環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料的成型工藝

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1、環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料的成型工藝環(huán)氧樹脂(EP)/碳纖維(CF)復(fù)合材料是CF增強復(fù)合材料的一個重要分支。近年來，隨著人們對EP/CF復(fù)合材料認識的不斷深入，其優(yōu)異的性能不斷凸現(xiàn)，促使其用量不斷上升。20世紀(jì)70年代以前，EP/CF復(fù)合材料被視為昂貴的材料，價格約為玻璃纖維(GF)增強復(fù)合材料的10倍，只用于軍工、宇航等尖端技術(shù)行業(yè)。20世紀(jì)80年代以后，CF工業(yè)和EP工業(yè)迅速發(fā)展，EP/CF復(fù)合技術(shù)不斷進步，加入到EP中的CF比例不斷上升，目前CF的體積分數(shù)已可達60%以上，使EP/CF復(fù)合材料的質(zhì)量提高而價格下降，拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域

2、，進一步促進了EP/CF復(fù)合材料的發(fā)展。1CF及其EP復(fù)合材料的基本特點1.1CF的特點和基本成分CF主要是由碳元素組成，其含碳量一般在90%以上。CP具有耐高溫、耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等特性，與一般碳素材料不同的是，其各向異性顯著，柔軟，可加工成各種織物，沿纖維軸向表現(xiàn)出很高的強度。制備CF的主要原材料有人造絲(粘膠纖維)、聚丙烯腈(PAN)纖維和瀝青等。通常制備高強度、高模量CF多選用PAN為原料。制備CF需經(jīng)過拉絲、牽伸、穩(wěn)定、炭化、石墨化5個階段。1.2EP基體的作用EP具有優(yōu)良的加工性能和力學(xué)性能，其固化收縮率低，粘結(jié)性能

3、優(yōu)異。復(fù)合材料中EP的主要作用是把CF粘在一起，分配CF間的載荷，保護CF不受環(huán)境影響。1.3EP/CF復(fù)合材料的特性EP/CF復(fù)合材料的特性主要取決于CF、EP及EP與CF之間的粘結(jié)特性。EP/CF復(fù)合材料具有優(yōu)異的性能，與鋼相比，EP/CF復(fù)合材料的比強度為鋼的4.8-7.2倍，比模量為鋼的3.1-4.2倍，疲勞強度約為鋼的2.5倍、鋁的3.3倍，而且高溫性能好，工作溫度達400℃時其強度與模量基本保持不變。此外還具有密度和線膨脹系數(shù)小、耐腐蝕、抗蠕變、整體性好、抗分層、抗沖擊等，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中，其比強度、比模量綜合指標(biāo)最高。在加

4、工成型過程中EP/CF復(fù)合材料具有易大面積整體成型、成型穩(wěn)定等獨特的優(yōu)點。2EP/CF復(fù)合材料的成型工藝2.1手糊成型手糊成型是依次在模具型腔表面涂布或鋪迭脫模劑、膠衣、粘度適中的EP(膠衣凝膠后涂覆)和CF，手持輥子或刷子使EP浸漬CP，并驅(qū)除氣泡，壓實基層。鋪層操作反復(fù)多次，直到達到制品的設(shè)計厚度。該工藝的主要優(yōu)點是可室溫成型，設(shè)備投資少，模具折舊費低；可制造大型制品。主要缺點是屬于勞動密集型生產(chǎn)，制品質(zhì)量由工人技術(shù)熟練程度決定；手糊用樹脂分子量低，通?？赡茌^分子量高的樹脂有害于人的健康和安全。2.2樹脂傳遞成型將CF置于上下模之間

5、，合模并將模具夾緊，在壓力條件下注射EP，EP固化后打開模具，取下制品。必須保證EP在凝膠前充滿型腔，壓力促使EP快速傳遞到模具內(nèi)并浸漬CF。該工藝為低壓成型工藝，EP注塑壓力為0.4-0.5MPa，當(dāng)制造高CF含量(體積分數(shù)超過50%)的制品時壓力甚至可達0.7MPa。有時可預(yù)先將CF在一個模具內(nèi)預(yù)成型(帶粘結(jié)劑)，再在第二個模具內(nèi)注射成型。為了提高EP浸漬CP的能力，可選擇真空輔助注射。當(dāng)EP一旦將CF浸透，要將EP注入口封閉，以使樹脂固化。注射與固化可在室溫或加熱條件下進行。模具可以用復(fù)合材料與鋼材料制作。若采用加熱工藝，宜用鋼模

6、。該法的主要優(yōu)點是復(fù)合材料中CF含量可較高，未被EP浸潤的CF非常少；閉模成型，成型周期較短，生產(chǎn)環(huán)境好，生產(chǎn)成本較低；制品可大型化，強度可設(shè)計。主要缺點是不易制作較小制品，因要承壓，故模具較手糊與噴射工藝用模具要笨重和復(fù)雜。2.3真空袋法成型此法是手糊法與噴射法的延伸。將手糊或噴射好的積層在EP的A階段與模具在一起，在積層上覆以真空袋，周邊密封，然后用真空泵抽真空；使積層受到不大于101kPa的壓力而被壓實、成型。該法的主要優(yōu)點是采用普通濕法鋪層技術(shù)，通?？色@得高CF含量的復(fù)合材料；EP可較好地浸漬CF。主要缺點是額外的工藝過程增加了

7、勞動力和成本，并且要求操作人員有較高的技術(shù)水平；生產(chǎn)效率不高。2.4樹脂膜熔浸成型將CF與EP片交替鋪放在模具內(nèi)。用真空袋包覆鋪層，使用真空泵抽真空，將空氣抽出。然后加熱使EP熔化并浸漬CF，然后經(jīng)過適當(dāng)?shù)臅r間使EP固化。該法的主要優(yōu)點是復(fù)合材料的空隙率低，可精確獲得高的CF含量；鋪層清潔，有利于健康和安全，并且生產(chǎn)成本低。主要缺點是目前僅用于宇航工業(yè)，還未獲得大規(guī)模的推廣；模具要求能經(jīng)受EP膜片的工藝溫度。?2.5預(yù)浸料成型預(yù)先在加熱、加壓或使用溶劑的條件下，用EP預(yù)浸漬CF。預(yù)浸料在環(huán)境溫度下貯存一段時間后仍能保質(zhì)使用，當(dāng)要延長保質(zhì)

8、期時須在冷凍條件下貯存材料。樹脂通常在環(huán)境溫度下呈臨界固態(tài)，故觸摸預(yù)浸料時有輕微的粘附感。預(yù)浸料用手工或機械鋪于模具表面，通過真空袋抽真空，放入熱壓罐中成型。通常加熱使樹脂重新流動，最終固化。該法的主要優(yōu)點