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        【專題綜述】碳纖維復合材料的主要成型方法

        2024-04-08 82

        碳纖維一般與母材(樹脂等)組合后以復合材料的形態進行使用。根據最終產品的形態和特性,采用各種各樣的成型方法(加工方法)。另外,以提高物性和外觀、縮短成型時間等為目標,成型方法日趨完善。下面介紹具有代表性的碳纖維成型方法。

        1、拉拔成型

        也稱為拉擠成型。這是將浸漬液態樹脂的碳纖維引入和穿過模具,對其加熱固化的連續成型法。適用于桿狀、管狀等具有一定截面形狀的成型品。
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        優點:
        ? 連續生產:適合大批量連續生產,生產效率高。
        ? 自動化程度高:工藝過程易于實現自動化控制。
        ? 纖維含量高:可以獲得較高的纖維含量,制品強度較高。
        缺點:
        ? 制品形狀單一:主要適用于制造簡單形狀的制品,如棒材、管材等。
        ? 設備投資較大:需要拉擠設備和模具的投入。

        2、纏繞成型

        這是將浸漬液態樹脂的碳纖維絲束纏繞在心軸上之后,進行加熱固化的成型法。有兩種方法,一種是一邊將碳纖維浸漬在樹脂槽(浴槽)中一邊進行卷繞的方法,另一種是將預先浸漬在樹脂中的絲束材料進行卷繞的方法。適用于管狀和罐狀成型品。
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        優點:
        ? 纖維取向可控:可以通過纏繞方式實現對纖維取向的控制。
        ? 制品強度高:能夠獲得較高的纖維含量和較好的力學性能。
        ? 適合特定形狀:特別適用于制造管狀或柱狀的制品。

        缺點:
        ? 設備投資大:需要專門的纏繞設備和芯模。
        ? 限制制品尺寸:受到芯模尺寸的限制,不適用于大型制品。

        3、RTM(樹脂傳遞模塑成型)成型

        這是在一對陰/陽的密封型模具中,配置碳纖維預成型件(將碳纖維預成型為產品形狀的產品、織物等),將液態樹脂壓入、浸漬、加熱固化的方法。僅使用陰模在真空壓力下固化的方法稱為VaRTM成型(真空輔助RTM)。RTM適用于中小型,VaRTM適用于大中型的成型品。
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        優點:
        ? 成型效率高:可以實現快速成型,縮短生產周期。
        ? 成本相對較低:樹脂的利用率高,浪費較少。
        ? 可設計性強:適用于制造大型復雜結構的制品。
        缺點:
        ? 對模具要求高:模具需要具備良好的密封性能和導熱性能。
        ? 工藝控制要求嚴格:樹脂的注入和固化過程需要精確控制。

        4、沖壓成型

        這是將預浸料或SMC等浸漬樹脂的薄片層疊在模具上,一邊施加壓力一邊加熱固化的方法。三菱化學確立了基于高循環及預成型技術的PCM(預浸料模壓)成型法,也可以與SMC材料進行混合成型。適用于大量生產品的成型方法。
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        優點:
        ? 生產效率高:適合大規模生產,成型速度較快。
        ? 制品性能穩定:可以保證制品的一致性和穩定性。
        ? 成本相對較低:模具和設備投資較小。
        缺點:
        ? 制品形狀受限:難以制造復雜形狀的制品。
        ? 碳纖維取向不易控制:纖維的取向相對較難精確控制。

        5、熱壓罐(AC)成型

        熱壓罐簡單地說就是壓力鍋。在成型模具上層疊預浸料,蓋上膨脹薄膜(用于制造真空狀態的薄膜)進行減壓,在熱壓罐內施加壓力加熱固化。該成型方法適合制造高品質、高性能產品,但由于成型周期長,成本較高。
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        優點:

        ? 溫度和壓力場均勻。使用壓縮空氣或惰性氣體向熱壓罐內充氣加壓,確保在模具上的構件在均勻的壓力和溫度下成型和固化。

        ? 適用范圍廣。適用于多種先進復合材料的生產,包括那些在固化周期、壓力和溫度上有特定要求的材料。

        ? 生產效率高。采用先加熱再加壓的方式,相比普通壓力設備,生產效率更高。? 產品質量可靠。由于壓力和溫度的均勻性,熱壓罐成型工藝制造的構件孔隙率較低、樹脂含量均勻,力學性能穩定可靠。

        ? 工藝自動化程度高??梢詫崿F高度自動化和批量生產。

        缺點:
        ? 設備成本高。需要投入大量資金進行設備購置和維護。
        ? 生產周期較長。包括加熱、壓制、冷卻等多個環節。
        ? 技術要求高。操作需要一定的技術經驗和專業知識。
        ? 環境污染問題。在成型過程中可能會釋放有害氣體和廢水,對環境造成污染。

        6、注射成型

        也稱為注塑成型,是將碳纖維增強尼龍和聚碳酸酯等熱塑性樹脂原料(粒料)進行加熱熔融,并注射到模具腔(間隙)的成型方法。機械物性會有所下降,但這是一種適用于短周期、復雜形狀成型的成型方法。
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        優點:

        ? 生產效率高,適合大規模生產;
        ? 制品的精度和表面質量較高;
        ? 可以制備各種形狀和大小的制品。

        缺點:

        ? 需要使用高性能的注射機和模具,設備成本較高;
        ? 對于某些高性能復合材料,成型工藝參數需要精確控制;
        ? 廢料處理和回收利用難度較大。
        在當前的實際應用中,RTM (樹脂傳遞模塑成型)成型工藝因其較高的成型效率、良好的制品性能和較低的成本,成為較為流行的一種碳纖維復合材料制備工藝。然而,選擇哪種成型工藝應根據具體的應用需求、制品形狀、生產規模等因素進行綜合考慮。

        隨著技術的不斷發展和創新,新的成型工藝也在不斷涌現,為碳纖維復合材料的更廣泛應用提供了可能。在實際應用中,需要根據具體情況選擇合適的成型工藝,以滿足制品的性能要求和生產需求。

        參考文獻:
        [1]三菱化學官網,碳纖維/復合材料的成型方法(加工方法).
        [2]復合材料學. 張以河 -2版. 北京:化學工業出版社,2022.




        此文由中國復合材料工業協會搜集整理編譯,部分數據來源于網絡資料。文章不用于商業目的,僅供行業人士交流,引用請注明出處。


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