EP/CF復(fù)合材料成型工藝分析

（廣西科技大學(xué)職業(yè)技術(shù)教育學(xué)院，廣西 柳州 545006）

EP/CF復(fù)合材料成型工藝分析

張 炯

（廣西科技大學(xué)職業(yè)技術(shù)教育學(xué)院，廣西 柳州 545006）

文章主要針對環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料的相關(guān)內(nèi)容進行了介紹，通過對其材料特點、成型工藝以及實際的應(yīng)用等方面進行論述，闡釋了在未來，復(fù)合材料成型技術(shù)必然成為時代的主導(dǎo)。

復(fù)合材料；碳纖維；環(huán)氧樹脂；成型工藝

1 復(fù)合材料特點分析

1.1 碳纖維。碳纖維即CF，其元素組成主要是C，碳纖維中C含量超過90%。其材料具有優(yōu)良的導(dǎo)電性以及導(dǎo)熱性，并且具有高溫耐受性，另外在耐腐蝕和摩擦性能上也具有突出表現(xiàn)。但是不同于普通的碳素材料，CF材料的各向異性較為顯著，能夠制成各種織物，且強度較大。CF的原材料主要包括粘膠纖維，即通常所說的人造絲，聚丙烯腈纖維以及瀝青等物質(zhì)。而聚丙烯腈纖維是制備高強度CF的首選材料。

1.2 環(huán)氧樹脂。環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能較高，并且相對于其他材料加工性較強，加之粘結(jié)性好﹑收縮率低而應(yīng)用于各種領(lǐng)域。在復(fù)合材料的制作中，環(huán)氧樹脂主要用于粘結(jié)CF材料，對CF之間的荷載進行分配，起到了保護作用。

1.3 復(fù)合材料。復(fù)合材料的性能受到原料的影響，即環(huán)氧樹脂以及碳纖維的性能以及二者之間的粘特征會對符合材料特性造成影響。從材料特性上分析，復(fù)合材料的整體性能較強，抗腐蝕性高﹑抗蠕變性能良好，并且密度﹑線膨脹系數(shù)相對較小，能夠有效抗擊分層﹑沖擊等。在目前已有的材料中，EP/CF復(fù)合材料的綜合性能較強，比強度以及比模量指標(biāo)最好。在進行加工成型時，具有穩(wěn)定﹑易成型的特點。

2 成型工藝

2.1 手糊成型。該成型工藝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和CF，手持輥子或刷子使EP浸漬CF，并將材料中的氣泡予以驅(qū)除，將基層進行壓實。通過多次的鋪層操作，對制品厚度進行控制，從而滿足成品的設(shè)計要求。通過手糊成型工藝，可以滿足室溫成型要求，無需大量投資，成本低廉，并且制品的規(guī)格沒有限制。但是該工藝也存在不可避免的缺陷，首先該工藝的勞動強度較高，且技術(shù)要求較為專業(yè)。另外材料中的一些物質(zhì)可能對人體造成危害。

2.2 樹脂傳遞成型。該工藝主要將CF材料設(shè)置在上下模之間，同時利用模具進行夾緊，利用壓力進行EP材料的注射。待材料固化后，將制品取出。在進行注射的過程中需要注意，保證材料充滿模具腔，通過夾具壓力可以令EP材料迅速同CF材料結(jié)合，浸漬CF。該工藝優(yōu)勢在于，可以預(yù)先對CF進行預(yù)先成型處理，后進行浸漬處理。而通過真空輔助注射的方式可以提高浸漬質(zhì)量。并且，該種工藝可以再室溫條件下進行也可以在加熱條件下進行，具有較高的靈活性。且模具材料的選擇范圍也較廣，鋼材模具以及復(fù)合材料模具均可適用。但是缺陷就在于，只能進行大型制品的制作，這是由于工藝所采用設(shè)備限制。

2.3 真空袋法成型工藝。該種方式時間里在噴射成型以及手糊成型工藝之上的新型工藝。該方式的優(yōu)勢就在于，成型后所得復(fù)合材料中CF含量相對較高，且鋪層技術(shù)僅采用了最普通的濕法鋪層技術(shù)；并且在加工過程中EP浸漬CF性能良好。而缺陷就在于，工藝較為復(fù)雜，因而勞動強度相對較大，而復(fù)雜的工藝也增加了成本，不利于推廣使用。并且生產(chǎn)所需要的技術(shù)水平相對較高，這就會對生產(chǎn)效率造成影響。

2.4 預(yù)浸料成型技術(shù)。首先將CF材料用EP進行預(yù)浸漬，在加壓﹑加熱以及溶劑環(huán)境下，進行預(yù)先處理。這種方式的優(yōu)勢就在于能夠?qū)P材料同固化劑之間的配比進行精準(zhǔn)的調(diào)整，并能夠準(zhǔn)確控制CF中EP的含量。另外在制造過程中可以使用高粘度樹脂材料，這種材料的化學(xué)性能﹑熱性能以及力學(xué)性能等較強且應(yīng)用成本較低。缺陷就在于作業(yè)速度慢且消耗過高，制品尺寸受限，因而成本相對較高。

另外，低溫固化預(yù)浸料﹑拉擠成型也是應(yīng)用較多的成型工藝。

3 復(fù)合材料的應(yīng)用

3.1 飛行器的輕型化。美國從F-14﹑F-15戰(zhàn)斗機就開始采用EP/CF復(fù)合材料，以降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高推力，復(fù)合材料占總結(jié)構(gòu)質(zhì)量的2%～3%。F-18戰(zhàn)斗機中先進復(fù)合材料已占總結(jié)構(gòu)質(zhì)量的10.3%，包括水平尾翼﹑方向舵﹑垂直穩(wěn)定板﹑減速板等，由F-14和F-15的次承力結(jié)構(gòu)材料逐步向主承力結(jié)構(gòu)材料過渡。

3.2 輕型機槍槍架。在輕型自動武器的研制過程中，需要實現(xiàn)的極其重要的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)是大幅度減輕武器系統(tǒng)的質(zhì)量，提高武器的機動性，同時保證輕武器的射彈散布精度，尤其是連發(fā)射擊精度，以滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭對輕武器的戰(zhàn)技指標(biāo)要求。目前，我國在這方面做了大量的工作，已初見成效。

3.3 新型連續(xù)抽油桿。有桿泵抽油是當(dāng)前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的機械采油技術(shù)，抽油桿是有桿泵系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，也是其中最薄弱的環(huán)節(jié)。CF具有高強度﹑高模量﹑質(zhì)輕和耐腐蝕的特點，且價格穩(wěn)步下降，是制備新型連續(xù)抽油桿的理想材料。以CF增強EP為主要原材料，采用拉擠成型工藝制備的新型連續(xù)抽油桿具有連續(xù)無接箍﹑橫截面小和質(zhì)輕等優(yōu)點，完全克服了常規(guī)鋼制抽油桿的缺點。

3.4 風(fēng)電葉片。潔凈能源是全世界關(guān)心的問題，風(fēng)力發(fā)電則是重要的潔凈能源之一。據(jù)估計2020年世界發(fā)電總量中，風(fēng)力發(fā)電要占12%。隨著新型能源的開發(fā)利用，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)開始得到迅速發(fā)展，而復(fù)合材料也在風(fēng)力發(fā)電裝置中得到了廣泛的應(yīng)用，市場前景廣闊。由于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的功率不斷增大，因而發(fā)電成本得到了進一步收縮。風(fēng)力發(fā)電設(shè)備也開始向著長葉片大功率的方向發(fā)展，這就要求復(fù)合材料具有更高的性能，以保證轉(zhuǎn)子的葉片能夠承受住設(shè)備運轉(zhuǎn)的要求。這不僅僅要求葉片的設(shè)計需要改變，同時也對材料的應(yīng)用提出了更高的要求。而新型復(fù)合材料性能恰恰能夠滿足這一方面的要求。

3.5 作為導(dǎo)電復(fù)合材料。該種材料主要由合成樹脂以及一些具有優(yōu)良導(dǎo)電能力的材料混合煉成，成型工藝主要利用了注射成型以及擠壓成型的方式。在靜電去除以及預(yù)防帶電性能上具有巨大的優(yōu)勢，在導(dǎo)電材料以及半導(dǎo)體材料領(lǐng)域得到了廣泛的推廣。另外EP/CF材料還被用作高精度天線以及接骨板的制作中

結(jié)語

EP/CF材料成型工藝在不斷的開發(fā)應(yīng)用中得到了推廣，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，在發(fā)展的過程中其工藝向著更加便捷的方向發(fā)展，并更貼合環(huán)保這一時代的主題，成為了當(dāng)前材料技術(shù)領(lǐng)域中的新寵兒。通過更高的生產(chǎn)性價比，EP/CF復(fù)合材料的應(yīng)用以及成型工藝將會向著更高層次發(fā)展。

[1]于祥明.復(fù)合新材料“起跑” 碳纖維產(chǎn)業(yè)有望爆發(fā)[N].上海證券報，2011.

TB332

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2014年度廣西高校科學(xué)技術(shù)研究項目（編號：LX2014193）