環(huán)氧樹脂碳纖維復合材料的成型工藝

1、環(huán)氧樹脂/碳纖維復合材料的成型工藝環(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(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復合材料的質(zhì)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。1 CF及其EP復

2、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。1.2 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(jié)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。1.3 EP/CF復合

3、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(jié)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(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腔表面涂布或鋪迭脫模劑、

4、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(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，通常可能較分子量高的樹脂有害于人的健康和安全。2.2 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0.4-0.5MPa，當制造高CF含量(體

5、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(nèi)預成型(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(chǎn)環(huán)境好，生產(chǎn)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。2.3 真空袋法成型此法是手糊法與噴射法的延伸。將手

6、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?？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(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(chǎn)成本低。主要缺

7、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(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(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

8、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 低溫固化預浸抖成型該工藝完全按預浸料方法制備，EP的化學性質(zhì)使其得以在肋-100固化。在60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。2.7 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

9、材的過程。程序是：使CF增強材料浸漬樹脂；CF預成型后進入加熱模具內(nèi)，進一步浸漬、基體樹脂固化、復合材料定型；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；一般限于生產(chǎn)恒定橫截面的制品。3 EP/CF復合材料的應用3.1 飛行器的

10、輕型化美國從F-14、F-15戰(zhàn)斗機就開始采用EP/CF復合材料，以降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高推力，復合材料占總結(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)斗機中復合材料的用量已達到24%，新一代直升飛機的復合材料用量高達65%-80%。用樹脂基復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核指標之一。以復合材料在飛機發(fā)動機中的應用為代表，美國通用電器-飛機發(fā)動機事業(yè)

11、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、風扇出風道導流片等都用復合材料制造。如發(fā)動機進口氣罩的外殼是用美國聚合物公司的EP/CF預浸料(E707A)疊鋪而成，它具有耐177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高溫的空氣噴口導流片也是用EP/CF預浸料制造的。 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

12、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復合材料的高比強度、高彈性模量、高阻尼，以及吸振性好、材料性能的可設計自由度大等特點，可以設計出新

13、型大口徑機槍槍架，既能保持原有機槍的結(jié)構(gòu)動力學特性，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合材料在大口徑機槍槍架上應用的新途徑。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

14、，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)是其關鍵設備，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復合

15、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，故多為天線設計者所采用。由于CF復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、導熱快，陽光不均勻照射所造成的面、背和側(cè)的溫度梯度小，熱應力變形小，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

16、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復合材料拋物面天線已在世界工業(yè)發(fā)達國家成功應用。CF復合材料及其應用技術(shù)的研究已引起高精度拋物CF復合材料天線結(jié)構(gòu)設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復合材料拋物面天線。西北電子設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復合材料，用手工鋪層、熱壓罐成

17、型的工藝方法制得了EP/CF復合材料衛(wèi)星天線肋條。經(jīng)檢測表明，肋條達到設計要求，并將應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雜的生物學過程，在影響骨折愈合的多種因素中，以骨折局部力學環(huán)境和血液供應最為重要。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)境中的生物學反應，擾亂骨折愈合所必需的生物學環(huán)境。因此，接骨板對骨折局部血供和力學環(huán)境的影響成為衡量接骨板質(zhì)量及設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力刺激，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，學者們圍

18、繞上述兩方面對接骨板的材料、生物相容性、剛度、設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；三是預應力，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力。但不論哪種理論，均與鋼板的剛性，鋼板與骨干表面的接觸面積和固定時間有關。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，

19、以刺激周圍骨痂形成使骨折得到堅強的期愈合。3.6 風電葉片潔凈能源是全世界關心的問題，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)電裝置的復合材料提供了廣闊市場。風力發(fā)電裝置關鍵、核心的部分是轉(zhuǎn)子葉片，葉片的設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。復合材料在風力發(fā)電上的應用，實際上主要是在風力發(fā)電轉(zhuǎn)子葉片上的應用。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/纖維復合材料