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            碳纖維復合材料成型工藝優缺點簡析

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            碳纖維復合材料是一種含碳量在90%以上的新型復合材料,具有高強度、高比模量、耐高溫、低電阻、耐腐蝕以及良好的阻尼減震等優良性能。碳纖維復合材料的成型技術有著幾十年的經驗,較為常見的有熱壓罐成型、拉擠成型、纏繞成型等,這些傳統成型工藝成熟度高、應用廣泛,今天帶大家對它們做個簡單的了解。

            一、熱壓罐成型

            熱壓罐成型是目前應用最為廣泛的碳纖維樹脂基復合材料的成型工藝,其成型原理是利用熱壓罐內的高溫壓縮氣體對鋪放好的預浸料進行加熱及加壓處理,將產品固化成型。

            熱壓罐成型

            目前熱壓罐成型工藝在工業生產中占有非常重要的比例,尤其是在航空航天領域,采用熱壓罐成型工藝制備的復合材料結構件占總量的80%以上,且已經被大量的應用于飛機的機身、方向舵、升降舵、機翼蒙皮、尾翼等結構部位上。

            熱壓罐成型的優勢明顯:

            1、制品受熱均勻

            成型過程中,碳纖維預浸料被真空袋密封在模具內部,制品可以均勻的受到來自各個方向的壓縮空氣壓力,能夠在均勻壓力下固化。

            2、制品受熱均勻

            罐內的壓縮空氣處于高速流動狀態,無論是加熱階段還是冷卻階段,碳纖維復合材料基本上受熱均勻。

            3、工藝穩定

            由于罐內壓力和溫度的穩定,所以復合材料的孔隙率較低、纖維分布均勻,因此復合材料的力學性能也基本穩定。

            4、應用廣泛

            熱壓罐設備體積較大,可以實現大型且結構復雜結構件的生產制備,且模具相對簡單。

            綜上所述,熱壓罐的成型范圍比較廣、生產制成的產品質量也很穩定,但是由于熱壓罐設備較為龐大、復雜,成本相對較高,在成型中能耗也比較大,所以不太符合低成本、低能耗的發展需求,這也就要求研究人員更多的開發新型的生產制造工藝。

            二、拉擠成型

            拉擠成型是一種連續制造復合材料構件的工藝方法,可用來制造恒定截面的構件。其工藝流程是先將碳纖維在樹脂中浸潤,然后使其在牽引設備的作用下通過擠壓模具成型、固化,連續不斷地生產長度不限的復合材料。

            拉擠成型

            拉擠成型工藝具有自動化程度高能耗損失較少、制品質量穩定原料耗費低以及制品中纖維含量較高等優點。然而,拉擠成型工藝最大的缺點是產品形狀單調,只能生產線形型材,無法構造復雜形狀的結構件,而且產品的性能具有各向異性,材料垂直于纖維的橫向強度不高,這極大限制了材料的應用范圍。

            三、纏繞成型

            20世紀40年代,纏繞成型工藝開始發展,在數十年的歷練下也成為聚合物基復合材料一種重要的成型技術。纏繞成型是先將浸漬樹脂的連續纖維預熱,并纏繞到芯模上,在纏繞的過程中持續加熱,再通過施加壓力使預浸料熔接為一體,逐層粘合,冷卻后得到相應構件制品。

            纏繞成型

            纏繞成型工藝的優點在于可以通過改變纏繞規律來發揮碳纖維的強度優勢,且易于實現機械化生產,其不足之處在于纖維在纏繞過程中不能緊貼芯模表面,因此制備具有凹面的零部件較為困難,并且纏繞機的成本較高。

            目前技術人員已經研發出自動纖維鋪放成型、超聲波快速固結成型、真空輔助成型等新型碳纖維復合材料成型方法,但是囿于我國在這方面的研究與國外發達國家還存在著較大的差距,目前更多的還是停留在傳統成型工藝的制造上。普及新型的碳纖維制品成型工藝還是未來亟待解決的難題。

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