碳纖維環(huán)氧體系拉擠工藝研究
時(shí)間:2018年08月20日來源:本站原創(chuàng)作者:jzfrp點(diǎn)擊:次
碳纖維復(fù)合材料作為國家戰(zhàn)略性新型材料一直廣受關(guān)注,從軍工到民用,滲透到我們生活中的各個(gè)角落。根據(jù)日本東麗的碳纖維分級(jí)來說,碳纖維分為T300~T1000不等,越往上碳纖維等級(jí)越高。其中每個(gè)等級(jí)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(tǒng)稱為小絲束碳纖維,又被稱作“航空航天級(jí)”碳纖維,12k以上被稱為大絲束碳纖維,或者是工業(yè)級(jí)碳纖維。本文所介紹的拉擠復(fù)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(fù)合材料拉擠工藝過程如下圖所示,所使用的設(shè)備主要包括碳纖維供給裝置、樹脂浸漬槽、預(yù)成型裝置、加熱成型?凇⒗窝b置,切割裝置等。
2、引紗與浸膠
置于軸架上的連續(xù)碳纖維通過導(dǎo)向和排列裝置引出,送至樹脂浸漬單元,導(dǎo)向裝置的設(shè)計(jì)要求是使碳纖維從軸架到口模保持平直,對(duì)所有纖維束施加的力相等,避免因纖維束間張力的變化導(dǎo)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(zhì)量比混合,攪拌均勻注入樹脂浸漬槽。一般樹脂廠家都會(huì)給出指導(dǎo)性的配比,其中少量的內(nèi)脫模劑必不可少,防止在熱固成型過程中堵塞模具。
在整個(gè)浸漬過程中,纖維浸潤要完全,不應(yīng)存在干纖維,干纖維的存在會(huì)導(dǎo)致拉擠物產(chǎn)生缺陷,控制碳纖維浸潤程度的一個(gè)重要工藝參數(shù)是樹脂體系的粘度,該粘度稱為初始粘度,其大小不僅與樹脂本身有關(guān),而且與添加劑、溫度有關(guān)。除了初始粘度以外,碳纖維浸潤效果還與浸潤時(shí)間、浸潤時(shí)樹脂的溫度和浸漬槽中碳纖維的工作狀態(tài)有關(guān),一般來說,給定了初始粘度,碳纖維工作狀態(tài)正常,浸漬時(shí)間延長(zhǎng),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(diǎn):
(1)由于大絲束碳纖維中每束碳纖維較多,要時(shí)刻注意樹脂對(duì)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(nèi)部也都能夠浸潤充分,否則會(huì)造成內(nèi)部缺陷,影響最終產(chǎn)品的性能。
(2)樹脂的粘度要保持在一定的范圍,室內(nèi)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(jìn)入模具口,不會(huì)被擠出來,也不會(huì)堵塞。
3、加熱固化
一般來說,拉擠過程分為三個(gè)加熱區(qū)域。首先是預(yù)熱區(qū),作用是為下一區(qū)域反應(yīng)做準(zhǔn)備;其次是凝膠區(qū),在這個(gè)區(qū)域中,樹脂發(fā)生固化交聯(lián)并產(chǎn)生相變,從粘稠態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟z態(tài);最后是恒溫區(qū),防止溫度驟變使得復(fù)合材料產(chǎn)生裂紋?谀^(qū)域的溫度控制關(guān)系到拉擠生產(chǎn)速率和制品的質(zhì)量。溫度控制的關(guān)鍵是使物料固化速率與型材牽引速度一致,同時(shí),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,高頻預(yù)熱和高頻固化解決了快速固化的問題。對(duì)于不同類型的樹脂,三個(gè)區(qū)域的溫度各不相同,總體來說,其中的規(guī)律為依次增大。另一方面,針對(duì)不同尺寸的復(fù)合材料,三個(gè)區(qū)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?yàn)闇囟仁菑膹?fù)合材料的表面向內(nèi)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(jié)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(nèi)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(qū)動(dòng)夾持裝置作往復(fù)運(yùn)動(dòng),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。牽引裝置的線速度與模具溫度和樹脂體系配合,以保證模具內(nèi)部有良好的固化反應(yīng)。生產(chǎn)不同的產(chǎn)品,應(yīng)選擇不同的牽引速度,因此,要求牽引裝置速度可以調(diào)節(jié)。
5、后固化
拉擠工藝的控制還應(yīng)該考慮后固化的問題,對(duì)于大型制件尤為重要。因此不論連續(xù)成型加工中速度多慢,也很難產(chǎn)生像間歇生產(chǎn)那樣的固化狀態(tài)。拉擠成型后期固化簡(jiǎn)單方式是安裝一個(gè)加熱固化室,而更多采用的是在一個(gè)分離的加熱室,用來后固化,保證固化程度。