環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料的成型工藝

1、環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料的成型工藝環(huán)氧樹脂（EP）/碳纖維（CF）復(fù)合材料是CF增強復(fù)合材料的一個重要分支。近年來，隨著人們對EP/CF復(fù)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(fù)合材料被視為昂貴的材料，價格約為玻璃纖維（GF）增強復(fù)合材料的10倍，只用于軍工、宇航等尖端技術(shù)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(fù)合技術(shù)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(fù)合材料的質(zhì)量提高而價格下降，拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域，進一步 促進了 EP/CF復(fù)合材料的發(fā)展。1 CF

2、及其EP復(fù)合材料的基本特點1.1 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。CP具有耐高溫、耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)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。1.2 EP基體的作用EP具有優(yōu)良的加工性能和力學(xué)性能，其固化收縮率低，粘結(jié)性能優(yōu)異。復(fù)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。1.

3、3 EP/CF復(fù)合材料的特性EP/CF復(fù)合材料的特性主要取決于CF、EP及EP與CF之間的粘結(jié)特性。EP/CF復(fù)合材料具有優(yōu)異的性能，與鋼相比，EP/CF復(fù)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 C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(jié)構(gòu)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(fù)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。2 EP/CF復(fù)合材料的成型工藝2.1手糊成型手糊成型是依次在模具型

4、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CP,并驅(qū)除氣泡，壓實基層。鋪層操作反復(fù)多次，直到 達到制品的設(shè)計厚度。該工藝的主要優(yōu)點是可室溫成型，設(shè)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(chǎn)，制品質(zhì)量由工人技術(shù)熟練程度決定；手糊用樹脂分子量低，通?？赡茌^分子量高的樹脂有害于人的健康和安全。22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(nèi)并浸漬 CF。該工藝為低壓成型工藝，EP注塑壓力為0.4-0.

5、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(yù)先將 CF在一個模具內(nèi)預(yù)成型（帶粘結(jié)劑），再在第 二個模具內(nèi)注射成型。為了提高EP浸漬CP的能力，可選擇真空輔助注射。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(fù)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(fù)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(chǎn)環(huán)境好，生 產(chǎn)成本較低；制品可大型化，強度可設(shè)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(fù)雜。2.3真

6、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101kPa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(shù)，通常可獲得高CF含量的復(fù)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(shù)水平；生產(chǎn)效率不高。2.4樹脂膜熔浸成型將CF與EP片交替鋪放在模具內(nèi)。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(fù)合材 料的空隙率低，可精確獲得高的CF含量；鋪

7、層清潔，有利于健康和安全， 并且生產(chǎn)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。2.5預(yù)浸料成型預(yù)先在加熱、加壓或使用溶劑的條件下，用EP預(yù)浸漬CF。預(yù)浸料在環(huán)境溫度下貯存一段時 間后仍能保質(zhì)使用，當要延長保質(zhì)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(yù)浸料時有輕微的粘附感。預(yù)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(diào)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(xué)性能、力學(xué)性能

8、和熱性能是最適宜的。主要缺點是熱壓罐固化復(fù)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(chǎn)成本較高。2.6低溫固化預(yù)浸抖成型該工藝完全按預(yù)浸料方法制備，EP的化學(xué)性質(zhì)使其得以在肋-100 C固化。在60 C時，材料可操作保質(zhì)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(yù)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(jié)構(gòu)。主要缺點是復(fù)合材料成本仍高于預(yù)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。2.7拉擠成型該

9、工藝是指將浸漬了 EP的連續(xù)CF經(jīng)加熱模拉出形成預(yù)定截面型材的過程。程序是：使 CF增強材料浸漬樹脂； CF預(yù)成型后進入加熱模具內(nèi)，進一步浸漬、基體樹脂固化、復(fù)合 材料定型；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(nèi)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(jié)構(gòu)特性可非常好。主要缺點是模具費用較高；一般限

10、于生產(chǎn)恒定橫截面的制品。3 EP/CF復(fù)合材料的應(yīng)用3.1飛行器的輕型化美國從F-14、F-15戰(zhàn)斗機就開始采用 EP/CF復(fù)合材料，以降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高推力，復(fù)合 材料占總結(jié)構(gòu)質(zhì)量的 2%-3% 。F-18戰(zhàn)斗機中先進復(fù)合材料已占總結(jié)構(gòu)質(zhì)量的10.3%，包括水平尾翼、方向舵、垂直穩(wěn)定板、減速板等，由F-14和F-15的次承力結(jié)構(gòu)材料逐步向主承力結(jié)構(gòu)材料過渡。F-22戰(zhàn)斗機中復(fù)合材料的用量已達到24%，新一代直升飛機的復(fù)合材料用量高達65%-80%。用樹脂基復(fù)合材料來代替金屬材料制造飛機零部件，可使零部件質(zhì)量 減輕25%-50% ，先進復(fù)合材料在飛機上的用量及其性能水平已成為飛機先進性的重要考

11、核 指標之一。以復(fù)合材料在飛機發(fā)動機中的應(yīng)用為代表，美國通用電器-飛機發(fā)動機事業(yè)集團公司(GE-AEBG)和普惠公司等噴氣發(fā)動機制造公司，以及其它一些二次承包公司都在用高性能復(fù)合材料取代金屬制造飛機發(fā)動機零部件。如發(fā)動機艙系統(tǒng)的緊推力反向器、風扇罩、風扇出風道導(dǎo)流片等都用復(fù)合材料制造。如發(fā)動機進口氣罩的外殼是用美國聚合物公司的EP/CF預(yù)浸料(E707A)疊鋪而成，它具有耐177 C高溫的熱氧化穩(wěn)定性，且表面光滑如鏡面，有利于形成層流。又如 FW4000型發(fā)動機有80個耐149 C高溫的空氣噴口導(dǎo)流片也是用 EP/CF預(yù)浸料制造的。3.2輕型機槍槍架在輕型自動武器的研制過程中，需要實現(xiàn)的極其重

12、要的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標是大幅度減輕武器系統(tǒng)的質(zhì)量，提高武器的機動性，同時保證輕武器的射彈散布精度，尤其是連發(fā)射擊精度，以滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭對輕武器的戰(zhàn)技指標要求。目前，我國在這方面做了大量的工作，已初見成效。如7.62mm重機槍已由53式的40.4kg減輕到67式的15.5kg ； 12.7mm 大口徑高射機槍已 由原來的180kg減至W85式的40kg，從而大大緩解了武器威力與機動性之間的矛盾，改 善了武器系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)使用性能。目前使用的12.7mm大口徑機槍仍較笨重，特別是槍架較重，而要實現(xiàn)大口徑機槍輕量化， 提高其機動性，主要靠采用新材料取代傳統(tǒng)材料以及改進槍架結(jié)構(gòu)等措施來實現(xiàn)。利用 EP/CF復(fù)合材

13、料的高比強度、高彈性模量、高阻尼，以及吸振性好、材料性能的可設(shè)計自由 度大等特點，可以設(shè)計出新型大口徑機槍槍架，既能保持原有機槍的結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性，又可大幅度減輕質(zhì)量，獲得了良好的使用效果，從而開辟了樹脂基復(fù)合材料在大口徑機槍槍架上 應(yīng)用的新途徑。3.3新型連續(xù)抽油桿有桿泵抽油是當前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的機械采油技術(shù)，抽油桿是有桿泵系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，也是其中最薄弱的環(huán)節(jié)。因為抽油桿在工作過程中要承受交變載荷、振動載荷、沖擊載荷以及與油管之間的摩擦等多種載荷作用，而且還要經(jīng)受工作介質(zhì)中的酸、堿、鹽及沙礫的腐蝕與磨礪，工況十分惡劣。抽油桿失效常會引起油井事故。目前廣泛使用的常規(guī)鋼制抽油桿需要大量接箍連接

14、起來才能使用，這些接箍在使用過程中與油管磨損嚴重，常常發(fā)生脫扣甚至斷裂，同時接箍會引起活塞效應(yīng)，加大了運行阻力。此外，鋼制抽油桿密度大，對抽油機提 升載荷要求高，而且能耗高。常規(guī)抽油桿尤其不能滿足深井采油的需要。CF具有高強度、高模量、質(zhì)輕和耐腐蝕的特點，且價格穩(wěn)步下降，是制備新型連續(xù)抽油桿的理想材料。以 CF增強EP為主要原材料，采用拉擠成型工藝制備的新型連續(xù)抽油桿具有連續(xù)無接箍、橫截面小和質(zhì)輕等優(yōu)點，完全克服了常規(guī)鋼制抽油桿的缺點。3.4高精度天線隨著我國通訊業(yè)的發(fā)展，通信衛(wèi)星日益顯示出其重要地位。通信衛(wèi)星上的通訊天線系統(tǒng)是其關(guān)鍵設(shè)備，為了提高通信衛(wèi)星信號的收發(fā)效率，減少信號損失，對衛(wèi)星天

15、線的制造精度要求很高。衛(wèi)星天線暴露在環(huán)境中，天線材料和天線結(jié)構(gòu)必須經(jīng)受住空間環(huán)境的考驗。CF復(fù)合材料因其極小的線脹系數(shù)，彈性模量與密度、線脹系數(shù)之積的比值遠高于金屬材料，而被天線專家們譽為理想的天線結(jié)構(gòu)材料。復(fù)合材料天線反射體的結(jié)構(gòu)形式有夾層結(jié)構(gòu)、薄板（殼）結(jié)構(gòu)兩種。夾層結(jié)鉤天線是以一定厚度的內(nèi)外蒙皮與輕質(zhì)的蜂窩或泡沫材料為夾芯而形成截 面較厚的均質(zhì)結(jié)構(gòu)，其特點是質(zhì)輕、剛性好，有較好的抵御應(yīng)力變形的能力，是保障天線型 面精度的較佳結(jié)構(gòu)形式，故多為天線設(shè)計者所采用。由于CF復(fù)合材料的比強度和比模量都很高，用其制備薄板式天線，強度、剛性遠比鋁質(zhì)天線高，且薄板式結(jié)構(gòu)的天線面板薄、導(dǎo) 熱快，陽光不均勻

16、照射所造成的面、背和側(cè)的溫度梯度小，熱應(yīng)力變形小，更有利于惡劣環(huán)境下型面精度的保持。因此，薄板式結(jié)構(gòu)也不失為拋物面天線的一種良好的結(jié)構(gòu)形式。目前星載天線的結(jié)構(gòu)材料已被CF復(fù)合材料一統(tǒng)天下。地面各種口徑的毫米波、亞毫米波的高精度、高穩(wěn)定性CF復(fù)合材料拋物面天線已在世界工業(yè)發(fā)達國家成功應(yīng)用。CF復(fù)合材料及其應(yīng)用技術(shù)的研究已引起高精度拋物CF復(fù)合材料天線結(jié)構(gòu)設(shè)計及成型工藝的一場變革。電子工業(yè)部第三十九研究所研制了低膨脹、高居里溫度的精密合金模具材料和中溫固化EP體系，并采用鋪層設(shè)計和轉(zhuǎn)移法金屬化技術(shù)，最終研制出口徑為1000mm，型面精度達到0.131mm的高精度、薄板式 EP/CF復(fù)合材料拋物面天

17、線。西北電子設(shè)備研究所選擇了具有 高比剛性、高比強度、低線脹系數(shù)的EP/CF復(fù)合材料，用手工鋪層、熱壓罐成型的工藝方法制得了 EP/CF復(fù)合材料衛(wèi)星天線肋條。經(jīng)檢測表明，肋條達到設(shè)計要求，并將應(yīng)用于某 星載通信天線系統(tǒng)。3.5接骨板骨折愈合是一個極其復(fù)雜的生物學(xué)過程，在影響骨折愈合的多種因素中，以骨折局部力學(xué)環(huán)境和血液供應(yīng)最為重要。 接骨板內(nèi)固定是治療四肢長骨骨折的重要手段之一，但接骨板的植入勢必會引起骨折環(huán)境中的生物學(xué)反應(yīng)，擾亂骨折愈合所必需的生物學(xué)環(huán)境。因此，接骨板對骨折局部血供和力學(xué)環(huán)境的影響成為衡量接骨板質(zhì)量及設(shè)計是否合理等的重要參數(shù)。如何既保證骨折段穩(wěn)定，又能使骨折端承受一定的應(yīng)力刺

18、激，同時盡可能減少接骨板植入對骨折局部血供的損害，一直是人們針對接骨板內(nèi)固定研究和探索的熱點。多年來，學(xué)者們圍繞上述兩方面對接骨板的材料、生物相容性、剛度、設(shè)計等進行了許多新的探索和嘗試， 并將一些成功的結(jié)果應(yīng)用于臨床，收到了滿意的效果。接骨板固定后，在固定骨段發(fā)生骨量喪失和骨結(jié)構(gòu)紊亂及骨力學(xué)性能下降的原因，目前看法尚不統(tǒng)一，可以歸納為3種：一是應(yīng)力遮擋，即由于鋼板彈性模量明顯高于骨質(zhì)，使內(nèi)固定段骨長期得不到生理應(yīng)力刺激而發(fā)生骨結(jié)構(gòu)改變；二是血運破壞，包括鋼板壓迫手術(shù)致軟組織骨膜損傷；三是預(yù)應(yīng)力，即在鋼板螺釘固定后，骨內(nèi)產(chǎn)生與骨干長軸方向不同的應(yīng)力。但不論哪種理論，均與鋼板的剛性，鋼板與骨干表

19、面的接觸面積和固定時間有關(guān)。采用EP/CF接骨板具有與骨彈性模量相似的特點，骨折固定后可以在骨折端產(chǎn)生微量活動，以刺激周圍骨痂形成使骨折得到堅強的n期愈合。3.6風電葉片潔凈能源是全世界關(guān)心的問題，風力發(fā)電則是重要的潔凈能源之一。據(jù)估計2020年世界發(fā)電總量中，風力發(fā)電要占 12%。世界風力發(fā)電進展迅速，這也為用于風力發(fā)電裝置的復(fù)合 材料提供了廣闊市場。風力發(fā)電裝置關(guān)鍵、 核心的部分是轉(zhuǎn)子葉片，葉片的設(shè)計及其采用的材料決定著風力發(fā)電裝置的性能和功率，也決定著其電力成本及價格。復(fù)合材料在風力發(fā)電上的應(yīng)用，實際上主要是在風力發(fā)電轉(zhuǎn)子葉片上的應(yīng)用。風力發(fā)電轉(zhuǎn)子葉片占風力發(fā)電整個裝置成本的15%-20%，制造葉片的材料、工藝對其成本有決定性影響。因此，材料的選擇、制備工藝 的優(yōu)化對風力發(fā)電轉(zhuǎn)子葉片十分重要。風力發(fā)電轉(zhuǎn)子葉片材料根據(jù)葉片長度不同而選用不同的復(fù)合材料，目前最普遍采用的是聚酯樹脂/GF、EP/GF和EP/CF。隨葉片長度的增加，要求提高材料的性能，以減輕葉片的質(zhì)量。同樣是34m長的葉片，采用 EP/CF比用聚酯樹脂/GF質(zhì)量降低34%。因此，葉片材料發(fā)展的趨勢是采用EP/纖維復(fù)合材料，特別