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碳纤复合材料的成型工艺介绍


  在介绍之前先认识两个名词,环氧树脂(简称EP)、碳纤维(简称CF)。碳纤复合材料的成型工艺主要有这七种方法:
  一)手糊成型
  手糊成型是依次在模具型腔表面涂布或铺迭脱模剂、胶衣、粘度适中的EP(胶衣凝胶后涂覆)和CF,手持辊子或刷子使EP浸渍CP,并驱除气泡,压实基层。铺层操作反复多次,直到达到制品的设计厚度。该工艺的主要优点是可室温成型,设备投资少,模具折旧费低;可制造大型制品。主要缺点是属于劳动密集型生产,制品质量由工人技术熟练程度决定;手糊用树脂分子量低,通常可能较分子量高的树脂有害于人的健康和安全。
  二)树脂传递成型
  将CF置于上下模之间,合模并将模具夹紧,在压力条件下注射EP,EP固化后打开模具,取下制品。必须保证EP在凝胶前充满型腔,压力促使EP快速传递到模具内并浸渍CF。该工艺为低压成型工艺,EP注塑压力为0.4-0.5MPa,当制造高CF含量(体积分数超过50%)的制品时压力甚至可达0.7MPa。有时可预先将CF在一个模具内预成型(带粘结剂),再在第二个模具内注射成型。为了提高EP浸渍CP的能力,可选择真空辅助注射。当EP一旦将CF浸透,要将EP注入口封闭,以使树脂固化。注射与固化可在室温或加热条件下进行。碳纤复合材料模具可以用复合材料与钢材料制作。若采用加热工艺,宜用钢模。该法的主要优点是复合材料中CF含量可较高,未被EP浸润的CF非常少;闭模成型,成型周期较短,生产环境好,生产成本较低;制品可大型化,强度可设计。主要缺点是不易制作较小制品,因要承压,故模具较手糊与喷射工艺用模具要笨重和复杂。
  三)真空袋法成型
  真空袋法成型工艺是手糊法与喷射法的延伸。将手糊或喷射好的积层在EP的A阶段与模具在一起,在积层上覆以真空袋,周边密封,然后用真空泵抽真空;使积层受到不大于101kPa的压力而被压实、成型。该法的主要优点是采用普通湿法铺层技术,通常可获得高CF含量的复合材料;EP可较好地浸渍CF。主要缺点是额外的工艺过程增加了劳动力和成本,并且要求操作人员有较高的技术水平;生产效率不高。
  四)树脂膜熔浸成型
  将CF与EP片交替铺放在模具内。用真空袋包覆铺层,使用真空泵抽真空,将空气抽出。然后加热使EP熔化并浸渍CF,然后经过适当的时间使EP固化。该法的主要优点是复合材料的空隙率低,可精确获得高的CF含量;铺层清洁,有利于健康和安全,并且生产成本低。主要缺点是目前仅用于宇航工业,还未获得大规模的推广;模具要求能经受EP膜片的工艺温度。
  五)预浸料成型
  预浸料成型工艺就是预先在加热、加压或使用溶剂的条件下,用EP预浸渍CF。碳纤复合材料预浸料在环境温度下贮存一段时间后仍能保质使用,当要延长保质期时须在冷冻条件下贮存材料。树脂通常在环境温度下呈临界固态,故触摸预浸料时有轻微的粘附感。预浸料用手工或机械铺于模具表面,通过真空袋抽真空,放入热压罐中成型。通常加热使树脂重新流动,最终固化。该法的主要优点是可精确地调整EP/固化剂配比和EP在CF中的含量,得到高含量CF;由于制造过程采用可渗透的高粘度树脂,树脂化学性能、力学性能和热性能是最适宜的。主要缺点是热压罐固化复合材料制品的耗费大、作业慢、制品尺寸受限制;模具需能承受作业温度并且生产成本较高。
  六)低温固化预浸抖成型
  低温固化预浸抖成型工艺完全按预浸料方法制备,EP的化学性质使其得以在肋-100℃固化。在60℃时,材料可操作保质期可小于1个星期也可延长到几个月。树脂体系的流动截面适于采用真空袋压力,避免采用热压罐。该法除具有传统预浸料成型的优点外,因为仅需真空袋压力,固化温度低,模具材料较便宜且能耗低,采用简单的热空气循环加热室便可容易地制造大型结构。主要缺点是复合材料成本仍高于预浸织物;模具需能经受高于环境温度的温度;因需高于环境温度固化故仍有能耗。
  七)拉挤成型
  拉挤成型工艺是指将浸渍了EP的连续CF经加热模拉出形成预定截面型材的过程。
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