美国复合材料研究所开发多材料连接新方案

美国IACMI-复合材料研究所的项目模型将研究和开发重点放在最可能的部署和影响技术创新上。IACMI及其合作伙伴正在创建新的材料和流程，以应对关键的行业挑战，包括加入多种材料。

将复合材料与其他材料连接的能力是将先进复合材料集成到风力涡轮机叶片，车辆和其他高价值应用中的一项关键制造技术。

优点：

1．轻量化-通过混合材料产品设计-提高最终应用的能源效率和可持续性。汽车制造商通常使用混合材料设计方法作为减少质量而又不施加重大技术实施风险的策略。较轻的车辆可以减少燃料消耗和温室气体排放。

2．多材料连接技术可以提高制造过程的灵活性并降低生产成本。从工厂到安装地点，更长的风力涡轮机叶片更难运输。较长的风力涡轮机叶片很难从工厂运输到安装现场。随着风力涡轮机叶片的高速公路运输变得越来越不现实，新型的多材料连接技术可以通过提供现场制造和装配的连接设计来实现更大、更高效的叶片。

3．改进的组装／拆卸特性可以增强产品生命周期特性，并满足报废（EOL）可循环利用性或圆形性目标。汽车制造商正越来越多地设计车辆以实现便捷，经济的拆卸，部分原因是全球范围内对可持续性倡议的支持例如欧盟的《报废汽车指令》，该指令要求用于乘用车的材料的85％（按重量计）必须是可重复使用或可回收的。改进的组装／拆卸特性可以延长使用寿命，进行翻新和零件更换以及EOL产品的回收和再利用。

IACMI的技术路线图包括优先考虑项目重点的项目主题领域，并将通过以下方式推动复合材料制造行业中多材料连接技术的发展：

随着碳纤维成本的持续下降，新型的多材料连接技术（包括基于机械，粘合剂和焊接的方法）越来越有吸引力。

在轻量化的关键应用中，鲁棒传感和检测方法对于评估复合材料接头的完整性、可修性和可生产性至关重要。

可靠的设计工具和测试方法有助于确保新颖的多材料连接技术具有足够的成本效益和可靠性，以实现关键应用的设计合规性适用性和EOL要求。

为了解决这些主题领域问题，IACMI支持开发新型的非粘性多材料连接方法。例如，由美国Arkema公司、General Electric公司、TPI Composites公司、日本Nippon Electric Glass公司、德国Saertex公司以及Tennessee大学和National Renewable Erergy Laboratory组成的项目团队正在验证一种无粘合剂的热焊接方法，该方法无需粘合剂即可用于连接风力涡轮机部件。

粘接是一种多步骤的方法，如果执行不当，会导致叶片结构中的制造缺陷和后续故障。Arkema公司的热焊接方法的新颖之处在于它使用热塑性树脂来代替现有的热固性环氧树脂。热塑性塑料可以在室温下粘合，不需要像热固性粘合一样输入热量，从而降低了能源需求和制造成本。

IACMI正在演示表面处理技术，以增强粘结的完整性／均匀性。

与热固性塑料不同，通过热焊接粘合热塑性塑料可以消除高应力的粘合线，并且无需在叶片组件之间使用其他粘合剂粘合材料，从而降低成本并缩短叶片制造周期。热塑性树脂也更易于回收，因为可以将制造废料和EOL组件加热，回收并重新用于新的风力涡轮机或其他复合材料应用。另外，IACMI正在演示表面处理技术，以增强粘结的完整性／均匀性。

表面调节技术（例如紫外线臭氧（UVO）和氧等离子体）通常用于清洁复合材料基材并增加表面能，以确保纤维增强复合材料接头牢固，持久地粘结在一起。IACMI已委托两项基于等离子体的表面处理技术来支持成员项目：一项在美国能源部的橡树岭国家实验室制造示范设施（ORNL，田纳西州诺克斯维尔），另一项在IACMI的Scale-Up Research Facility（SURF），位于美国密歇根州底特律，由密歇根州立大学（东兰辛）管理。

对于这个项目，PPG Industries和密歇根州立大学研究了新的粘合剂和涂料，使OEM可以使用其现有的汽车装配线将结构碳纤维增强聚合物（CFRP）集成到混合材料设计中。在此过程中，结构车体在现有的装配线上组装并通过喷漆车间，然后在其中进行电涂和烘烤，以提高强度，耐腐蚀性和涂层的耐久性。较高的烤箱温度（尤其是对于混合材料设计而言）会由于涂层和基材材料之间以及连接的组件之间的热膨胀而引起应力和故障。该团队对新型原型粘合剂的研究使人们对表面处理技术的重要性有了更深的理解，以确保复合材料与不同材料之间的结构粘接。