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提升碳纤维管材质量的几个工艺方法

10882人已浏览 时间 : 2019-01-10 15:05:48

导语:除了优于钢材的强度和大比例的减重效果外,碳纤维管材的表面质量和制作精度也是影响其应用效果的重要因素。碳纤维圆管、方管最常用的制造方法是纤维缠绕法和模压-热压罐工艺,但运用这些工艺最突出的缺陷就是制造出的管材表面质量不够好,采用预浸料铺层袋压工艺制作的异型管也存在着同样的表面缺陷问题。表面质量不仅影响到管材外观的光洁度,也影响到管材的几何尺寸以及机械装备能力,因此,提高管材质量和制造精度是碳纤维管材…

除了优于钢材的强度和大比例的减重效果外,碳纤维管材的表面质量和制作精度也是影响其应用效果的重要因素。碳纤维圆管、方管最常用的制造方法是纤维缠绕法和模压-热压罐工艺,但运用这些工艺最突出的缺陷就是制造出的管材表面质量不够好,采用预浸料铺层袋压工艺制作的异型管也存在着同样的表面缺陷问题。表面质量不仅影响到管材外观的光洁度,也影响到管材的几何尺寸以及机械装备能力,因此,提高管材质量和制造精度是碳纤维管材制造中的一大难点。下文就厦门联连宏碳纤维制品有限公司在多年的碳纤管生产中积累出的实际操作经验,总结出几个应对该类问题的解决方法。


产生缺陷的原因:

碳纤维管件成品的表面缺陷主要有皱折、条纹及富胶等问题,追溯这些问题的产生主要集中在预浸料铺层这一环节,在使用碳纤维复合材料预浸料铺层时,如果不能施加足够的张力压紧预浸料叠层块,就会使得铺就的复合材料预浸料层间相对较松散,整体厚度也会超出目标管材制品的厚度。因而,在成型工艺时,一般的处理方式是加压以压紧各层复合材料并使多余的树脂流出,但是这种加压必将带来两种收缩力。首先,碳纤维复合材料叠层块在被压紧时,管材的厚度就会随之变薄,外径变小,周长也相应减少,沿环向的纤维必然松弛,其中的碳纤维被压产生弯曲、打折;其次,在碳纤管成型过程中往往会需要在预浸料叠层块毛坯上使用一些辅助材料,如透气毡和真空袋等,这些辅助材料在压缩时也会引起皱折和条纹,固化时将压印在复合材料表面上,最终形成皱折。


预压实与温度控制相结合:

根绝厦门联连宏碳纤维制品有限公司的经验总结,要解决碳纤维管材表面缺陷的重要一步就是在碳纤维预浸料铺放过程中,将预压实和合适的温度控制结合起来。具体的操作要领是在铺料过程中,每铺放完几层,就在一定温度下进行与预压实,施加一定的压力以压紧各层纤维,这种及时的预压实可以防止纤维松弛的层层积累,在一定的压力和温度等工艺条件下,排除预浸料毛坯中多余的树脂、空气泡和低沸点物质,使毛坯致密并基本上达到预定的厚度。经过预压实的毛坯在固化工序中不需再进行吸胶,碳纤维复合材料中的树脂含量和管材的厚度都能得到有效的控制。

选用适合的模具材料:

碳纤维复合材料管材对内径尺寸精度控制不严,但对外径要求较高,模具的选择对外径尺寸有较大影响。对于纤维缠绕工艺或者卷制工艺来说,因为纤维缠绕时受到压紧力,要求其集合形状基本保持不变,因而在芯模原材料的选择上,最好选择具有良好刚性的金属材料,如钢和硬铝,钢的密度和硬度都比硬铝大,但钢的热膨胀系数不及硬铝。而高性能碳管制品是在高温下进行固化的,如果采用硬铝芯模,可通过硬铝热膨胀产生的固化内压,提高碳管的密度和力学性能。所以在高性能碳管的缠绕工艺中,芯模宜选用硬铝。为有效提高管材成型的质量,威盛新材选择芯模的原则是用线膨胀系数较大的弹性材料做成型模,以线膨胀系数小的钢材作为辅助模,成型时通过弹性材料传递压力,施加压力,实验证明这种方法效果理想。


利用热缩套管的均压力:

除了上述方法外,还可以利用热缩工艺提升碳纤维管材的表面质量及制造精度。在高温固化时,热缩材料能有效地传递热压罐的压力,并均匀地消除真空袋及透气毡的皱折对碳纤维复合材料的影响。例如采用热缩套管的热缩特性对复合材料进行均压,在对碳纤维复合材料预浸料进行加热时,树脂软化,热缩管在达到一定的收缩温度后将发生收缩变形,在口径均匀缩小过程中压实了复合材料叠层块。经过热缩工艺的碳纤维复合材料管经封装后再进行固化工艺,固化成型后脱模并剥离热缩管。

具体选择什么样的热缩材料,需要根据材料的收缩温度、收缩率和耐温性等几个参数进行综合考虑。厦门联连宏碳纤维制品有限公司的技术人员强调,在热缩工艺的使用中应做好以下两个问题的防范:一是热缩时热缩管的破裂;二是收缩会引起表面层纤维的错位。所以一定要控制好温度,加热必须要均匀,尽量使收缩进程变得缓慢,减少缩变的剧烈性。


积极使用多种工艺方法,不断改进工艺流程的威盛新材在碳纤维管材制造方面已取得了领先于同行的技术成就,方管、圆管、异型管等多种不同口径、厚度、长度的碳纤维管材成品外观光滑、管壁厚薄均匀,口径尺寸统一,成品跳动可控制在0.03以下、动平衡500转2g以内,高精度的标准完全符合高端类装备的特殊需求。

从应用市场看,碳纤维管材的消耗量将持续增加,高尔夫球杆、钓鱼竿是碳管在体育休闲领域中占比最多的应用对象,大型卫星天线的支撑杆、空间的桁架结构、地球同步轨道卫星上的小发动机支架等也是碳纤管在航天科技领域中的典型代表。近来,无人机的机臂、机翼骨架等机体部位也越来越多地使用到碳纤维复合材料管材,随着碳纤维管材轻量化的效果逐渐凸显,广泛应用于印刷、造纸、塑料、薄膜、纺织、锂电池极片卷绕机等行业的辊轴类也开始逐步用其取代传统金属类管材。在此背景下,高强度低重量的碳纤管如果能在表面质量和制造精度上得到进一步提升,无疑是为其进军更高端和更广阔的市场扫清了一大障碍。

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