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大絲束碳纖維拉擠復合材料工藝研究

 

0 前言
碳纖維復合材料作為國家戰略性新型材料一直廣受關注,從軍工到民用,滲透到我們生活中的各個角落。根據日本東麗的碳纖維分級來說,碳纖維分為T300 ~ T1000 不等,越往上碳纖維等級越高。其中每個等級又分為1K、3K、6K、12K、24K、48K、60K、80K,K 代表1000,也就是說1k 代表每一束碳纖維中有1000 根單絲,80k 代表每一束碳纖維中有80000 根單絲。
一般來說,12k 以下被統稱為小絲束碳纖維,又被稱作“航空航天級”碳纖維,12k 以上被成為大絲束碳纖維,或者是工業級碳纖維。本文所介紹的拉擠復合材料由于尺寸較大,故而選擇大絲束碳纖維。
1 工藝路線
復合材料拉擠工藝過程如圖1 所示。所使用的設備主要包括碳纖維供給裝置、樹脂浸漬槽、預成型裝置、加熱成型???、拉拔裝置,切割裝置等。
2 引紗與浸膠
置于軸架上的連續碳纖維通過導向和排列裝置引出, 送至樹脂浸潰單元, 導向裝置的設計要求是使碳纖維從軸架到口模保持平直, 對所有纖維束施加的力相等, 避免因纖維束間張力的變化導致拉擠制品扭曲變形。浸漬操作中, 首先在樹脂浸漬槽中精確地量入熱固性樹脂和固化劑等, 將樹脂、固化劑與脫模劑按一定質量比混合, 攪拌均勻注入樹脂浸漬槽[2]。一般樹脂廠家都會給出指導性的配比,其中少量的內脫模劑必不可少,防止在熱固成型過程中堵
塞模具。
在整個浸漬過程中,纖維浸潤要完全,不應存在干纖維,干纖維的存在會導致拉擠物產生缺陷,控制碳纖維浸潤程度的一個重要工藝參數是樹脂體系的粘度,該粘度成為初始粘度,其大小不僅與樹脂本身有關,而且與添加劑、溫度有關。除了初始粘度以外,碳纖維浸潤效果還與浸潤時間、浸潤時樹脂的溫度和浸漬槽中碳纖維的工作狀態有關,一般來說,給定了初始粘度,碳纖維工作狀態正常,浸漬時間越長,樹脂溫度升高,均可以改善纖維浸潤程度。
在這一過程中,還要注意以下幾點:
(1)由于大絲束碳纖維中每束碳纖維較多,要時刻注意樹脂對碳纖維單絲的浸潤情況,不僅碳纖維絲束表面要有較好的浸潤,還要保證碳纖維絲束內部也都能夠浸潤充分,否則會造成內部缺陷,影響最終產品的性能。
(2)樹脂的粘度要保持在一定的范圍,室內溫度要控制好,如果天氣溫度過低的話,可以考慮膠槽加溫,以保證樹脂能夠隨著碳纖維順利地進入模具口,不會被擠出來,也不會堵塞。
3 加熱固化
一般來說,拉擠過程分為三個加熱區域。首先是預熱區,作用是為下一區域反應做準備;其次是凝膠區,在這個區域中,樹脂發生固化交聯并產生相變,從粘稠態轉變為凝膠態;最后是恒溫區,防止溫度驟變使得復合材料產生裂紋[3]。
口模區域的溫度控制關系到拉擠生產速率和制品的質量。溫度控制的關鍵是使物料固化速率與型材牽引速度一致,同時,還要保證加熱均勻,物料各處固化速率盡量一致??谀L幫ǔ2捎冒迨交蛲彩浇佑|加熱器。目前的高頻預熱和高頻固化解決了快速固化的問題對于不同類型的樹脂,三個區域的溫度各不相同,總體來說,其中的規律為依次增大。另一方面,針對不同尺寸的復合材料,三個區域的溫度也有所變化,比如尺寸大,較厚的拉擠桿件,固化溫度要高于樹脂的固化溫度,因為溫度是從復合材料的表面向內傳遞,這樣才能使得里面的樹脂完全固化,和碳纖維很好地結合在一起。
4 牽引
拉擠成型通常使用夾持牽引裝置,該裝置有兩副內部形狀與制件相匹配的家具,拉擠物處于夾具中間,夾具靠壓縮空氣上下啟閉,該夾具安裝在支撐座 上,液壓油缸驅動夾持裝置作往復運動,為了不損傷拉擠物的表面,夾具與拉擠物接觸常襯以聚氨酯材料。牽引裝置所禪城的線速度與模具溫度和樹脂體系配合,以保證模具內部有良好的固化反應。生產不用的產品,應選擇不同的牽引速度,因此,要求牽引裝置速度可以調節。
5 后固化
拉擠工藝的控制還應該考慮后固化的問題,對于大型制件尤為重要。因此不論連續成型加工中速度多慢,也很難產生像間歇生產那樣的固化狀態。拉擠成型后期固化簡單方式是安裝一個加熱固化室,而更多采用的是在一個分離的加熱室,用來后固化,保證固化程度。
6 結語
本文針對碳纖維拉擠復合材料的工藝方面做了一定的闡述,分別指出了工藝路線、引紗與浸膠、固化加熱等三方面的關鍵點,為之后的碳纖維拉擠復合材料提供了一定的參考價值。

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