碳纖維復(fù)合材料的成型工藝與應(yīng)用研究

王軍

摘 要：碳纖維復(fù)合材料近幾年來逐漸出現(xiàn)在大眾的視野中，并且擔(dān)當(dāng)了社會生產(chǎn)生活中的重要材料，在很多領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，比如：航天航空、汽車制造、體育用品等。本文主要圍繞著碳纖維復(fù)合材料及其成型工藝展開敘述。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料;成型工藝;應(yīng)用研究

0 引言

人與自然和諧發(fā)展的重要性越來越被廣大群眾認可，在綠色環(huán)保的理念指導(dǎo)下，環(huán)保類型材料的研究、開發(fā)已經(jīng)成為了工業(yè)主流。復(fù)合材料無論在環(huán)保方面還是在使用性能方面都占有絕對優(yōu)勢，擁有更加廣闊的發(fā)展空間。

1 碳纖維復(fù)合材料概述

碳纖維復(fù)合材料，顧名思義是指一種含碳量超過90%的無機纖維，經(jīng)過有機纖維的氧化處理、碳化處理以及重要的石墨化處理后得到的，在具備碳材料優(yōu)越的品質(zhì)：耐高溫、耐腐蝕且導(dǎo)熱的同時又具有纖維的優(yōu)良性能，柔軟、重量輕。無論是在碳材料方面還是纖維材料方面都具有創(chuàng)新性。一般來說。碳纖維復(fù)合材料的抗拉強度是鋼材料的七倍到九倍之間，而其自身的重量卻只有鋼材料的1/4，可以說是新時代的高性能材料。復(fù)合材料在較之自然材料的物化性能，生產(chǎn)效率更高而生產(chǎn)成本更低，因此，未來的發(fā)展前景較好。制作碳纖維復(fù)合材料的過程比較簡單，只需在碳纖維中加入樹脂、金屬、混凝土以及陶瓷等物品便可對碳纖維進行性能的定向加強，使其具有更好的性能。經(jīng)過長時間的發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料將會成為取代傳統(tǒng)金屬材料在航天航空領(lǐng)域以及汽車制造領(lǐng)域的使用，成為最具發(fā)展?jié)摿Φ膬?yōu)秀新興材料。

2 碳纖維復(fù)合材料傳統(tǒng)成型工藝

根據(jù)制作原理和制作方法可以將傳統(tǒng)成型工藝大致分成三類：熱壓罐成型、拉擠成型、纏繞成型。下面將對這三種制作方法進行詳細介紹：

2.1 熱壓罐成型

熱壓罐成型的制作原理主要是利用熱壓罐中的高溫、在進行氣體壓縮時對加工的材料進行加熱加壓，幫助材料形成理想中的固體形態(tài)。熱壓罐成型的制作方法是目前已知的三種制作方法中應(yīng)用最為廣泛的，主要制作以樹脂為主要成分的碳纖維復(fù)合材料，利用樹脂材料的熱性能進行形狀加固和定型。目前我國超過80%的碳纖維符合材料是通過該種加工原理完成的，這樣制作出來的產(chǎn)品具有性能穩(wěn)定、孔隙率較低以及纖維在材料中分布比較均勻等優(yōu)秀特點。但是在使用熱壓罐成型制作方法的過程中，熱能和其他不可再生能源隨之消耗且無法再次利用，導(dǎo)致能源的利用率低，因而造成生產(chǎn)效率低下。

2.2 拉擠成型

拉擠成型，顧名思義是對碳纖維符合材料通過設(shè)備的拉伸和擠壓以及其他設(shè)備的配合作業(yè)，完成拉長和擠壓項目，使得碳纖維復(fù)合材料達到理想中的長度和寬度。目前在對碳纖維復(fù)合材料進行拉擠時，需要對碳纖維復(fù)合材料進行預(yù)熱，再加上樹脂浸泡，使后續(xù)工作的擠壓和拉伸變得更加容易。這種方式的制作方法在工作的過程中同樣需要大量的能源做支持，為牽引和拉伸設(shè)備提供動能。除了能源消耗大，能源的利用率低外，拉擠成型只能進行生產(chǎn)線性產(chǎn)品的做工，且靈活度不高。但是其對碳纖維原材料的利用率較高，能夠生產(chǎn)出更優(yōu)質(zhì)、含碳量更高的復(fù)合材料。

2.3 纏繞成型

纏繞成型主要是通過將復(fù)合材料加熱后纏繞到模具表面的方式，在復(fù)合材料冷卻后逐層粘合，形成預(yù)期形狀的復(fù)合材料構(gòu)件。在纏繞的過程中，需要對模具不斷進行加熱，保持高溫度，保持碳纖維復(fù)合材料較強的可塑性，逐漸纏繞各個纏繞層之間的聯(lián)系緊密。通過這種方式制作出來的復(fù)合材料構(gòu)件自動化、機械化程度比較高，但是生產(chǎn)的成本卻較高，生產(chǎn)靈活性不足。纏繞成型工藝的主要優(yōu)點在于可以通過改變碳纖維復(fù)合材料的纏繞方向和材料之間的聯(lián)系強度，充分發(fā)揮碳纖維的強度優(yōu)勢，并且在制作的過程中可以實現(xiàn)機械化，解放了人力。但是在制作具有凹面的零部件比較麻煩，無法為其提供完全匹配的模具，同時纏繞的成本較高?？傊?，工廠在進行復(fù)合材料加工和制作之前，一定要考慮好各種實際情況和因素，保證工廠在花費較少的前提下，生產(chǎn)出品質(zhì)優(yōu)良、高性能的復(fù)合材料構(gòu)件。

3 碳纖維復(fù)合材料新型成型工藝

與傳統(tǒng)成型工藝不同，新型成型工藝主要采用化學(xué)原理進行碳纖維材料的加工和制作。比如：自動纖維鋪放成型、電子成型、激光固結(jié)成型、超聲波、3D打印成型等。

3.1 電子成型

電子成型是指在釋放高能電子束的過程中，實現(xiàn)碳纖維材料的物化轉(zhuǎn)變，達到對原材量變形的要求。因此電子成型又被稱為電子束固結(jié)成型工藝。電子成型工藝與上述提到的傳統(tǒng)工藝相比，提高了能源利用率，沒有消耗過多的能源實現(xiàn)復(fù)合材料的轉(zhuǎn)變，其次還降低了在傳統(tǒng)工藝中通過加熱對碳纖維復(fù)合材料性能的消耗，使得整個工藝操作過程的成本消耗較低，能源耗用較少，是目前比較提倡的綠色環(huán)保生產(chǎn)方式之一的環(huán)境友好型工藝。該種工藝原理主要應(yīng)用在基底樹脂上，通過對其進行拉伸和擠壓，實現(xiàn)對最終生產(chǎn)成品的抗拉性、抗老化、韌性等性能的提高。

3.2 激光固結(jié)成型

在當(dāng)前的制造行業(yè)中，使用激光進行原材料或者產(chǎn)品的變形和固話已經(jīng)成為了一種可行的方法，該方法已經(jīng)基本上取代了傳統(tǒng)熱源，大幅度減少了能源消耗，提高了生產(chǎn)效率。由于這種方法的對能源的利用率很高，而且制造出的產(chǎn)品性能很好，因此多被用于航空航天領(lǐng)域，為飛機尾翼等部位進行碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品的加工，激光固結(jié)成型也有很廣闊的發(fā)展空間。

3.3 自動纖維鋪放成型

這種工藝是從傳統(tǒng)工藝中的纏繞成型發(fā)展和改變來的，可以分為自動纖維絲鋪放技術(shù)和自動纖維帶鋪放技術(shù)，該技術(shù)主要用于航天領(lǐng)域。盡管自動纖維絲鋪放技術(shù)和自動纖維帶鋪放技術(shù)同屬于自動纖維鋪放技術(shù)，但是使用的范圍和方法卻迥乎不同。前者主要用于在復(fù)雜形狀雙曲機構(gòu)件，比如機身、機翼等融合體的制備;而后者主要應(yīng)用在小曲率的曲面構(gòu)件，比如飛機的翼面、壁板等。這兩種技術(shù)雖然應(yīng)用的領(lǐng)域有所差別，但是都具有生產(chǎn)效率較高、自動化程度高、易于數(shù)字設(shè)計等的優(yōu)點，因此在國內(nèi)外得到了廣泛的認可和發(fā)展。

3.4 3D打印成型

3D打印技術(shù)是近幾年高科技發(fā)展帶來的產(chǎn)物，主要通過數(shù)字化控制系統(tǒng)，構(gòu)造三維材料實體，以此代替以往傳統(tǒng)和部分新型的制作工藝和技術(shù)，同時與其他制作過程和方法相比，3D打印技術(shù)具有自動化高、智能化高一級精確化高的特點。因此，3D打印技術(shù)一經(jīng)問世便得到了廣泛的認可，在各行各業(yè)領(lǐng)域中都涉及到了3D打印技術(shù)，也包括利用3D打印技術(shù)進行碳纖維復(fù)合材料的制作，增強碳纖維的熱塑性和其他預(yù)期增強的性能。在使用的技術(shù)中，最廣泛使用的就是：激光燒結(jié)和熔融沉積成型技術(shù)。前者主要是利用激光在提前規(guī)定好的路徑上將粉末材料燒結(jié)，逐步形成累積制備的三維結(jié)構(gòu)構(gòu)件，主要應(yīng)用在短切類型的碳纖維復(fù)合材料中。

例如：華中科技大學(xué)曾先利用化學(xué)沉積制備出復(fù)合材料的粉末，并將其與碳纖維、聚酰亞胺樹脂相互混合，最后通過激光燒結(jié)技術(shù)制備碳纖維復(fù)合材料，這樣制備出來的材料含碳量達到50%以上，具有較高的生產(chǎn)效率。

而熔融沉積成型技術(shù)的基本工作理念是先利用打印機頭部加熱熔融樹脂，在按照以往設(shè)計的路徑進行單層結(jié)構(gòu)的堆砌，逐步形成累積后的三維結(jié)構(gòu)部件，這種技術(shù)主要應(yīng)用在連續(xù)碳纖維復(fù)合材料的制備上，這樣制備出的復(fù)合材料具有較高的抗性和其他優(yōu)秀性能。但是同樣也可應(yīng)用于短切碳纖維復(fù)合材料。

近年來，3D打印技術(shù)已經(jīng)無法滿足大眾日益增長的需求，隨之而來的就是4D打印技術(shù)的發(fā)展。這種技術(shù)是通過3D打印制造時間產(chǎn)生變化的物質(zhì)。雖然目前還未被廣泛應(yīng)用，但該技術(shù)卻在生物傳感器執(zhí)行器以及人工肌肉方面有很大的應(yīng)用前景。

4 總結(jié)

碳纖維復(fù)合材料既有碳材料的優(yōu)秀品質(zhì)，同時也包含了纖維材料柔軟、可拉伸的優(yōu)良性能，因此在制造業(yè)中具有較大的發(fā)展前景，已經(jīng)逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工業(yè)材料在航空、汽車制造以及其他領(lǐng)域的應(yīng)用。這種復(fù)合材料的會隨著發(fā)展展現(xiàn)出更卓越的性能。

參考文獻：

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