解讀碳纖維復(fù)合材料
碳纖維復(fù)合材料是性能*的復(fù)合材料，主要特點是重量輕，強(qiáng)度高，耐疲勞性好。另外由于其耐高溫、耐腐蝕、容易加工等特性，被廣泛用于航空航天、汽車、醫(yī)療、無人機(jī)等各個領(lǐng)域。由于碳纖維生產(chǎn)工藝非常復(fù)雜、而且價格相對較高，所有在日常生活當(dāng)中并不多見，尤其是高性能碳纖維由于國外的技術(shù)壁壘和材料限制，目前僅僅在、航天等科技領(lǐng)域內(nèi)大范圍使用。如新式戰(zhàn)斗機(jī)、火箭、精確制導(dǎo)、方艙中都有碳纖維的身影。
圖1.直升機(jī)復(fù)合材料部件
碳纖材料是種高性能的新興材料，由于其質(zhì)輕高強(qiáng)耐腐蝕等優(yōu)良的材料性能，很多領(lǐng)域都想要以碳纖維復(fù)合材料來替代傳統(tǒng)材料來提升產(chǎn)品的整體性能。然而很多客戶在聯(lián)系碳纖維制品廠家之后發(fā)現(xiàn)使用碳纖維成本會較傳統(tǒng)材料高很多，經(jīng)常會不理解碳纖維復(fù)合材料為什么那么貴?
1、碳纖維原料本身貴
碳纖維的核心生產(chǎn)技術(shù)壟斷在日本、美國等發(fā)達(dá)國家內(nèi)，由于涉及國防工業(yè)，一直以來都對中國實行嚴(yán)密的技術(shù)。在過往碳纖維基本無法國產(chǎn)，通過國家政策支持及國內(nèi)企業(yè)努力發(fā)展，目前國內(nèi)碳纖維已經(jīng)能批量生產(chǎn)T800以下的碳絲，但是產(chǎn)品品質(zhì)上相對日產(chǎn)稍差。T800產(chǎn)品國內(nèi)僅能小量生產(chǎn)，T800以上及M系列國內(nèi)無法量產(chǎn)，原絲材料被國外壟斷甚至禁售，所以價格比較高。另外生產(chǎn)碳纖維的材料本身較貴，而且工藝非常復(fù)雜，所以碳纖維原絲售價均不便宜。目前低端碳纖維由于國內(nèi)可以量產(chǎn)及國外低價產(chǎn)業(yè)打壓，原絲價格相比以往要便宜很多，但是碳纖維材料仍然是高價奢侈品。
圖2.碳纖維復(fù)合材料在汽車改裝上的應(yīng)用。
2、碳纖維復(fù)合材料制作工藝成本高
碳纖維原絲想要應(yīng)用必須制作復(fù)合材料才能具體加工成想要的產(chǎn)品，碳纖維絲需要編制成布，還需要和樹脂結(jié)合制作預(yù)浸料。制作碳纖維產(chǎn)品需要高溫固化、真空導(dǎo)入、熱壓罐等生產(chǎn)工藝，制作過程非常復(fù)雜，要求精度高，對技術(shù)人員要求很高。在碳纖維產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計方面，碳纖維鋪層、強(qiáng)度測試等需要大量實驗，如耐鹽霧、耐腐蝕、透波率等測試，同時需要開發(fā)高精度模具，這樣直接提升了產(chǎn)品整體的成本。部分碳纖維制品需要耐高溫、高強(qiáng)度，樹脂和纖維型號的選擇上提升也會讓碳纖維產(chǎn)品價格升高。
樹脂基復(fù)合材料主要的成型工藝有：熱壓罐工藝OOA、RTM、VARI、RFI、拉擠工藝、纏繞工藝、模壓工藝等等。通過熱壓罐工藝制備的復(fù)合材料具有壓力、溫度均勻，可調(diào)可控，使成型或交接制品質(zhì)量一致、可靠；孔隙率低、樹脂含量可控并均勻；加壓時可抽真空，使低分子物易于排出。基于以上幾點，比其他固化成型方式能更有效保證制品的力學(xué)性能和制品質(zhì)量，產(chǎn)品整體成型性好。而且熱壓罐工藝制備的產(chǎn)品還具有更高的纖維含量、低孔隙率、性能優(yōu)良、成品率高，產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定，重復(fù)性好，制品精度較高。
熱壓罐工藝在制備產(chǎn)品的過程中還需要用到多種的輔助材料，主要包括：脫模布、可剝布、隔離膜、透氣氈、真空袋膜、高溫壓敏膠帶、密封膠條、脫模劑等。熱壓罐工藝對輔助材料的性能也有較高的要求，輔助材料的選擇與使用也影響產(chǎn)品的性能，同時有較大的用量。
圖3.常用的輔助材料
2.1 熱壓罐工藝流程
2.1.1模具準(zhǔn)備
模具是制作產(chǎn)品以及不同造型的基礎(chǔ)，對于新購買的模具、返工的模具以及3個月未使用的模具按下述操作進(jìn)行：
a) 使用丙酮等溶劑對模具表面進(jìn)行溶劑清洗，確保模具表面應(yīng)無目視可見的灰塵、臟污等,干燥的白布上也不應(yīng)該有任何可見的臟污；
b) 用封孔劑對模具進(jìn)行封孔處理，金屬模具以及玻璃模具表面需涂覆至少3次，復(fù)合材料模具需涂覆至少4次，每次間隔l0min?15min;
c) 使用脫模劑涂覆模具表面，脫模劑涂覆3次，每次間隔l0min?15min，且層涂完后,驚干至少30 min。
重復(fù)使用的模具用銅棒或塑料板清除模具表面污漬，并用干燥的清潔白布擦拭模具表面，確保模具表面應(yīng)無目視可見的灰塵、臟污等。模具表面涂覆2次脫模劑，且層涂完后，晾干至少30 min;
圖4.模具清理
2.1.2 預(yù)浸料裁剪
下料前應(yīng)核對預(yù)浸料、膠膜等的規(guī)格、批號、數(shù)量、生產(chǎn)日期等信息，并檢查累積外置時間是否超出使用期。從冷藏間取出的預(yù)浸料應(yīng)待密封袋內(nèi)溫度達(dá)到室溫后(在室溫下放置不少于6h)，方可啟封取出預(yù)浸料進(jìn)行裁剪。
圖5.預(yù)浸料回溫解凍處理
2.1.3 預(yù)浸料鋪貼
按照工藝規(guī)程核對預(yù)浸料鋪層順序和方向，沿著模具鋪層定位基準(zhǔn)線或 激光投影儀的輪廓線鋪貼預(yù)浸料，逐層鋪貼、逐層檢查、逐層記錄。每一層都應(yīng) 當(dāng)鋪貼準(zhǔn)確到位，保持平整，不得“架橋"、“打折"、“裹氣"和“帶入雜物"。如果預(yù)浸料有雙面保護(hù)膜，鋪完一層時保留最外層的保護(hù)膜，在下一層鋪 貼之前除去。在鋪貼過程中，特別注意要防止遺留下的保護(hù)膜或離型紙等夾雜物殘留到零件中。
圖6. 預(yù)浸料鋪貼操作過程
2.1.4 制袋
預(yù)浸料鋪貼完成后鋪放輔助材料，按圖7鋪放輔助材料，密封真空袋，接通真空系統(tǒng)，檢查氣密性，對包容制品的真空袋抽真空。抽真空時，應(yīng)防止真空袋產(chǎn)生架橋現(xiàn)象。如產(chǎn)生架橋，應(yīng)停止或降低真空度，進(jìn)行修正。
圖7. 輔助材料鋪放順序
2.1.5 固化
在確保真空袋密封不漏氣的情況下可以進(jìn)行固化操作，熱壓罐工藝需要將產(chǎn)品送入熱壓罐內(nèi)進(jìn)行加壓、加熱固化。不同的樹脂都有著不同的固化制度，在固化過程中需要通過熱電偶時時監(jiān)控制品的溫度，對每個零件按熱分布鑒定出的和滯后熱電偶位置上至少放2個熱電偶監(jiān)控整個固化周期，為了防止熱電偶失效，建議每個位置放置兩個熱電偶。對于沒有測試熱分布的模具，可將熱電偶放在制件兩個對角處。
在工藝過程中應(yīng)保持壓力恒定。壓力偏差一般為±0.03 MPa。當(dāng)制品溫度達(dá)到規(guī)定的固化溫度后，應(yīng)保持恒定到規(guī)定的時間。恒溫階段的最短時間和溫度取決于滯后的熱電偶，溫度取決于的熱電偶。恒溫階段應(yīng)精確控制溫度，溫度偏差一般為±3 °C。固化完成后，制品降溫到規(guī)定的溫度以下，可以開罐取出制品。
圖8. 進(jìn)熱壓罐固化、脫模后的制品
然而，碳纖維復(fù)合材料價格貴，但是還是有很大的突出優(yōu)勢，奧琳斯邦復(fù)合材料公司生產(chǎn)的碳纖維復(fù)合材料制品應(yīng)用在各個領(lǐng)域中，能很好提升產(chǎn)品性能，比如汽車領(lǐng)域，可以減輕整車重量，降低能耗，提高整車強(qiáng)度。在醫(yī)療領(lǐng)域，應(yīng)用在醫(yī)療CT床板使用，X射線透過性能優(yōu)于其他任何材料，是目前應(yīng)用材料且不可替代，應(yīng)用航空航天領(lǐng)域，更是擁有的優(yōu)勢。
| 仟漁 |
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