碳纖維復合材料的成型工藝

【摘 要】介紹了環(huán)氧樹脂（ EP） /碳纖維（CF）復合材料的特點及其應用；總結了EP /CF復合材料的成型工藝及每種成型工藝的優(yōu)缺點。指出隨著CF制備技術、表面處理技術，以及EP制備技術和固化工藝的發(fā)展，采用環(huán)保、簡便、快捷且價廉的成型工藝生產性價比更高的EP /CF制品是EP /CF復合材料的發(fā)展方向。

【關鍵詞】環(huán)氧樹脂；碳纖維；復合材料；成型工藝；應用

環(huán)氧樹脂（ EP）/碳纖維（CF）復合材料是CF增強復合材料的一個重要分支。近年來，隨著人們對EP/CF復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70年代以前， EP/CF復合材料被視為昂貴的材料，價格約為玻璃纖維（GF）增強復合材料的10倍，只用于軍工、宇航等尖端技術行業(yè)。20世紀80年代以后， CF工業(yè)和EP工業(yè)迅速發(fā)展， EP/CF復合技術不斷進步，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復合材料的質量提高而價格下降，拓寬了其應用領域，進一步促進了EP/CF復合材料的發(fā)展。

一、CF及其EP復合材料的基本特點

（一）CF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。CF具有耐高溫、耐摩擦、導電、導熱及耐腐蝕等特性，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。

（二）EP基體的作用

EP具有優(yōu)良的加工性能和力學性能，其固化收縮率低，粘結性能優(yōu)異。復合材料中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。

（三）EP/CF復合材料的特性

EP /CF復合材料的特性主要取決于CF、EP及EP與CF之間的粘結特性。EP /CF復合材料具有優(yōu)異的性能，與鋼相比， EP /CF復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)有結構材料中，其比強度、比模量綜合指標最高。在加工成型過程中EP /CF復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。

二、EP/CF復合材料的成型工藝

（一）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CF，并驅除氣泡，壓實基層。鋪層操作反復多次，直到達到制品的設計厚度。該工藝的主要優(yōu)點是可室溫成型，設備投資少，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，制品質量由工人技術熟練程度決定；手糊用樹脂分子量低，通常可能較分子量高的樹脂有害于人的健康和安全。

（二）樹脂傳遞成型

將CF置于上下模之間，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。有時可預先將CF在一個模具內預成型（帶粘結劑） ，再在第二個模具內注射成型。為了提高EP浸漬CF的能力，可選擇真空輔助注射[ 7 ] 。當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。模具可以用復合材料與鋼材料制作。若采用加熱工藝，宜用鋼模。該法的主要優(yōu)點是復合材料中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，生產環(huán)境好，生產成本較低；制品可大型化，強度可設計。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雜。

（三）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101 kPa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，通?？色@得高CF含量的復合材料； EP 可較好地浸漬CF。主要缺點是額外的工藝過程增加了勞動力和成本，并且要求操作人員有較高的技術水平；生產效率不高。

（四）樹脂膜熔浸成型

將CF與EP片交替鋪放在模具內。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?shù)臅r間使EP固化。該法的主要優(yōu)點是復合材料的空隙率低，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。

（五）預浸料成型

預先在加熱、加壓或使用溶劑的條件下，用EP預浸漬CF。預浸料在環(huán)境溫度下貯存一段時間后仍能保質使用，當要延長保質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)，故觸摸預浸料時有輕微的粘附感。預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)點是可精確地調整EP /固化劑配比和EP在CF中的含量，得到高含量CF；由于制造過程采用可滲透的高粘度樹脂，樹脂化學性能、力學性能和熱性能是最適宜的。主要缺點是熱壓罐固化復合材料制品的耗費大、作業(yè)慢、制品尺寸受限制；模具需能承受作業(yè)溫度并且生產成本較高。

（六）低溫固化預浸料成型

該工藝完全按預浸料方法制備， EP的化學性質使其得以在60～100℃固化。在60℃時，材料可操作保質期可小于1個星期也可延長到幾個月。樹脂體系的流動截面適于采用真空袋壓力，避免采用熱壓罐。該法除具有傳統(tǒng)預浸料成型的優(yōu)點外，因為僅需真空袋壓力，固化溫度低，模具材料較便宜且能耗低，采用簡單的熱空氣循環(huán)加熱室便可容易地制造大型結構。主要缺點是復合材料成本仍高于預浸織物；模具需能經(jīng)受高于環(huán)境溫度的溫度；因需高于環(huán)境溫度固化故仍有能耗。

（七）拉擠成型

該工藝是指將浸漬了EP的連續(xù)CF經(jīng)加熱模拉出形成預定截面型材的過程。程序是： ①使CF增強材料浸漬樹脂； ②CF預成型后進入加熱模具內，進一步浸漬、基體樹脂固化、復合材料定型； ③將型材按要求長度切斷。該工藝中， EP浸漬CF有兩種方式：其一為膠槽浸漬法。即將增強材料通過樹脂槽浸膠，然后進入模具，通常采用此法；其二為注入浸漬法。GF增強材料進入模具后，被注入模具內的樹脂所浸漬。該法的主要優(yōu)點是制造速度快，拉擠成型材料的利用率為95% （手糊成型材料的利用率僅為75% ） ；樹脂含量可精確控制；由于纖維呈縱向，且體積分數(shù)可較高（40% ～80% ） ，因而型材軸向結構特性可非常好。主要缺點是模具費用較高；一般限于生產恒定橫截面的制品。

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作者簡介：

曹山，出生年：1989，性別：男，工作單位：西華大學，職稱：學生，研究方向：汽車車身。