預(yù)測呈兩位數(shù)增長的碳纖維(CF)市場正走向光明的未來,。大部分碳纖維用于碳纖維增強(qiáng)塑料組件 (CFRP)中,。 特別在汽車領(lǐng)域,，碳纖維增強(qiáng)塑料被認(rèn)為是增長的動力。其中的實例之一是寶馬i3的,，碳纖維增強(qiáng)塑料被應(yīng)用于2015年售出的24000輛車型中,。

但是,，今天要用CFRP（或其它纖維如玻纖）取代所有的金屬部件是不現(xiàn)實的,。對此需承擔(dān)共同責(zé)任的是金屬加工,，尤其是深拉部件經(jīng)驗的進(jìn)一步豐富,。這些深拉部件之所以得以成形是由于金屬的流動性,。比如,，可以通過深拉工藝,，在金屬部件上產(chǎn)生局部的變薄，從而形成瓦楞狀,。

有局限的復(fù)雜有機(jī)板材

從工藝發(fā)展的角度看,，流動性將金屬板材與CFRP半成品這種所謂的有機(jī)板材清晰地區(qū)分開來,。由于增強(qiáng)碳纖維難以流動，懸垂性能這一用以描述兩維材料適應(yīng)三維形狀的能力,，即便有,，也會很低,。本文主要側(cè)重于探討InTeKS(用短碳纖創(chuàng)新型紡織品結(jié)構(gòu),；開發(fā)一種創(chuàng)新性可塑性變形的有機(jī)板材)，并揭示了一種具有出色懸垂性的熱塑性塑料半成品的理念,。這一項目將推動熱塑性CFRP的大規(guī)模應(yīng)用,。

CFRP應(yīng)用的日益廣泛也帶來了其它挑戰(zhàn)：其中之一就是，隨著CFRP應(yīng)用的增加,，廢棄物也會增多?，F(xiàn)在這些廢棄物主要來自于CFRP部件的，但未來還會有使用壽命終了（EOL）的廢棄物,。研究表明,，2020年，CFRP廢棄物會達(dá)到21000噸,，其中13800噸為廢棄物,，7200噸為EOL廢棄物。這樣,，InTeKS項目的另一個目標(biāo)就是將回收的碳纖維作為新的具有高懸垂性有機(jī)板材的原材料,。這兩個大的目標(biāo)可以形成理想的互補(bǔ)。

當(dāng)前的障礙

當(dāng)采用傳統(tǒng)的有機(jī)板材時,，對部件復(fù)雜性的限制可以被視為這些半成品的劣勢,。其中的一個原因是懸垂性的獲得，它會直接影響單粗紗的粘結(jié)類型,，尤其與織物的粘結(jié)性,。粗紗交織次數(shù)越多,，剪切角越小，懸垂性也越差,。平紋織物的交織點*多,，因此波紋**。經(jīng)緞織物每隔三四根粗紗才有一交織點,，降低了波紋,，**限度提高了剪切角和懸垂性。但不管是什么織物類型,，實際情況是,，碳纖維不發(fā)生塑性變形，斷裂伸長率遠(yuǎn)低于2%,。具體取決于碳纖維類型,。

圖1：回收碳纖維是新型高懸垂有機(jī)板材的原材料（? ITV）。

回收碳纖維（rC纖維）只存在有限的和隨機(jī)取向形式（圖1）,。rC纖維進(jìn)一步加工成半成品的**工藝沒有改變這一形式,，制成了纖維取向不明確的氈和無紡布?；谶@一形勢,，rC纖維只能用于半結(jié)構(gòu)件。但是,，在大多情況下,，這標(biāo)志著“下降性循環(huán)”，也即材料原有的大部分功能都會喪失,。向結(jié)構(gòu)部件方面發(fā)展的“**的”回收只能通過實際有機(jī)板材中那樣,，長度無限排列整齊的碳纖維才能實現(xiàn)。

用回收碳纖維短纖紗

InTeKS項目的目標(biāo)是在使用回收碳纖維的同時,，改善有機(jī)板材的懸垂性,。實現(xiàn)這一目標(biāo)的戰(zhàn)略是用rC短纖進(jìn)一步成rC短纖紗來CFRP（圖2）。InTeKS材料獨特的特性是回收rC短纖紗的結(jié)構(gòu),。rC和單纖PA6纖維主要因摩擦力的作用形成紗線,。這種結(jié)構(gòu)使得單根碳纖可以在熱成型時滑移，其表現(xiàn)就像在深拉工藝中,，金屬的塑性流動一樣,，從而確保獲得可與傳統(tǒng)無皺褶織物相媲美的懸垂性，提高了可以獲得形狀復(fù)雜,、輕量化的部件的可能性,。

圖2：中間站：通過表面披覆紗線，rC短纖紗獲得了特殊結(jié)構(gòu)，使得單纖維在熱成型過程中可以滑移（? ITV）,。

負(fù)責(zé)的團(tuán)體由來自整個流程鏈的代表組成,，從回收碳纖維的處理，到紗線和面料的,，再到有機(jī)板材以的,，以及將它們熱成型加工成展示部件（圖3）。材料和工藝的開發(fā)與用以模擬基于rC纖維的CFRP懸垂性的模型的開發(fā)一起進(jìn)行,。

圖3：InTeKS項目（用短碳纖創(chuàng)新型紡織品結(jié)構(gòu)）合作伙伴及時間表：（來源：IVW）

圖4：工藝：開松rC纖維,，按纖維束方向排列整齊（來源：ITV)

這**程鏈從德國格羅瑙的Altex Textil-Recycling GmbH & Co. KG（Altex紡織品回收有限公司）將rC纖維從廢棄的紗管上取出開始。由剪切設(shè)備（商：位于比利時Corbion 的Pierret Industries公司）按照規(guī)定的約80mm的長度剪切纖維,。然后處理過的rC纖維由德國鄧肯多夫的Textile Tech- nology and Process Engineering（紡織技術(shù)及加工工程研究院）(ITV)加工（圖4）,。首先，在用德國柏林的Memmingen Textil Engineering公司（原名Maschinenfabrik Memmingen）對纖維進(jìn)行梳理之前,，用法國Cours la Ville 的Laroche公司的設(shè)備開松rC粗紗（此處纖維被相互分離成單獨的一根根纖維）,，然后加工成纖維條（圖5）。此后,，rC纖維條用ITV公司自己開發(fā)的設(shè)備（圖6）紡成rC短纖紗,，**卷繞在紗筒上。這些筒子被發(fā)運到項目的另一個合作伙伴,、Gustav Gerster旗下的Gerster TechTex公司，由其將rC短纖紗成無皺褶織物,。

圖5：喂入rC短纖束供紗線用（ITV）

圖6：用自己（ITV 登肯多夫）開發(fā)的“Spinntester” 紗線

rC短纖紗制成的粗紗

Gerster TechTex是一家有經(jīng)驗的高懸垂性粗紗的企業(yè),，如，他們有一只產(chǎn)品叫“Drapfix”,。他們的任務(wù)是將rC短纖紗制成粗紗,。**批試驗顯示，可行的辦法是對紗線施加大的徑向應(yīng)力（圖8）,。這樣,，就掌握了無褶皺面料工藝的關(guān)鍵一步。

圖7：rC短纖紗管：2D紡織品用（? ITV）

成品無褶皺面料被送到德國凱澤斯勞滕復(fù)合材料研究院（IVW）,。在那里,，和項目合作伙伴德國布里隆的Bond-Laminates公司一起合作，將這些面料壓制成有機(jī)板材,。接下來,，會對有機(jī)板材進(jìn)行**的表征，尤其是,，會采用由IVW與德國棟茨多夫的Kunststoff Wagner工具公司合作開發(fā)的各種特別測試工具考察其懸垂特性,。這一過程中重要的一個方面是，rC 短纖紗塑性伸長率的測試。在項目臨近結(jié)束時,，有一種帶有各種苛刻要求的特性如半徑約為1mm,，拉伸角1°，邊緣等非常具有挑戰(zhàn)性的工具,，來展示材料出色懸垂特性,。

圖8：左：rC短纖紗用作緯紗，面臨著旋轉(zhuǎn)90°的挑戰(zhàn),。右：窄幅面料（? Gerster TechTex）

用仿真模型來進(jìn)行新型有機(jī)板材的開發(fā),，它可以預(yù)測材料在熱成型過程中的懸垂過程。這種模型由IVW與位于德國斯圖加特的Dynamore Gesellschaft für FEM-Inge-nieurdienstleistungen mbH合作開發(fā),。該模型將檢驗典型的畸變,，如粗紗擴(kuò)散、纖維取向度（剪切）改變,、折疊區(qū)域以及材料變薄等,。

rC纖維制成的結(jié)構(gòu)性部件

盡管InTeKS項目還在**年，但已經(jīng)完成了**個里程碑,。連續(xù)的,、排列整齊的rC短纖紗的成功是回收碳纖維結(jié)構(gòu)性部件的重要一步。對這種紗線進(jìn)行表征,，以及確定它們的機(jī)械性能將是接下來的重要突破,。

除了能夠提高部件復(fù)雜度，還可通過利用回收碳纖維來降低材料成本,。這使得汽車行業(yè)對InTeKS材料產(chǎn)生了興趣,，因為在碳回收領(lǐng)域新的可能性有助于歐盟實施自2015年1月1日生效的關(guān)于舊機(jī)動車EOL廢棄物回收的法律。因為這些舊汽車EOL廢棄物將達(dá)到車輛重量的95%,。

從這些車輛中回收用過的CFRP,，同時又不降低它們的機(jī)械性能的潛在可能，使得CFRP的應(yīng)用更具吸引力,。但項目**的目標(biāo),，即通過使材料變得具有塑性伸長特性，從而改善有機(jī)板材的懸垂性,，將為在這一領(lǐng)域進(jìn)一步的研究提供動力,。