PEEK、PI、PPS這類熱塑性樹脂不僅具有較強(qiáng)的耐腐蝕性、耐損傷容限、抗沖擊性和斷裂韌性等突出優(yōu)勢(shì)，還具有受熱軟化熔融，可以反復(fù)利用的特性，以此為基體加上具有高強(qiáng)度、低密度、蠕變小、耐腐蝕等高性能的碳纖維作為增強(qiáng)體，這種碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料從一面世就迅速成為高端民用領(lǐng)域的應(yīng)用熱點(diǎn)。碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料發(fā)展至今，已經(jīng)形成了不同種類的成型制備工藝。我公司專攻碳纖維復(fù)合材料制品的生產(chǎn)技術(shù)，現(xiàn)針對(duì)幾種應(yīng)用廣泛、成熟度高的碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料成型方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的比較。

熱壓罐成型工藝

       熱壓罐成型是利用熱壓罐內(nèi)的高溫壓縮氣體對(duì)鋪放好的預(yù)浸料進(jìn)行加熱、加壓處理，使材料固化成型。熱壓罐成型是目前應(yīng)用廣泛的樹脂基復(fù)合材料整體化成型工藝，在工業(yè)生產(chǎn)中占有十分重要的地位。例如用于機(jī)身、方向舵、升降舵、機(jī)翼蒙皮、尾翼等結(jié)構(gòu)部位的碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件80%都是采用熱壓罐成型工藝制備而成的。

      在熱壓罐成型過程中，因?yàn)轭A(yù)浸料是被真空袋密封在模具內(nèi)的，其受到來自各方向的壓縮空氣的壓力是均勻的，而且，罐內(nèi)的壓縮空氣處于高速流動(dòng)狀態(tài)，無論是加熱階段還是冷卻階段，復(fù)合材料制品的受熱都是均勻的。另外，因?yàn)楦邏汗迌?nèi)的壓力和溫度很穩(wěn)定，復(fù)合材料的孔隙率就會(huì)比較低，纖維分布也更加均勻。所以，采用熱壓罐工藝的碳纖維增強(qiáng)熱塑性制品總體呈現(xiàn)出受壓/受熱均勻、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，適用于大型且結(jié)構(gòu)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)制備。但是，熱壓罐工藝的缺點(diǎn)也比較明顯，主要是因?yàn)樵O(shè)備龐大復(fù)雜、能耗大，投資和生產(chǎn)成本高，效率卻比較低。

模壓成型工藝

      模壓成型工藝是通過料塑化、流動(dòng)并充滿模腔、樹脂固化等不同階段的反應(yīng)實(shí)現(xiàn)制品成型的。在碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料模壓料充滿模腔的流動(dòng)過程中，不僅熱塑性樹脂流動(dòng)，作為增強(qiáng)材料的碳纖維也要隨之流動(dòng)，所以模壓成型工藝的成型壓力較其他工藝方法高，屬于高壓成型。它既需要能對(duì)壓力進(jìn)行控制的液壓機(jī)，又需要高強(qiáng)度、高精度、耐高溫的金屬模具。我公司在制造碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料制品時(shí)就一般都采用熱壓罐和模壓成型這兩種工藝方法。

       采用模壓成型的熱塑性碳纖維復(fù)合材料制品內(nèi)應(yīng)力很低，翹曲變形小，產(chǎn)品表面光潔，尺寸精度高，機(jī)械性能穩(wěn)定，制品的收縮率小且重復(fù)性較好。適用于較大的平板狀制品的成型，生產(chǎn)效率高，能一次成型結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制品，便于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)專業(yè)化和自動(dòng)化。模壓成型的不足之處在于模具制造復(fù)雜，成本較高，整個(gè)制作工藝成型周期較長(zhǎng)，對(duì)完全充模這類技術(shù)問題的解決，存在一定的難度。

纖維纏繞成型

纖維纏繞成型是將浸漬樹脂的連續(xù)碳纖維預(yù)熱后纏繞到芯模上，并通過持續(xù)的加熱和壓力的施加使預(yù)浸料熔接為一體，在逐層粘合后形成一定的構(gòu)件制品。在此過程中，加熱溫度、纏繞方法、擠膠裝置間隙、膠液溫度、纖維纏繞張力等因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量都有著直接的影響。

相比于熱壓罐工藝，碳纖維纏繞成型更利于機(jī)械化生產(chǎn)，也可以通過改變纏繞規(guī)律來調(diào)整碳纖維的強(qiáng)度表現(xiàn)，但是由于碳纖維在纏繞過程中不能緊貼芯模表面，所以不適用于制備具有凹凸曲面的零部件。

拉擠成型工藝

       拉擠成型是將碳纖維在樹脂中浸潤(rùn)，通過牽引設(shè)備的作用力使其在擠壓模具的壓力下成型及固化，并連續(xù)不斷生長(zhǎng)為長(zhǎng)度不限的復(fù)合材料制品。這種工藝方法適用于制造連續(xù)的恒定截面的構(gòu)件，也就是說只能生產(chǎn)線形型材制品，不能用于制造有復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)件，而且因?yàn)楫a(chǎn)品性能具有各向異性，所以在橫向強(qiáng)度方面不夠高，應(yīng)用方面具有局限性。

       不過，對(duì)于大批量的碳纖維熱塑性線形產(chǎn)品來說，這種工藝自動(dòng)化程度高、能耗損失較少、碳纖維含量較高、制品質(zhì)量穩(wěn)定、原料耗費(fèi)低，屬于在特定產(chǎn)品類型中具有優(yōu)勢(shì)的工藝技術(shù)。

       近幾年來，國(guó)內(nèi)外涌現(xiàn)出許多有關(guān)碳纖維增強(qiáng)熱塑復(fù)合材料制品的新型成型技術(shù)，包括自動(dòng)纖維鋪放、超聲波快速固結(jié)成型、激光固結(jié)成型、電子束固結(jié)法、真空輔助成型及3D打印成型等工藝技法，雖然這些新型的成型技術(shù)具有效率高、成本低、能耗小及自動(dòng)化程度高等一系列優(yōu)勢(shì)，從未來發(fā)展的角度看這類新型成型技術(shù)的應(yīng)用前景也會(huì)更加廣闊。但是就目前國(guó)內(nèi)的技術(shù)水平而言，我們?cè)谶@方面的研究和實(shí)際應(yīng)用與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在著很大的差距，大部分的碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件等產(chǎn)品在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，仍然需要依靠傳統(tǒng)成型工藝方法來實(shí)現(xiàn)。

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