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碳纤维复合材料工艺综述

   日期:2018-08-10     浏览:649    
核心提示:碳纤维复合材料的成型工艺多达数十种,其中热压罐工艺是应用较多、最为常见的一种成型方式。本文从工艺原理、工艺特点、常见问题
 碳纤维复合材料的成型工艺多达数十种,其中热压罐工艺是应用较多、最为常见的一种成型方式。本文从工艺原理、工艺特点、常见问题及对策、典型技术应用等方面对该工艺进行概括性说,对工艺流程进行详细描述。

1.基本概念

1.1工艺原理

将碳纤维预浸料按铺层要求铺放于模具上,将毛坯密封在真空袋后放置于碳纤维热压罐中。在真空状态下,经过热压罐设备升温、加压、保温、降温和卸压等程序,利用热压罐内同时提供的均匀温度和均布压力实现固化,从而可以形成表面与内部质量高、形状复杂、面积巨大的碳纤维复合材料制件。

1.2工艺发展

热压罐工艺是针对第二代复合材料的生产而研制开发的工艺,形成于20世纪40年代,一直到60年代才逐步得到推广使用,后来广泛应用于航空航天、复合材料、电子、兵器、交通、体育装备和新型能源等高新技术领域,尤其是在各种蒙皮类零件的生产中发挥出了巨大的作用,现已成为一种成熟的工艺。由热压罐工艺生产的复合材料制品占整个复合材料制品产量的50%以上,在航空航天领域的比重更是高达80%以上。目前,热压罐工艺作为碳纤维复合材料构件的成型方法之一,也被许多碳纤维复合材料零部件生产厂家大量使用。

1.3工艺设备

1.3.1热压罐

热压罐是一种针对聚合物基复合材料成型工艺特点的工艺设备,使用热压罐成型是制造连续纤维增强热固性复合材料制件的主要方法,适用于先进复合材料结构、蜂窝夹层结构及金属或复合材料胶接结构的成型中。一般具有温度和压力控制精度高、结构安全可靠、系统稳定性好、能耗低、操作和维护简单等优点,能实现模块化和系列化,可满足不同领域、不同工艺和不同规格的需求。

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1.3.2设备组成

作为针对碳纤维复合材料固化的系统设备,碳纤维热压罐能实现温度、压力、真空、冷却、循环等工艺参数时序化、实时在线控制。该设备包括以下几个组成部分:

(1)整体结构:由罐体、罐门机构、高温电机、风道板隔热层等形成一个耐高压、高温的罐体。

(2)安全联锁装置:由压力自动联锁、手动联锁、超高压报警装置组成。

(3)快开门装置:手动电动两用快开门设计,停电时能正常开启关闭罐门;

(4)密封装置:罐门采用硅胶充气式密封,耐高压。

(5)压力系统:由压缩机、储气罐、压力控制阀、管路、压力变送器和压力表等组成压力传送与控制系统,罐内压力可达1.5-2.5MPa,误差不大于0.05MPa,设有安全防爆装置。

(6)加热系统:由不锈钢电热管、高温风机、风道板、隔热层、温控系统组成,加热功率满足腔体的最高温度要求及升温速率的要求。

(7)温度循环系统:由循环风机、导风板、导流罩组成,加速热流传导和循环,形成均匀温度场。

(8)真空系统:由真空泵、管路、真空表和真空阀组成,给封装的复合材料预制件提供真空条件,要求有多个真空管接头满足成型工艺要求。

(9)自动控制系统:采用PLC控制系统,实现对压力、温度、冷却等工艺参数的全程高精度控制与实时记录。

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1.3.3热压罐工艺的优点:

(1)压力均匀:使用气体加压,压力通过真空袋作用到制品表面,各点法向压力相等,使制件各处在相同压力下固化成型。

(2)温度均匀,可调控:罐内为循环热气流给工件加热,各处温度温差小。同时配置冷却系统,使温度可严格控制在工艺设置范围内。

(3)适用范围广:模具较简单,效率高。既适合于大面积复杂型面的板、壳,也适合于简单形状的板、棒、管、块,还可用于胶接装配,小型件可一次多件同时固化。

(4)成型工艺稳定、可靠:压力、温度均匀,可调可控,使成型或交接制品质量一致、可靠;孔隙率低、树脂含量可控并均匀;加压时可抽真空,使低分子物易于排出。

1.3.4热压罐工艺的缺点:

投资大、成本高,热压罐接轨复杂、造价高,投资大。每次使用时不仅消耗水、电、气等能源,还需要真空袋膜、密封胶条、吸胶粘、隔离布等辅助材料,使生产成本较大幅度增加。

2.生产材料

2.1预浸料

碳纤维热压罐工艺使用的原材料是碳纤维预浸料,碳纤维预浸料是由碳纤维纱、环氧树脂、离型纸等材料,经过涂膜、热压、冷却、覆膜、卷取等工艺加工而成的复合材料,又名碳纤维预浸布。其优点是强度高、密度小,强度可以达到钢材的6-12倍,密度只有钢材四分之一,可根据模具不同做成任何形状,成型容易,便于加工,而且耐腐蚀,寿命长。、

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2.2模具材料

碳纤维热压罐需要模具具有导热快、比热容低、钢度高、质量轻、热膨胀系数小、耐热、热稳定性好、使用寿命长、制造成本低、使用和维护简便、便于运输等特性,特别是良好的导热性、热态刚性和气密性这三方面,同时对模具的设计要求也比较高。以下是在生产实际中,碳纤维复合材料制品厂家采用较多的几种材质:

(1)铝:导热性和加工工艺性好,质量轻,但热膨胀系数相对较大,因为硬度低,易受损伤,所以在使用上会受到一定限制。

(2)钢:加工精度、刚强度和硬度都比较高,使用寿命长,适合大多数产品,缺点是质量大,热容量也高。

(3)铸钢或铸铁:可代替钢降低成本,但各点温差大,表面容易产生砂眼。

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2.3辅助材料

碳纤维热压罐工艺所需要的辅助材料品种繁多、用途各异,而且都属于消耗型,一般只能使用一次,因为用量大,所以成本相对比较高,但是辅助材料的使用对成型质量的控制影响很大。

(1)透气毡:是毛坯中的气体向外流动的通道,能保证复合材料成型的质量。

(2)真空薄膜:具有良好的强度、延展性、耐温性、耐磨性和韧性。使用时,用腻子将成型中的构件密封在模具上,以便形成真空袋.

(3)密封胶带:在常温下具有粘性,高温下密封性好,固化后也容易清理。

(4)吸胶材料:可定量吸出复合材料毛坯中的多余树脂,并有一定透气性能,如吸胶毡、玻璃布、吸胶纸等。

(5)脱模材料:指在复合材料毛坯与模具或盖板之间放置的一层起隔离作用的材料,使毛坯固化后不与之粘附,分为有孔隔离膜、无孔隔离膜、透气膜、透气透胶膜等。

(6)压敏胶带:可在热压罐成型工艺中起定位和固定作用。

(7)档块:限制树脂从构件边缘流动,有助于控制构件的纤维含量。

(8)可剥布:允许挥发分通过,吸收一定量的多余树脂,固化后容易去除,提供可以胶接或喷涂的表面。

(9)脱模剂:目的是使构件固化后方便与模具脱开。

(10)溶剂:用于清洗模具表面。

(11)辅助工具:真空嘴、真空管、热电偶、压辊等。

3.热压罐工艺流程

不同碳纤维制品在使用热压罐工艺时,方法与步骤类似,基本上都是按照铺叠毛坯件、制真空袋、真空检漏、工件入罐、开升温程序、加压、保温保压、降温、降压停机、工件出罐的顺序进行的,主要区别在于模具的不同以及根据制品所需性能而设定的工艺参数。下面就以无锡威盛新材料科技有限公司为国内某小型新能源汽车设计和定制的碳纤维电池箱为例进行详细说明。

3.1铺叠毛坯件

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该程序包括预浸料剪裁(下料)、铺叠、预压实三个环节。整个结构形式和铺层设计都应考虑可铺叠性,整个箱体为600mm×400mm×200m、壁厚1.5mm的长方体,因为模具本身采用的是阴模,所以要考虑到预浸料铺层的整体性和可操作性,需要将预浸料剪裁成长方体的平面展开式,在铺层之前,还要将模具放置于热压罐内进行预加热,然后在模具内壁刷好脱模剂,将剪裁好的预浸料尽量展开成平面,小心地放入磨具之中,逐步压实,使预浸料与模具紧密地贴合在一起,各个面必须保持平整、无褶皱,然后沿着模具的外缘,剪去多余的预浸料。对于不规则制品,如不能展开成平面的要制成适当宽度条形,局部可采用开口或拼接的方式。

根据该电池箱体所需承载力,确定预浸料的铺层为两层3k加三层单向预浸料的方式进行铺层,铺层过程中要及时除去层间夹杂空气,以便保证层间性能,所以预压实阶段就是要在铺层操作中去除挥发分、预浸料层间夹杂空气的同时密实铺层,其最终目的还是提高构件尺寸精度。然后在室温或加热条件下对铺层进行抽真空,时间5-15分钟。如果是厚制件的话,一般每铺叠3层就要进行一次预压实,这对成型质量有很大影响。总体来说,这个环节劳动强度较大,耗时长,成本高。

3.2热压罐固化

铺层之后要将制品在模具上进行定位组装,封装真空袋。在封装过程中要不断用压辊等工具隔着真空袋表面对预浸料做再一次的修整,尽量压出空气,使预浸料经历树脂流动、树脂固化、纤维密实等过程后,最终实现固化。

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将真空袋封装好的模具及构件连接真空泵(缓冲器),推送至热压罐内,并按照材料工艺特性、构件形状尺寸、设备情况制定热压罐工作的工艺参数。对不妨碍热压罐内腔空气流通的大型构件来说,适宜单件固化,对形状不复杂的小尺寸件来说,则可以一罐多件。用于复合材料成型工艺的热压罐其使用压力一般小于1.6MPa,国内重要的航空结构用复合材料基体树脂的固化温度最高在180±5℃的范围,普遍使用的上限温度为250℃。热压罐系统在工作过程中,可在各加温区和制品的有关部位设立测温点,温度分布状况可由中心控制系统采集、显示,并按工艺要求调节升温和降温速率,以保证制品的固化质量。

对于重要产品,在固化过程中,罐体内需采用惰性气体保护,以防止制品在固化过程中逸出的可燃性挥发物引起燃烧或爆炸。当罐内温度高于150℃或压力大于1MPa时就应采用惰性气体加压。在热压罐开始加压后,真空袋有可能会出现漏气现象,遇到这种情况,应根据实际情况判断处理。如果是轻微漏气,则允许继续固化,并采用通大气措施减缓真空袋破裂,严重时应停机修补。

3.3脱模

热压罐固化过程结束后,要等罐内温度和压力逐渐降至安全指数以下再实施停机,打开罐门取出模具及构件。当模具温度降至50℃以下再将构件从模具上取下,如果温度过高就进行脱模,很容易引起制品变形或树脂开裂。

4.常见问题及对策

固化脱模后可对碳纤维制品通过目测和量具检测外观质量,借助超声波、X-ray、红外等进行无损检测,通过显微观察和抽样测试进行破坏性检测。在使用热压罐工艺制作碳纤维复合材料制品时,常出现分层、孔隙、变形这几类问题。

4.1分层

热压罐工艺制成的碳纤维复合材料构件的主要缺陷之一就是分层。分层是层间应力或制造缺陷引起的层与层之间的分离,即层间的脱胶或开裂,可通过设计和工艺上的改良减小残余应力,也可以通过提高树脂韧性减少发生几率。

4.2孔隙和疏松

孔隙是指碳纤维复合材料成型过程中形成的空洞,一般用孔隙率来表示,指纤维层间树脂存在的微观小孔的含量。孔隙长大到一定程度就会形成气孔,是一种呈宏观状态出现的缺陷形式,其形成机理与孔隙相同,只是缺陷的大小程度有所不同。有时加压过晚等原因也会导致复合材料层内纤维与树脂以及树脂与树脂之间产生均匀孔隙的现象。对策一是控制树脂压力,要大于挥发分含量和饱和蒸气压的乘积,二是要在预浸料层间形成有效的气路,三是采用零吸胶工艺。

4.3变形

变形是碳纤维复合材料制品与设计标准不符,外形曲率等参量发生变化的一种缺陷形式。可以通过以下几种方法进行控制:从角度、比例、顺序等方面调整铺层设计;在固化温度、降温速率方面进行工艺优化;改变模具材料的种类或结构形式;通过加强筋、施加应力等方式强迫矫正。

另外,如果两层复合材料胶接界面之间发生大面积脱开现象或者胶接不良的现象,往往是模具装配以及人为操作失误造成的,需加强规范性操作管理。

5.整体化成型技术:

整体成型是复合材料的优点和特点之一,是热压罐工艺常用技术。采用共固化或共胶接等方式,能大量减少零件、紧固件数目,从而实现复合材料从结构设计到制造一体化成型,在满足结构总体性能要求的前提下,进一步减轻结构重量、降低成本,特别是制造成本。该技术适用于机翼整体化、整体机身段等大型复合材料结构的制造。

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5.1技术方式

共固化是指两个或两个以上的零件经过一次固化成型而制成整体制件的工艺方法。二次胶接是指两个或多个预固化的复合材料零件通过胶接而连在一起,其间仅有的化学或热的反应是胶膜的固化。共胶接则是把一个或多个已经固化成型而另一个或多个尚未固化的零件通过胶粘剂(一般为胶膜)在一次固化中固化并胶接成一个整体制件的工艺方法,是共固化与二次胶接的结合。

5.2技术优势

该种技术能有效减少零件数目和连接件数目,易于建立大型制品融合体布局,避免钻孔,减少构件加工损伤,从而增加机体表面光滑完整度。

5.3技术风险

但是这种技术的缺陷也是很明显的,一方面,局部缺陷很容易影响到整个部件,一旦造成大件报废,就会大幅度增加制造风险;另一方面,因为模具变得大而复杂,设计要求高,所以工装成本上升,各种胶粘剂以及特殊材料需求随之增多,还需在成型与装配成本之间进行慎重平衡。

简言之,热压罐工艺作为碳纤维复合材料成型过程中普遍使用的工艺之一,适宜制作夹层结构件和层压板构件,例如,高铁等轻轨类车体的车厢板,也可用来制作组合构件和胶接构件,例如汽车类大型零部件。从大尺寸、外形较复杂的航空、航天CFRP构件的制造到轻量化趋势影响下,汽车、高铁等领域的深入应用,热压罐工艺将继续发挥重要的作用。

 
 
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