長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯注射成型（Long Fiber Injection, LFI）工藝是近年來(lái)開(kāi)發(fā)成功的一種新型聚氨酯成型工藝。該工藝具有自動(dòng)化程度高，成型周期短，產(chǎn)品輕量化和制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。
在汽車(chē)行業(yè)中，LFI工藝首先被用于制造結(jié)構(gòu)和半結(jié)構(gòu)板材，如車(chē)頂組件。據(jù)報(bào)道，一輛跑車(chē)的LFI聚氨酯車(chē)頂，比鋼制車(chē)頂輕20%，剛度比鋁車(chē)頂或其他玻璃鋼車(chē)頂高一倍多。此外，LFI聚氨酯復(fù)合材料也在農(nóng)用和商業(yè)車(chē)行業(yè)得到應(yīng)用，例如拖拉機(jī)罩、重卡板材、推土機(jī)外車(chē)身板、公共汽車(chē)行李架等。
近年來(lái)，來(lái)自私營(yíng)企業(yè)、軍隊(duì)和研究機(jī)構(gòu)的復(fù)合材料專(zhuān)家正在合作，探索LFI工藝是否也能用于生產(chǎn)航空航天等高性能材料市場(chǎng)所需的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）部件，從而以較低成本大規(guī)模生產(chǎn)。該研究自2022年起由美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）資助，參與者包括AFRL的制造、工業(yè)技術(shù)和能源部門(mén)，主承包商洛克希德·馬丁公司，設(shè)備制造商KraussMaffei以及代頓大學(xué)研究所（UDRI）。
目前用于航空航天的碳纖維復(fù)合材料部件制造過(guò)程漫長(zhǎng)且勞動(dòng)密集，其特點(diǎn)通常是將碳纖維預(yù)浸料手動(dòng)放置在單面工具上，裝袋，然后卷進(jìn)高壓釜進(jìn)行一整天的固化。相比之下，LFI工藝快速、高效且自動(dòng)化。LFI工藝首先將玻璃纖維切割至所需長(zhǎng)度，切碎的纖維與雙組分液體樹(shù)脂混合，然后噴涂到預(yù)熱的開(kāi)放模具中，*后在低熱低壓條件下固化。整個(gè)過(guò)程是成本*低、廢料*少的復(fù)合材料制造方法之一，需要幾分鐘到幾個(gè)小時(shí)不等，具體取決于零件的復(fù)雜性。
研究團(tuán)隊(duì)面臨的*重要問(wèn)題是碳纖維的脫膠，碳纖維必須足夠分散，從而可以在混合過(guò)程中實(shí)現(xiàn)在樹(shù)脂內(nèi)的均勻分散，他們發(fā)現(xiàn)Zoltek公司大絲束碳纖維可以提供*佳的機(jī)械性能和脫膠特性。研究人員首先將50K規(guī)格大絲束碳纖維分解成更小的2K到3K絲束，然后將這些絲束重新卷回50K絲束。當(dāng)LFI頭部發(fā)生切割時(shí)，它們很容易解開(kāi)。
選擇合適的樹(shù)脂也是研究中的一個(gè)關(guān)注點(diǎn)。研究團(tuán)隊(duì)使用了Covestro聚氨酯樹(shù)脂體系，它是專(zhuān)門(mén)為向*終固化面板降低其密度而設(shè)計(jì)的，并通過(guò)調(diào)整混合方式以*小化或消除潛在的空隙含量。
在加工設(shè)備方面，研究人員正在分析包括切割速度、纖維長(zhǎng)度、纖維/聚合物比例、氣壓、壓制時(shí)間、模具設(shè)計(jì)和模具溫度在內(nèi)的多個(gè)變量，其中一個(gè)重要問(wèn)題是碳纖維的處理能力，特別是切割機(jī)的刀片和滾筒，進(jìn)行了切割刀片升級(jí)后可以獲得更好的切割效果。
據(jù)悉，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在2025年底前使用LFI/碳纖維技術(shù)進(jìn)行兩次與航空航天相關(guān)的制造演示。盡管目前使用的是高性能的聚氨酯樹(shù)脂系統(tǒng)，但團(tuán)隊(duì)更傾向于使用環(huán)氧樹(shù)脂，因?yàn)樗芴峁└玫男阅堋５@需要對(duì)LFI硬件系統(tǒng)進(jìn)行重大修改，目前資金不足以覆蓋這些成本。
該項(xiàng)合作研究項(xiàng)目可以促進(jìn)整個(gè)復(fù)合材料行業(yè)的發(fā)展。利用這些公司在低成本復(fù)合材料工藝方面的創(chuàng)新，可以加速航空航天原始設(shè)備制造商（如洛克希德·馬丁）找到下一代飛行器的制造解決方案。
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