短碳纤维复合材料拓展热塑性复合材料应用

一系列专为注塑成型配方的短碳纤维增强热塑性（CFRTP）复合材料，正被用于拓展热塑性复合材料在各种零件尺寸和复杂度上的能力。有趣的是，这些材料在不断增长的应用范围中——从运动用品、汽车零部件到医疗器械和航空航天部件——已显示出优于长纤维热塑性（LFT）复合材料（玻纤或碳纤维）以及金属的性能。

从模塑商转型为复合材料供应商

这些材料由三菱化学先进材料公司（MCAM，日本东京）配方生产并销售。过去十年间，母公司收购了多家独立业务并整合为MCAM，包括前Quadrant AG（瑞士伦茨堡），该公司生产玻璃纤维毡热塑性复合材料（GMT）和有机板复合材料以及热塑性工程型材；以及前Piper Plastics Inc.（美国亚利桑那州钱德勒），后者最初是注塑成型商和精密加工零件生产商，后扩展为定制CFRTP复合——最初为自用，后为其他模塑商服务。

约2012年，Piper是一家中型定制注塑成型商，服务于航空航天和运动/休闲设备客户群。公司管理层希望拓展零件制造业务，但面临两大挑战：一是难以采购团队认为能在高性能市场竞争所需的复合材料；二是想进入汽车市场，但没有足够的模塑产能竞争大型项目。

第一个问题通过针对各种基体树脂和纤维浸润技术的集中研发得以解决，从而开发出一系列高性能、可注塑的CFRTP复合材料，命名为KyronMAX。这些材料采用尼龙6/6（PA6/6）、高性能聚酰胺（PPA）、聚醚酰亚胺（PEI）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）和聚芳醚酮（PAEK）等基体，以短切碳纤维增强。这些复合材料——大多具备高热性能、广泛耐化学性、良好力学性能和低烟/毒性（FST）值——不仅旨在替代短玻纤增强和矿物填充注塑牌号，还要替代LFT复合材料（平均初始纤维长度13毫米）甚至金属。

MCAM关键客户经理——复合材料Alex Wojtysiak解释：“数据表上LFT复合材料看起来更强，但往往无法填充我们短碳纤维技术能填充的零件几何形状。因我们的流动性高得多，能更好地填充复杂几何形状，所以我们的复合材料生产的零件强度大幅提升。”

MCAM全球复合材料技术经理Clint Newell补充道：“我们并非一开始就想创建广泛的CFRTP复合材料系列，而是每一款都为满足特定客户的特定需求而开发。随着配方能力增强，我们进入新市场，遇到新客户，询问其需求，并着手创建完美复合材料以满足这些需求。”

毫不奇怪，这些复合材料最初是由模塑商为模塑商配方设计的，因此旨在提供易于加工且能持续产出高质量、高性能零件的特性。MCAM研发总监Dave Wilkinson指出：“我们配方设计KyronMAX产品线，旨在提供更高流动性和纤维相互作用、更低内应力、更小各向异性、更强熔接线、更少缩痕、更小翘曲倾向和更高尺寸精度——无论壁厚厚薄。除配方工作和独特浸润技术外，我们还自行改装注塑机以更高效运行这些材料。”

为何取这个不寻常的产品名？MCAM首席创新官Randy White解释：“古希腊神话中，Kyron（也拼作Chiron）半人半马。Kyron凭借独特技能超越了兽性。我们将其比作我们的复合材料，半碳纤维半树脂，兼具马的力量和人的智慧，易于加工。”

随着配方专长增长，公司引起三菱化学控股集团（MCHC，日本东京）关注，后者于2016年收购Piper。MCHC立即投资数百万美元扩大亚利桑那州复合生产线、实现自动化，并引入自身碳纤维浸润和切割技术，使KyronMAX复合材料生产更快、更一致、更高效。随后在密歇根州和日本分别建立第二、第三条生产线。产能扩大使KyronMAX牌号能在北美和亚洲竞争汽车业务，其他市场随之跟进。

产品线扩展，市场机会拓宽

如今，凭借更大产能和更广泛的聚合物及碳纤维材料获取渠道，MCAM团队忙于开发一系列新产品——其中几款专为汽车市场配方。最引人注目的是KyronMAX ES 4240，号称全球首款突破414 MPa（60,000 psi）拉伸强度门槛的短碳纤维注塑复合材料。该牌号于2019年SPE汽车工程塑料会议（AutoEPCON）在底特律郊区发布，为40%纤维重量分数（FWF）碳纤维增强PPA，同时提供41.2 GPa拉伸模量、34.5 GPa弯曲模量和552 MPa弯曲强度。PPA是特种聚酰胺，比传统PA6和PA6/6具备更好热性能、更广耐化学性和更低水解倾向。

2019年SPE AutoEPCON发布的其他汽车牌号包括专为发动机舱应用开发的高温碳纤维增强PPA牌号，其玻璃化转变温度（T_g)和连续使用温度（CUT）可媲美PEEK，但更易模塑。考虑到汽车和小家电等大批量行业的成本敏感性，团队也在研发聚丙烯（PP）基KyronMAX产品。

随着产品线扩展，应用市场也随之拓宽。除长期渴望的汽车业务外，公司现在服务医疗器械（耐用和一次性）、小家电和消费电子（金属替代外壳/盖板）。航空/航天仍重要，运动用品行业也增长至赛车、山地车、高尔夫球杆、枪支、复合弓及其他射箭部件。多款产品提供的线性热膨胀系数（CLTE）值与金属注塑（MIM）铝和镁相似——却拥有更好韧性、更轻重量和更低成本——团队发现自身在越来越多应用中替代金属。

下一步是什么？借助全球三菱组织的更广泛渠道，MCAM团队可获取涵盖热塑性和热固性化学、各类增强类型和长度的更广泛复合材料组合技术。例如，另一三菱集团生产分切和切碎碳纤维增强锻造模塑复合材料（FMC），一种先进的片材模塑复合材料（SMC），有助于填补短玻纤或碳纤维增强SMC与连续碳纤维增强预浸料之间的性能和加工鸿沟。另一集团生产编织和无纺布碳纤维增强预浸料及快速固化预浸料压缩模塑（PCM）材料。

MCAM内部另一即将商业化的技术是新系列纺织（无纺布、编织和单向）增强干预浸料，采用热塑性基体，称为KyronTEX。这些产品正在战略性送样中。

最后，去年夏天MCAM收购了carbonNXT GmbH及其姊妹公司CFK Valley State Recycling GmbH和Co. KG（均位于德国Wischhafen），将完整的碳纤维回收技术线纳入产品组合。MCAM团队据称正测试多种使用回收碳纤维的配方，以推进商业产品认证。