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【专题综述】碳纤维复合材料的主要成型方法

发布时间:2024-04-02 点击次数:55次

碳纤维一般与母材(树脂等)组合后以复合材料的形态进行使用。根据最终产品的形态和特性,采用各种各样的成型方法(加工方法)。另外,以提高物性和外观、缩短成型时间等为目标,成型方法日趋完善。下面介绍具有代表性的碳纤维成型方法。

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1、拉拔成型

也称为拉挤成型。这是将浸渍液态树脂的碳纤维引入和穿过模具,对其加热固化的连续成型法。适用于杆状、管状等具有一定截面形状的成型品。
优点:
• 连续生产:适合大批量连续生产,生产效率高。
• 自动化程度高:工艺过程易于实现自动化控制。
• 纤维含量高:可以获得较高的纤维含量,制品强度较高。
缺点:
• 制品形状单一:主要适用于制造简单形状的制品,如棒材、管材等。
• 设备投资较大:需要拉挤设备和模具的投入。

2、缠绕成型

这是将浸渍液态树脂的碳纤维丝束缠绕在心轴上之后,进行加热固化的成型法。有两种方法,一种是一边将碳纤维浸渍在树脂槽(浴槽)中一边进行卷绕的方法,另一种是将预先浸渍在树脂中的丝束材料进行卷绕的方法。适用于管状和罐状成型品。
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优点:
• 纤维取向可控:可以通过缠绕方式实现对纤维取向的控制。
• 制品强度高:能够获得较高的纤维含量和较好的力学性能。
• 适合特定形状:特别适用于制造管状或柱状的制品。

缺点:
• 设备投资大:需要专门的缠绕设备和芯模。
• 限制制品尺寸:受到芯模尺寸的限制,不适用于大型制品。

3、RTM(树脂传递模塑成型)成型

这是在一对阴/阳的密封型模具中,配置碳纤维预成型件(将碳纤维预成型为产品形状的产品、织物等),将液态树脂压入、浸渍、加热固化的方法。仅使用阴模在真空压力下固化的方法称为VaRTM成型(真空辅助RTM)。RTM适用于中小型,VaRTM适用于大中型的成型品。
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优点:
• 成型效率高:可以实现快速成型,缩短生产周期。
• 成本相对较低:树脂的利用率高,浪费较少。
• 可设计性强:适用于制造大型复杂结构的制品。
缺点:
• 对模具要求高:模具需要具备良好的密封性能和导热性能。
• 工艺控制要求严格:树脂的注入和固化过程需要精确控制。

4、冲压成型

这是将预浸料或SMC等浸渍树脂的薄片层叠在模具上,一边施加压力一边加热固化的方法。三菱化学确立了基于高循环及预成型技术的PCM(预浸料模压)成型法,也可以与SMC材料进行混合成型。适用于大量生产品的成型方法。
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优点:
• 生产效率高:适合大规模生产,成型速度较快。
• 制品性能稳定:可以保证制品的一致性和稳定性。
• 成本相对较低:模具和设备投资较小。
缺点:
• 制品形状受限:难以制造复杂形状的制品。
• 碳纤维取向不易控制:纤维的取向相对较难精确控制。

5、热压罐(AC)成型

热压罐简单地说就是压力锅。在成型模具上层叠预浸料,盖上膨胀薄膜(用于制造真空状态的薄膜)进行减压,在热压罐内施加压力加热固化。该成型方法适合制造高品质、高性能产品,但由于成型周期长,成本较高。
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优点:

• 温度和压力场均匀。使用压缩空气或惰性气体向热压罐内充气加压,确保在模具上的构件在均匀的压力和温度下成型和固化。

• 适用范围广。适用于多种先进复合材料的生产,包括那些在固化周期、压力和温度上有特定要求的材料。

• 生产效率高。采用先加热再加压的方式,相比普通压力设备,生产效率更高。• 产品质量可靠。由于压力和温度的均匀性,热压罐成型工艺制造的构件孔隙率较低、树脂含量均匀,力学性能稳定可靠。

• 工艺自动化程度高。可以实现高度自动化和批量生产。

缺点:
• 设备成本高。需要投入大量资金进行设备购置和维护。
• 生产周期较长。包括加热、压制、冷却等多个环节。
• 技术要求高。操作需要一定的技术经验和专业知识。
• 环境污染问题。在成型过程中可能会释放有害气体和废水,对环境造成污染。

6、注射成型

也称为注塑成型,是将碳纤维增强尼龙和聚碳酸酯等热塑性树脂原料(粒料)进行加热熔融,并注射到模具腔(间隙)的成型方法。机械物性会有所下降,但这是一种适用于短周期、复杂形状成型的成型方法。
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优点:

• 生产效率高,适合大规模生产;
• 制品的精度和表面质量较高;
• 可以制备各种形状和大小的制品。

缺点:

• 需要使用高性能的注射机和模具,设备成本较高;
• 对于某些高性能复合材料,成型工艺参数需要精确控制;
• 废料处理和回收利用难度较大。
在当前的实际应用中,RTM (树脂传递模塑成型)成型工艺因其较高的成型效率、良好的制品性能和较低的成本,成为较为流行的一种碳纤维复合材料制备工艺。然而,选择哪种成型工艺应根据具体的应用需求、制品形状、生产规模等因素进行综合考虑。

随着技术的不断发展和创新,新的成型工艺也在不断涌现,为碳纤维复合材料的更广泛应用提供了可能。在实际应用中,需要根据具体情况选择合适的成型工艺,以满足制品的性能要求和生产需求。

参考文献:
[1]三菱化学官网,碳纤维/复合材料的成型方法(加工方法).
[2]复合材料学. 张以河 -2版. 北京:化学工业出版社,2022.

来源:中国复材

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