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科技創(chuàng )新

【專(zhuān)題綜述】碳纖維復合材料的主要成型方法

2024-04-08 113

碳纖維一般與母材（樹(shù)脂等）組合后以復合材料的形態(tài)進(jìn)行使用。根據最終產(chǎn)品的形態(tài)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(guān)、縮短成型時(shí)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(chēng)為拉擠成型。這是將浸漬液態(tài)樹(shù)脂的碳纖維引入和穿過(guò)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(yōu)點(diǎn)：
? 連續生產(chǎn)：適合大批量連續生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高。
? 自動(dòng)化程度高：工藝過(guò)程易于實(shí)現自動(dòng)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(diǎn)：
? 制品形狀單一：主要適用于制造簡(jiǎn)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(tài)樹(shù)脂的碳纖維絲束纏繞在心軸上之后，進(jìn)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(shù)脂槽（浴槽）中一邊進(jìn)行卷繞的方法，另一種是將預先浸漬在樹(shù)脂中的絲束材料進(jìn)行卷繞的方法。適用于管狀和罐狀成型品。
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優(yōu)點(diǎn)：
? 纖維取向可控：可以通過(guò)纏繞方式實(shí)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(xué)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(diǎn)：
? 設備投資大：需要專(zhuān)門(mén)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(shù)脂傳遞模塑成型）成型

這是在一對陰/陽(yáng)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(chǎn)品形狀的產(chǎn)品、織物等)，將液態(tài)樹(shù)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(chēng)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(yōu)點(diǎn)：
? 成型效率高：可以實(shí)現快速成型，縮短生產(chǎn)周期。
? 成本相對較低：樹(shù)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(diǎn)：
? 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(shù)脂的注入和固化過(guò)程需要精確控制。

4、沖壓成型

這是將預浸料或SMC等浸漬樹(shù)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(xué)確立了基于高循環(huán)及預成型技術(shù)的PCM(預浸料模壓)成型法，也可以與SMC材料進(jìn)行混合成型。適用于大量生產(chǎn)品的成型方法。
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優(yōu)點(diǎn)：
? 生產(chǎn)效率高：適合大規模生產(chǎn)，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(diǎn)：
? 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(jiǎn)單地說(shuō)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(tài)的薄膜)進(jìn)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(zhì)、高性能產(chǎn)品，但由于成型周期長(cháng)，成本較高。
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優(yōu)點(diǎn)：

? 溫度和壓力場(chǎng)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(jìn)復合材料的生產(chǎn)，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(chǎn)效率高。采用先加熱再加壓的方式，相比普通壓力設備，生產(chǎn)效率更高。? 產(chǎn)品質(zhì)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(shù)脂含量均勻，力學(xué)性能穩定可靠。

? 工藝自動(dòng)化程度高?？梢詫?shí)現高度自動(dòng)化和批量生產(chǎn)。

缺點(diǎn)：
? 設備成本高。需要投入大量資金進(jìn)行設備購置和維護。
? 生產(chǎn)周期較長(cháng)。包括加熱、壓制、冷卻等多個(gè)環(huán)節。
? 技術(shù)要求高。操作需要一定的技術(shù)經(jīng)驗和專(zhuān)業(yè)知識。
? 環(huán)境污染問(wèn)題。在成型過(guò)程中可能會(huì )釋放有害氣體和廢水，對環(huán)境造成污染。

6、注射成型

也稱(chēng)為注塑成型，是將碳纖維增強尼龍和聚碳酸酯等熱塑性樹(shù)脂原料(粒料)進(jìn)行加熱熔融，并注射到模具腔(間隙)的成型方法。機械物性會(huì )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(yōu)點(diǎn)：

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

缺點(diǎn)：

? 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(shí)際應用中，RTM （樹(shù)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(chǎn)規模等因素進(jìn)行綜合考慮。

隨著(zhù)技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng )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(shí)際應用中，需要根據具體情況選擇合適的成型工藝，以滿(mǎn)足制品的性能要求和生產(chǎn)需求。

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




此文由中國復合材料工業(yè)協(xié)會(huì )搜集整理編譯，部分數據來(lái)源于網(wǎng)絡(luò )資料。文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請注明出處。


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