碳纤维复合材料的成型工艺及应用

 　　环氧树脂(EP)/碳纤维(CF)复合材料是CF增强复合材料的一个重要分支。近年来，随着人们对EP/CF复合材料认识的不断深入(fu4 he2 cai2 liao4 ren4 shi2 de0 bu4 duan4 shen1 ru4)，其优异的性能不断凸现，促使其用量不断上升。20世纪70年代以前，EP/CF复合材料被视为昂贵的材料，价格约为玻璃纤维(GF)增强复合材料的10倍，只用于军工、宇航等尖端技术行业。20世纪80年代以敷，CF工业和(gong1 ye4 he2)EP工业迅速发展，EP/CF复合技术不断进(fu4 he2 ji4 shu4 bu4 duan4 jin4)步，加入到EP中的CF比例不断上升，目前CF的体积分数已可达60%以上，使EP/CF复合材料的质量提高而价格下降，拓宽了其应用领域，进一步促进了EP/CF复合材料的发展。
1CF及其EP复合材料的基本特点
1.1CF的特点和基本成分
CF主要是由碳元素组成，其含碳量一般在90%以上。CP具有耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性，与一般碳素材料不同的是，其各向异性显着，柔软，可加工成各种织物，沿纤维轴向表现出很高的强度。制备CF的主要原材料有人造丝(粘胶纤维)、聚丙烯腈(PAN)纤维和沥青等。通常制备高强度、高模量CF多选用(duo1 xuan3 yong4)PAN为原料。制备CF需经过拉丝、牵伸、稳定、炭化、石墨化5个阶段。
1.2EP基体的作用
EP具有优良的加工性能和力学性能，其固化收缩率低，粘结性能优异。复合材料中EP的主要作用是把CF粘在一起，分配CF间的载荷，保护CF不受环境影响。
1.3EP/CF复合材料的特性
EP/CF复合材料的特性主要取决于CF、EP及EP与CF之间的粘结特性。EP/CF复合材料具有优异的性能，与钢相比，EP/CF复合材料的比强度为钢的4.8-7.2倍，比模量为钢的3.1-4.2倍，疲劳强度约为钢的2.5倍、铝的3.3倍，而且(bei _er qie)高温性能好，工作温度达400℃时其强度与模量基本保持不变。此外还具(bao3 chi2 bu4 bian4 _ci3 wai4 hai2 ju4)有密度和线膨胀系数小、耐腐蚀、筷翡变、整体性访、抗分层、抗冲击等，在现有结构材料中，其比强度、比模量综合指标高。在加工成型过程中EP/CF复合材料具有易大面积整体成型、成型稳定等独特的优点。
2EP/CF复合材料的成型工艺
2.1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(jin4 zi4)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(fen1 zi3)量低，通常可能较分子量高的树脂有害于人的健康和安全。
2.2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(gu hua hou da kai mo ju _qu xia zhi pin _bi)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(ti ji fen shu chao)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。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。
2.3真空袋法成型
此法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。
2.4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。
2.5 预浸料成型
预先在加热、加压或使用溶剂的条件下，用EP预浸渍CF。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，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。
2.6 低温固化预浸抖成型
该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(_shi2 _cai2 liao4 ke3 cao1 zuo1 bao3 zhi4 qi1 ke3)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。
2.7 拉挤成型
该工(gai gong)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。
程序是：
①使CF增强材料浸渍树脂；
②CF预成型后进入加热模具内，进一步浸渍、基体树脂固化、复合材料定型；
③将型材按要求长度切断。
该工艺中，EP浸渍CF有两种方式：
其一为胶槽浸渍法。即将增强材料通过树脂槽浸胶，然后进入模具，通常采用此法；
其二为注入浸渍法。GF增强材料进入模具后，被(zeng1 qiang2 cai2 liao4 jin4 ru4 mo2 ju4 hou4 _bei4)注入模具内的树脂所浸渍。该法的主要优点是制造速度快，拉挤成型材料的利用率为95%(手糊成型材料的利(shou hu cheng xing cai liao de li)用率仅为75%)；树脂含量可精确控制；由于纤维呈纵向，且体积分数可较高(40%-80%)，因而(_yin er)型材轴向结构特性可非常好。主要缺点是模具费用较高；一般限于生产恒定横截面的制品。
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