳纖維成本的持續下降，新型的多材料連接技術（包括基于機械，粘合劑和焊接的方法）越來越有吸引力。

在輕量化的關鍵應用中，魯棒傳感和檢測方法對于評估復合材料接頭的完整性、可修性和可生產性至關重要。

可靠的設計工具和測試方法有助于確保新穎的多材料連接技術具有足夠的成本效益和可靠性，以實現關鍵應用的設計合規性適用性和EOL要求。

為了解決這些主題領域問題，IACMI支持開發新型的非粘性多材料連接方法。例如，由美國Arkema公司、General Electric公司、TPI Composites公司、日本Nippon Electric Glass公司、德國Saertex公司以及Tennessee大學和National Renewable Erergy Laboratory組成的項目團隊正在驗證一種無粘合劑的熱焊接方法，該方法無需粘合劑即可用于連接風力渦輪機部件。

粘接是一種多步驟的方法，如果執行不當，會導致葉片結構中的制造缺陷和后續故障。Arkema公司的熱焊接方法的新穎之處在于它使用熱塑性樹脂來代替現有的熱固性環氧樹脂。熱塑性塑料可以在室溫下粘合，不需要像熱固性粘合一樣輸入熱量，從而降低了能源需求和制造成本。

IACMI正在演示表面處理技術，以增強粘結的完整性／均勻性。

與熱固性塑料不同，通過熱焊接粘合熱塑性塑料可以消除高應力的粘合線，并且無需在葉片組件之間使用其他粘合劑粘合材料，從而降低成本并縮短葉片制造周期。熱塑性樹脂也更易于回收，因為可以將制造廢料和EOL組件加熱，回收并重新用于新的風力渦輪機或其他復合材料應用。另外，IACMI正在演示表面處理技術，以增強粘結的完整性／均勻性。

表面調節技術（例如紫外線臭氧（UVO）和氧等離子體）通常用于清潔復合材料基材并增加表面能，以確保纖維增強復合材料接頭牢固，持久地粘結在一起。IACMI已委托兩項基于等離子體的表面處理技術來支持成員項目：一項在美國能源部的橡樹嶺國家實驗室制造示范設施（ORNL，田納西州諾克斯維爾），另一項在IACMI的Scale-Up Research Facility（SURF），位于美國密歇根州底特律，由密歇根州立大學（東蘭辛）管理。

對于這個項目，PPG Industries和密歇根州立大學研究了新的粘合劑和涂料，使OEM可以使用其現有的汽車裝配線將結構碳纖維增強聚合物（CFRP）集成到混合材料設計中。在此過程中，結構車體在現有的裝配線上組裝并通過噴漆車間，然后在其中進行電涂和烘烤，以提高強度，耐腐蝕性和涂層的耐久性。較高的烤箱溫度（尤其是對于混合材料設計而言）會由于涂層和基材材料之間以及連接的組件之間的熱膨脹而引起應力和故障。該團隊對新型原型粘合劑的研究使人們對表面處理技術的重要性有了更深的理解，以確保復合材料與不同材料之間的結構粘接。