波士頓材料公司（美國馬薩諸塞州比勒里卡）由 Anvesh Gurijala、Michael Segal 和 Randall Erb 博士于 2016 年成立，是東北大學（美國馬薩諸塞馬薩諸塞州波士頓）的一個分支，旨在將一種專利磁對準工藝商業化，該工藝使研磨的碳纖維能夠使用輥對輥工藝垂直定向成片材。波士頓材料公司首席商務官 Kedar Murthy 表示：“由于垂直纖維，這些薄膜狀材料看起來像絲絨或天鵝絨。”。銑削碳纖維的長度為 0.05 至 0.2毫米，是一種有趣的解決方案，在沒有納米材料的生產、成本和健康/安全問題的情況下提供了宏觀效益。它們還為越來越多的可回收/再生碳纖維提供了出口，其成本遠低于原始纖維，并為復合材料市場提供了急需的圓形度。

　　

　　波士頓材料公司現已擴大其工藝規模，每年生產80 萬平方米的 60 英寸寬材料，用于不斷增長的產品系列：

　　

　　

　　

　　波士頓材料公司產品時間表

　　

　　*  SUPERCOMP–Z 軸碳纖維薄膜層壓到標準編織物以及 UD 預浸料和干增強材料，于 2019年推出，用于工具、滑雪板、滑雪板和反射盤以及工業應用；

　　

　　*  ZRT–熱塑性薄膜和熱固性預浸料，用于導熱/導電和局部增強，于 2020 年推出，并作為消費電子和汽車應用兩年開發周期的一部分進行評估；

　　

　　*  BImetaL–夾在金屬板蒙皮之間的 Z 軸碳纖維薄膜，可在重量減少 50%的情況下提供與單片金屬板同等的性能，適用于汽車應用中的沖壓成型金屬板零件。

　　

　　航空航天也是一個關鍵目標，包括集成雷擊保護（LSP- lightning strike protection）、增加分層阻力和減振以及局部加固，后者具有將緊固件拉出強度提高 50%的能力。然而，航空航天鑒定通常是一個較長的過程，因此，非航空航天目標首先被商業化。

　　

　　

　　

　　SAERfoam 的特點是玻璃纖維插入芯中

　　

　　　　

　　Z纖維技術的悠久歷史

　　

　　使用Z軸纖維來提高復合材料的層間剪切強度（ILSS- improve interlaminar shear strength）、法向剛度（橫向模量）、抗沖擊性和粘合性的想法并不新鮮。幾十年 來，造船廠一直在芯部粘結膩子中使用磨碎的玻璃纖維來提高粘結強度，磨碎的纖維通過將一半粘到膩子中和一半粘到泡沫芯部的開孔中來提供止裂機制。

　　

　　SAERTEX（德國 Saerbeck）更進一步，將切割的玻璃纖維插入其 SAER 泡沫產品的泡沫芯中，在注入樹脂后將帶芯層壓板蒙皮連接在一起。

　　

　

　　

　　Creative Pultrusions Transonite 拉擠夾芯板具有Z軸加固功能

　　

　　Z-銷釘在 20 世紀 80 年代由阿茲特克公司（美國馬薩諸塞州沃爾瑟姆）的固化 Z 纖維產品商業化，此后，包括航空發動機制造商、空中客車公司和美國軍方在內的許多組織對其進行了研究和開發。該技術將直徑通常為 1 毫米的預固化復合材料銷釘插入未固化的預浸料疊層中。然而，銷釘插入是一個額外的步 驟，并且從未展示過在 z 軸纖維含量更接近 30-50%的情況下經濟高效地插入這些銷釘的方法。

　　

　　3D編織是為了實現同樣的目標而開發的。Albany Engineered Composites（Rochester，NH，U.S.）使用它來生產復雜的預成型件，這些預成型件通過樹脂轉化成型（RTM）轉化為 LEAP 航空發動機的 CFRP 風扇葉片。盡管 3D 編織是有效的，但通常情況下，它既不是提供 z 軸增強的快速過程，也不是廉價的過程。

　　

　　

　　

　　幾何尺度的另一端是由 N12 Technologies 開發的 NanoStich 技術，該技術現在被 NAWA Technologies（法國普羅旺斯艾克斯）收購，該技術在層壓板之間的層間區域使用垂直排列的碳納米管，將層間剪切強度（ILSS- improve interlaminar shear strength）提高 10-30%。盡管 N12 的廣泛產品承諾通過減少當前復合材料工藝的解決方案來改善性能，但由于生長垂直排列碳納米管（CNT）的新興技術，成本和可擴展性仍然存在問題。

　　

　　　

　　具有可擴展性的插入式解決方案

　　

　　Murthy 指出：“3D 編織、z-銷釘和縫合都需要額外的步驟和勞動力。”。“我們想要一種可以很容易地作為簾布層集成到已經使用的工藝和材料中的材料。我們的 ZRT 產品像粘合膜或單向預浸料一樣處理，但在 z 方向上提供剛度和導電性，在新的方向上利用由此產生的復合材料的性能。”

　　

　　

　　

　　將 ZRT 薄膜和連續纖維增強材料相結合的層壓工藝制成 SUPERCOMP 產品

　　

　　波士頓材料公司首席執行官 Anvesh Gurijala 解釋道：“我們材料的另一個不同之處在于可擴展性。”。“我們使用的是一種 60 英寸寬的卷對卷工藝，類似于造紙術。將磨碎的纖維分散在水中，計量到 PET 載體膜上，然后施加磁場，使纖維在 z 軸上對齊。”他指 出，碳纖維沒有磁性，因此這種對齊是訣竅。然后蒸發水，將干燥的 ZRT 材料留在載體的頂部。因此，這不是在生長 CNT，而是更具成本效益。與納米材料相比，技術風險要小得多，而且沒有危險化學品、溶劑或顆粒——這是一個環保的過程。”

　　

　　ZRT 軋輥產品也便于加工。Murthy 說：“它們可以干燥使用，也可以預浸使用。”。“您可以將產品切成膠帶，并將其用于 RTM 的纏繞或干燥預成型。我們的材料很容易融入膠帶鋪設過程；不需要第二步。很容易從載體膜上去除 ZRT 材料，并且不會釋放納米纖維或研磨纖維。”ZRT 材料還提供了高表面積，從而與涂層或油漆形成良好的粘合。“因為我們使用的是再生碳纖維，”Gurijala 指出，“我們可以與連續的原始纖維相比具有成本競爭力。”

　　

　　Gurijala 說，使用 SUPERCOMP 和 ZRT 材料實際上有成本效益。“通過添加 ZRT 材料層，我們可以保留傳統復合材料層壓板的關鍵平面內性能，同時替換高達 50%的連續纖維。通過使用 ZRT 材料和標準復合材料設計層壓板，我們可以保持平面內性能并增加平面外性能，同時將所需的層總數減少 50%。因此，我們提供經濟實惠的嵌入式解決方案，同時還增強了功能。”

　　

　　　

　　附加功能

　　

　　通過將碳纖維定向到平面外，Boston Materials 通過層壓板厚度克服了復合材料在導電性方面的傳統限制。Gurijala 說：“我們正在展示與鋁競爭的導熱性和導電性。”。“在 EMI 和雷擊保護方面，我們的性能與納米纖維、鎳面紗和膨脹金屬箔相當，但成本和可加工性有所提高。例如，由于我們的產品是碳纖維而非金屬，因此它們不需要絕緣來防止碳纖維層壓板的電偶腐蝕化學品等。”

　　

　

　　雷擊保護

　　

　　擊試驗表明，ZRT 薄膜能夠為復合材料面板提供有效的雷擊保護（LSP）。下面的照片在左邊顯示了參考層壓板，該參考層壓板包括五層在環氧樹脂基體中的編織碳纖維，在右邊顯示了相同的層壓板，但具有 ZRT 表面膜。測試由 Vipin Kumar 博士進行，他是橡樹嶺國家實驗室（田納西州諾克斯維爾）復合材料的雷擊損傷專家。庫馬爾博士說：“損害的減少是非常明顯的。”。“這種 ZRT 是用聚丙烯腈（PAN-polyacrylonitrile）纖維制成的，但由于其更高的導電性，我們預計瀝青纖維的效果會更好。”波士頓材料公司獲得了美國空軍的一項獎勵，將進一步為傳統飛機和即將推出的 eVTOL 車輛開發這種方法。

　　

　　

　　

　　參考碳纖維復合材料層壓板（左）和具有 ZRT表面膜的層壓板（右）

　　

　　復合材料層壓板中使用的 ZRT 簾布層已被用于幫助抵抗簾布層之間的分層并減少金屬緊固件的脫膠。Eclipse 復合材料工程公司（美國猶他州鹽湖城）正在努力改進一個部件，該部件的主要故障是由于剪切和橫向張力導致金屬凸耳脫膠。Murthy 解釋道：“我們與 Eclipse合作，將我們的 SUPERCOMP 1015 PW Dry 產品—— ZRT 薄膜與干平紋織物相結合——集成在層壓板中的每層 3K 碳纖維織物之間。”

　　

　　“在用標準層壓板進行的拉拔試驗中，金屬凸耳完全脫膠，而用 SUPERCOMP 層壓板制成的層壓板保留了金屬凸耳。當測試失敗時，Eclipse Composites 在失敗前測得的拉拔強度至少高出 50%，而且失敗是漸進的，而不是災難性的。甚至有少數情況下，擰入金屬凸耳的鋼螺栓在拔出凸耳之前發生故障。”

　　

　　

　　

　　波士頓材料公司用 SUPERCOMP PW 干材料制成的鑒定測試零件在失效前證明了金屬凸耳（綠色箭頭）的拔出強度增加了 50%。

　　

　　材料還通過剪切吸收振動能量，而不犧牲彎曲剛度。Gurijala 說：“這是 z 軸碳纖維特有的機制。”。“在復合材料結構中加入 ZRT 層可以降低每種振動模式下的固有頻率。”較低的固有頻率表明減振效果更好，從而改善：

　　

　　*  滑雪板和網球拍等體育用品的感覺和控制；

　　

　　*  無人機相機支架的圖像質量；

　　

　　*  機器人末端執行器的精度和速度；

　　

　　*  電動汽車的乘坐舒適性和駕駛室噪音。

　　

　　

　　

　　

　　

　　Z 軸碳纖維 ZRT 材料與編織碳纖維一起使用，可以降低所有振動模式的固有頻率

　　

　　

　　

　　使用聚碳酸酯基質的 9 層 ZRT 材料的顯微圖

　　

　　　　

　　熱塑性復合材料

　　

　　Murthy 指出：“我們還可以在熱塑性薄膜中添加ZRT，并在整個加工過程中保持研磨后的纖維取向。”這可以在左側的顯微照片中看到，該照片顯示了壓縮成型應用中的九層 ZRT 材料。他解釋說：“所用的聚碳酸酯基質的粘度比環氧樹脂高得多。”。“該應用程序還使用了 350 至 400 磅/平方英寸的高壓實壓力，但我們可以保持 z 軸方向。”

　　

　　對于這些熱塑性復合材料產品，Boston Materials將 PET 載體薄膜更換為目標基質聚合物的熱塑性薄膜。或者，它可以將 ZRT 干膜轉移到目標熱塑性膜上，并在第二過程中將其熔化到 z 軸碳纖維中。這些 ZRT 熱塑性產品的纖維體積大于 50%。除了聚碳酸酯，Boston Materials 還使用 PPS、PEEK、LM- PAEK、PEI、PA-6、PA-12 和 bio-PA 制作了 ZRT 熱塑性復合薄膜。

　　

　　　　

　　下一代換熱器的導熱系數

　　

　　正如 ZRT 材料提高導電性一樣，它們也提高了復合材料的導熱性。Gurijala 解釋道：“盡管碳纖維沿纖維方向具有導熱性，但其導電性在垂直于纖維的方向上下降了近十倍。”。“橫向傳熱在電子設備、電動汽車電池組和非金屬熱交換器等應用中很重要。通過在 z 軸上放置碳纖維來調整聚合物復合材料的橫向熱導率，這對當今所需的多功能結構來說是一個巨大的好處。”

　　

　　他指出，聚丙烯腈（PAN- polyacrylonitrile）基碳纖維的纖維內熱導率為 15 至 20 瓦特每米開爾文（W/m- K）。Gurijala 說：“在 90 度的溫度下，纖維的溫度會下降五到十倍。”。“因此，由平面內碳纖維與絕緣聚合物基體以 0.2 W/m-K 的溫度組合而成的復合材料，在簾布層界面處有損耗，其總體橫向熱導率僅為 0.7 W/m-K。通過添加我們的 PAN 基 ZRT 材料層，我們可以將其提高到 10 W/m-K 左右。”

　　

　　然而，波士頓材料公司也在開發 ZRT 材料，該材料使用瀝青基碳纖維，其纖維內熱導率為 600 至 900W/m-K。Gurijala 說：“使用瀝青基 ZRT 材料，復合材料層壓板的理論橫向電導率可以達到 250 W/m- K，這超過了鋁的熱導率。”

　　

　　

　　

　　將 ZRT/PPS 薄膜熱成型為復雜的微凹坑幾何形狀（最小特征尺寸為 0.5 毫米），增加了該板在非金屬熱交換器中的傳熱表面積和效率。

　　

　　通過將 ZRT 材料與熱塑性薄膜相結合，波士頓材料公司能夠創造出具有類鋁導熱性的復雜幾何形狀。Murthy 說：“通過我們的 ZRT 熱塑性復合薄膜，低成本和高容量的熱成型可以用于生產具有非常小結構的非金屬熱交換器板等應用，以增加表面積。”。“用其他方法制造這種類型的零件是一個真正的挑戰，例如用導電模塑化合物注射成型。”這種板用于住宅和商業供暖/通風和制冷（HVAC- heating/ventilation and cooling）系統的熱交換器，以及汽車、航空航天、制造和工業過程應用。“長期以來，金屬一直是人們的首選材料，”他繼續說道， “但它們很難加工成復雜的形狀。現在人們要求熱交換器提供更高的傳輸效率、環境穩定性和更低的制造成本。使用導熱復合材料可以滿足所有這些需求，而且重量更 輕，耐腐蝕。”

　　

　　波士頓材料公司還與一家材料供應商合作，推出一種模具預浸料，通過減少 x、y 和 z 方向熱膨脹率的不匹配，可以更快、更均勻地加熱，從而縮短固化周期，提高尺寸精度。

　　

　　

　　

　BImetaL 將 ZRT 結構芯夾在兩個金屬板蒙皮之間

　　　

　　

　　雙金屬和未來的應用

　　

　　還開發了新材料，其 ZRT 薄膜作為結構核心，層壓在兩層金屬板之間。Gurijala 說：“雙金屬是一種混合材料，具有與金屬片相同的彎曲性能，但重量降低了 30- 50%。”。“我們為汽車和其他行業開發了這一技術，在這些行業，人們對復合材料有興趣，因為碳纖維的重量輕，但由于碳纖維的成本和復雜性，采用率低。雙金屬就像中空金屬板，大約 1 毫米厚，與金屬相比具有更好的聲學和減振性能。”

　　

　　金屬外皮和 z 軸銑削碳纖維之間的電偶腐蝕怎么辦？“這不是問題，”他解釋道，“因為我們在 ZRT 薄膜的金屬配合面上使用富含樹脂的層，和/或在頂部使用粘合劑或 TP 薄膜。當然，對于鈦，不需要任何東西，但如果客戶認為有必要滿足應用要求，我們也可以使用薄的 NOMEX 芳綸纖維或玻璃纖維面紗。”。雙金屬坯料在接近熱塑性聚合物基體熔化溫度的溫度下“溫熱”沖壓成部件。

　　

　　波士頓材料公司目前正在與消費電子、汽車、卡車運輸和航空航天領域的七家全球知名制造商合作，尋求本地增強、EMI 屏蔽、雷擊保護、熱管理和減振的產品資格。資格認證預計將于 2022 年完成，該公司計劃宣布更多新的合作伙伴關系、應用程序和產品。

　　

　　Gurijala 說：“關于 z 軸碳纖維技術的潛力，我們只是冰山一角。”。“我們的最終目標是擴大復合材料市場。”

　　

　　-------------完-------------

　　

　　注：原文見《Z-direction composite properties on an affordable, industrial scale》2021.4.20