热固性-热塑性连接实现天然纤维制成的刹车盘盖

　　

　　该器件结合了三种技术：压缩成型的亚麻纤维/环氧基结构，注塑包覆成型的热塑性外层结构和将上述两层连接起来而不使用粘合剂的一种创新技术。这一种创新连接技术，名为Conexus，获奖的刹车盘盖就是为了展示这项技术而设计的。

　　

　　

　　

　　图1 获得2022 JEC创新奖的摩托车刹车盘盖

　　

　　Conexus：无需粘合剂的多材料连接方案

　　

　　在摩托赛车和其他许多终端市场中使用的热固性复合材料部件，经常要与其他材料的部件结合在一起，如由未增强的塑料或者金属制成的部件。与热固性复合材料一起进行多材料的连接，往往需要使用机械紧固件（这会增加部件重量）或粘合剂。除增加重量外，粘合剂所含有的化学成分通常被认为不具备可持续性。此外，基于严格的无损检测标准要求，通常还需要预处理，而且加工和质量控制也具有挑战性。

　　

　　为此，KTM Technologies公司想要寻求一种可以避免使用紧固件和粘合剂的连接方法。在过去几年中，KTM公司开发出了Conexus技术，该技术的基础是一种热塑性的薄膜，被称作“耦合层”。该耦合层可以被添加到固化加工中使用的传统热固性复合材料叠层中，比如预浸料的模压成型。在固化过程中，Conexus层与热固性复合材料部分结合，既充当一种化学脱模剂，也作为一种未增强的热塑性塑料外层，允许另外的热塑性材料直接结合到其上。之后，就可以通过注射成型、3D打印或焊接来对部件进行功能化。而且，Conexus技术适用于各种树脂和纤维类型。

　　

　　

　　

　　图2 Conexus技术是一种热塑性的耦合层，被用在热固性复合材料和热塑性材料之间

　　

　　刹车盘盖

　　

　　该刹车盘盖项目最初是为了展示Conexus技术，现在，一种碳纤维/环氧树脂版本的部件已由KTM Technologies公司开始批量生产，其特点是，通过注射成型使金属嵌件直接与热塑性塑料的组成部分相连。以该量产部件以及制造它的工艺和模具为基础，在2022 JEC World展会中展示的更具可持续性的亚麻纤维/环氧树脂版本的部件也已投入生产。

　　

　　KTM Technologies公司的工业设计部门从标准的刹车盘盖技术规范开始着手。通常，这些盘盖由金属或注射级别的塑料制成，含有几个孔，以便让气流进入刹车盘盖的下面。固定在盘盖底部的金属嵌件用于将盘盖安装并锁定到摩托车上。

　　

　　设计成果

　　

　　1. 用亚麻纤维增强的热固性层来增加刚度和抗冲击性；

　　

　　2. 用包覆成型的热塑性塑料外层作为功能层，与金属件配合；

　　

　　3. 成型中使用耦合层来连接多种材料而无需使用粘合剂或紧固件。

　　

　　采用这种新设计的目的是为了开发一种拥有3层结构的部件：最上层采用环氧树脂热固性复合材料，以增强部件的整体抗冲击能力和刚性；底层采用未增强的热塑性塑料，以固定金属嵌件；中间的Conexus连接层作为第三层，将上下两层连接起来。最后，热固性层与热塑性层稍有重叠，但重叠部分不是用来连接，而是为了保护边缘长期免于受潮和磨损。

　　

　　从现有设计的 CAD 文件着手，设计团队采用数字仿真来设计新的部件，目的是将正确的材料用在正确的地方。为避免在注射成型过程中产生翘曲变形、确保良好的填充以及温度在连接层的均匀分布，他们还作了其他模拟。

　　

　　为了提高速度，热固性部分的成型选用了模压工艺，热塑性部分的成型选用了注射成型工艺。

　　

　　盘盖的原始设计是：模压成型的环氧/碳纤维上层通过Conexus耦合层与由PA6/ABS混合物注射成型的下层连接起来。KTM Technologies公司与奥地利Alba Tooling & Engineering公司合作开发了用于热固性部分的模具，与德国Altendorfer Kunststofftechnik公司合作开发了注射成型用的模具。

　　

　　首先，采用模压成型工艺成型出热固性复合材料的结构层。在铺层过程中，先将一层Conexus薄膜作为底层铺放到模具中，该薄膜在加工后的最终部件中大约有100µm的厚度。Conexus层采用了一种能与所选用的热塑性树脂（聚酰胺）和热固性树脂（环氧树脂）相兼容以便将它们连接起来的共聚物。不仅如此，Conexus层还充当了模具中的离型膜。然后，将碳纤维织物铺放到Conexus薄膜上，接着在150℃下成型，从而在热固性树脂与Conexus层之间形成连接。成型后，将该部件与一个位于中心的金属嵌件一起转送到注射成型加工站，在此，直接将PA6/ABS注射包覆到Conexus薄膜上，从而在该连接层与热塑性树脂之间形成另一个连接。

　　

　　

　　

　　图3 第一代：环氧/碳纤维盘盖

　　

　　更可持续的亚麻纤维盘盖

　　

　　碳纤维版本的盘盖成功地示范了Conexus技术。为了制作更具可持续性的部件，替换环氧/碳纤维材料，这一次采用了Bcomp公司的ampliTex 5040 300gsm斜纹亚麻织物，该织物由环氧树脂浸润。同时，还采用了一层 Conexus薄膜，然后进行模压成型。与之前一样，接着是注射包覆成型PA6的底层。为了验证亚麻纤维与Conexus技术的兼容性，以及为了验证组合后的部件能否在各种条件下长期保持连接，还作了一系列的试验。虽然亚麻纤维的整体力学性能要比碳纤维的低，但这种材料却提供了其他优势，如改善阻尼性能，而且断裂时不会碎裂，从而增加了安全性。

　　

　　测试完成后, 采用了与原来的碳纤维盘盖相同的模具和部件设计来制造新的示范盘盖。

　　

　　针对碳纤维增强聚合物（CFRP）和亚麻纤维增强聚合物的盘盖，KTM Technologies公司依据其公司内部的质量标准，最终在公司内部的试样测试和部件测试中验证了其Conexus连接技术，证明了粘接部件所具有的附着力、抗冲击性和抗紫外性等。

　　

　　从碳纤维变成亚麻纤维，由材料带来的碳排放可降低60%。“一方面，使用Conexus技术生产出美观的高性能部件；另一方面，能够实现可持续发展目标。通过采用成熟的生产方法，可以方便地使用其他纤维或热塑性材料。

　　

　

　　

　　图4 第二代和第三代：亚麻纤维/环氧树脂和亚麻纤维/生物基PA盘盖