碳纖維復(fù)合材料的成型工藝

碳纖維復(fù)合材料的成型工藝有手糊成型是依次在模具型腔表面涂布或鋪迭脫模劑、膠衣、粘度適中的EP(膠衣凝膠后涂覆)和CF，手持輥?zhàn)踊蛩⒆邮笶P浸漬(jin4 zi4)CP，并驅(qū)除氣泡，壓實(shí)基層。鋪層操作反復(fù)多次，直到達(dá)到制品的設(shè)計(jì)厚度。該工藝的主要優(yōu)點(diǎn)是可室溫成型，設(shè)備投資少，模具折舊費(fèi)低；可制造大型制品。主要缺點(diǎn)是屬于勞動(dòng)密集型生產(chǎn)，制品質(zhì)量由工人技術(shù)熟練程度決定；手糊用樹(shù)脂分子(fen1 zi3)量低，通�？赡茌^分子量高的樹(shù)脂有害于人的健康和安全。

碳纖維復(fù)合材料的成型工藝2.2樹(shù)脂傳遞成型

將CF置于上下模之間，合模并將模具夾緊，在壓力條件下注射EP，EP固化后打開(kāi)模具，取下制品。必(gu hua hou da kai mo ju _qu xia zhi pin _bi)須保證EP在凝膠前充滿型腔，壓力促使EP快速傳遞到模具內(nèi)并浸漬CF。該工藝為低壓成型工藝，EP注塑壓力為0.4-0.5MPa，當(dāng)制造高CF含量(體積分?jǐn)?shù)超(ti ji fen shu chao)過(guò)50%)的制品時(shí)壓力甚至可達(dá)0.7MPa。有時(shí)可預(yù)先將CF在一個(gè)模具內(nèi)預(yù)成型(帶粘結(jié)劑)，再在第二個(gè)模具內(nèi)注射成型。為了提高EP浸漬CP的能力，可選擇真空輔助注射。當(dāng)EP一旦將CF浸透，要將EP注入口封閉，以使樹(shù)脂固化。注射與固化可在室溫或加熱條件下進(jìn)行。模具可以用復(fù)合材料與鋼材料制作。若采用加熱工藝，宜用鋼模。該法的主要優(yōu)點(diǎn)是復(fù)合材料中CF含量可較高，未被EP浸潤(rùn)的CF非常少；閉模成型，成型周期較短，生產(chǎn)環(huán)境好，生產(chǎn)成本較低；制品可大型化，強(qiáng)度可設(shè)計(jì)。主要缺點(diǎn)是不易制作較小制品，因要承壓，故模具較手糊與噴射工藝用模具要笨重和復(fù)雜。

2.3真空袋法成型

此法是手糊法與噴射法的延伸。將手糊或噴射好的積層在EP的A階段與模具在一起，在積層上覆以真空袋，周邊密封，然后用真空泵抽真空；使積層受到不大于101kPa的壓力而被壓實(shí)、成型。該法的主要優(yōu)點(diǎn)是采用普通濕法鋪層技術(shù)，通�？色@得高CF含量的復(fù)合材料；EP可較好地浸漬CF。主要缺點(diǎn)是額外的工藝過(guò)程增加了勞動(dòng)力和成本，并且要求操作人員有較高的技術(shù)水平；生產(chǎn)效率不高。

2.4樹(shù)脂膜熔浸成型

將CF與EP片交替鋪放在模具內(nèi)。用真空袋包覆鋪層，使用真空泵抽真空，將空氣抽出。然后加熱使EP熔化并浸漬CF，然后經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臅r(shí)間使EP固化。該法的主要優(yōu)點(diǎn)是復(fù)合材料的空隙率低，可精確獲得高的CF含量；鋪層清潔，有利于健康和安全，并且生產(chǎn)成本低。主要缺點(diǎn)是目前僅用于宇航工業(yè)，還未獲得大規(guī)模的推廣；模具要求能經(jīng)受EP膜片的工藝溫度。

2.5 預(yù)浸料成型

預(yù)先在加熱、加壓或使用溶劑的條件下，用EP預(yù)浸漬CF。預(yù)浸料在環(huán)境溫度下貯存一段時(shí)間后仍能保質(zhì)使用，當(dāng)要延長(zhǎng)保質(zhì)期時(shí)須在冷凍條件下貯存材料。樹(shù)脂通常在環(huán)境溫度下呈臨界固態(tài)，故觸摸預(yù)浸料時(shí)有輕微的粘附感。預(yù)浸料用手工或機(jī)械鋪于模具表面，通過(guò)真空袋抽真空，放入熱壓罐中成型。通常加熱使樹(shù)脂重新流動(dòng)，最終固化。該法的主要優(yōu)點(diǎn)是可精確地調(diào)整EP/固化劑配比和EP在CF中的含量，得到高含量CF；由于制造過(guò)程采用可滲透的高粘度樹(shù)脂，樹(shù)脂化學(xué)性能、力學(xué)性能和熱性能是最適宜的。主要缺點(diǎn)是熱壓罐固化復(fù)合材料制品的耗費(fèi)大、作業(yè)慢、制品尺寸受限制；模具需能承受作業(yè)溫度并且生產(chǎn)成本較高。

2.6 低溫固化預(yù)浸抖成型

該工藝完全按預(yù)浸料方法制備，EP的化學(xué)性質(zhì)使其得以在肋-100℃固化。在60℃時(shí)，材料可操作保質(zhì)期可(_shi2 _cai2 liao4 ke3 cao1 zuo1 bao3 zhi4 qi1 ke3)小于1個(gè)星期也可延長(zhǎng)到幾個(gè)月。樹(shù)脂體系的流動(dòng)截面適于采用真空袋壓力，避免采用熱壓罐。該法除具有傳統(tǒng)預(yù)浸料成型的優(yōu)點(diǎn)外，因?yàn)閮H需真空袋壓力，固化溫度低，模具材料較便宜且能耗低，采用簡(jiǎn)單的熱空氣循環(huán)加熱室便可容易地制造大型結(jié)構(gòu)。主要缺點(diǎn)是復(fù)合材料成本仍高于預(yù)浸織物；模具需能經(jīng)受高于環(huán)境溫度的溫度；因需高于環(huán)境溫度固化故仍有能耗。

2.7 拉擠成型

該工(gai gong)藝是指將浸漬了EP的連續(xù)CF經(jīng)加熱模拉出形成預(yù)定截面型材的過(guò)程。

程序是：

①使CF增強(qiáng)材料浸漬樹(shù)脂；

②CF預(yù)成型后進(jìn)入加熱模具內(nèi)，進(jìn)一步浸漬、基體樹(shù)脂固化、復(fù)合材料定型；

③將型材按要求長(zhǎng)度切斷。

在碳纖維復(fù)合材料的成型工藝中，EP浸漬CF有兩種方式：

其一為膠槽浸漬法。即將增強(qiáng)材料通過(guò)樹(shù)脂槽浸膠，然后進(jìn)入模具，通常采用此法；

其二為注入浸漬法。GF增強(qiáng)材料進(jìn)入模具后，被(zeng1 qiang2 cai2 liao4 jin4 ru4 mo2 ju4 hou4 _bei4)注入模具內(nèi)的樹(shù)脂所浸漬。該法的主要優(yōu)點(diǎn)是制造速度快，拉擠成型材料的利用率為95%(手糊成型材料的利(shou hu cheng xing cai liao de li)用率僅為75%)；樹(shù)脂含量可精確控制；由于纖維呈縱向，且體積分?jǐn)?shù)可較高(40%-80%)，因而(_yin er)型材軸向結(jié)構(gòu)特性可非常好。主要缺點(diǎn)是模具費(fèi)用較高；一般限于生產(chǎn)恒定橫截面的制品。

環(huán)氧樹(shù)脂(EP)/碳纖維(CF)復(fù)合材料是CF增強(qiáng)復(fù)合材料的一個(gè)重要分支。近年來(lái)，隨著人們對(duì)EP/CF復(fù)合材料認(rèn)識(shí)的不斷深入(fu4 he2 cai2 liao4 ren4 shi2 de0 bu4 duan4 shen1 ru4)，其優(yōu)異的性能不斷凸現(xiàn)，促使其用量不斷上升。20世紀(jì)70年代以前，EP/CF復(fù)合材料被視為昂貴的材料，價(jià)格約為玻璃纖維(GF)增強(qiáng)復(fù)合材料的10倍，只用于軍工、宇航等尖端技術(shù)行業(yè)。20世紀(jì)80年代以敷，CF工業(yè)和(gong1 ye4 he2)EP工業(yè)迅速發(fā)展，EP/CF復(fù)合技術(shù)不斷進(jìn)(fu4 he2 ji4 shu4 bu4 duan4 jin4)步，加入到EP中的CF比例不斷上升，目前CF的體積分?jǐn)?shù)已可達(dá)60%以上，使EP/CF復(fù)合材料的質(zhì)量提高而價(jià)格下降，拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域，進(jìn)一步促進(jìn)了EP/CF復(fù)合材料的發(fā)展。

碳纖維復(fù)合材料的成型工藝1CF及其EP復(fù)合材料的基本特點(diǎn)

1.1CF的特點(diǎn)和基本成分

CF主要是由碳元素組成，其含碳量一般在90%以上。CP具有耐高溫、耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等特性，與一般碳素材料不同的是，其各向異性顯著，柔軟，可加工成各種織物，沿纖維軸向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。制備CF的主要原材料有人造絲(粘膠纖維)、聚丙烯腈(PAN)纖維和瀝青等。通常制備高強(qiáng)度、高模量CF多選用(duo1 xuan3 yong4)PAN為原料。制備CF需經(jīng)過(guò)拉絲、牽伸、穩(wěn)定、炭化、石墨化5個(gè)階段。

碳纖維復(fù)合材料的成型工藝工藝1.2EP基體的作用

EP具有優(yōu)良的加工性能和力學(xué)性能，其固化收縮率低，粘結(jié)性能優(yōu)異。復(fù)合材料中EP的主要作用是把CF粘在一起，分配CF間的載荷，保護(hù)CF不受環(huán)境影響。

1.3EP/CF復(fù)合材料的特性

EP/CF復(fù)合材料的特性主要取決于CF、EP及EP與CF之間的粘結(jié)特性。EP/CF復(fù)合材料具有優(yōu)異的性能，與鋼相比，EP/CF復(fù)合材料的比強(qiáng)度為鋼的4.8-7.2倍，比模量為鋼的3.1-4.2倍，疲勞強(qiáng)度約為鋼的2.5倍、鋁的3.3倍，而且(bei _er qie)高溫性能好，工作溫度達(dá)400℃時(shí)其強(qiáng)度與模量基本保持不變。此外還具(bao3 chi2 bu4 bian4 _ci3 wai4 hai2 ju4)有密度和線膨脹系數(shù)小、耐腐蝕、筷翡變、整體性訪、抗分層、抗沖擊等，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中，其比強(qiáng)度、比模量綜合指標(biāo)最高。在加工成型過(guò)程中EP/CF復(fù)合材料具有易大面積整體成型、成型穩(wěn)定等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。