碳纤维复合材料中树脂基材料成型技术工艺流程介绍

 导读：碳纤维复合材料中树脂基材料成型技术工艺流程介绍。碳纤维复合材料的概念：碳纤维复合材料是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、碳质、金属、陶瓷、水泥、橡胶等为基体所形成的复合材料。 

参考《2016-2022年中国树脂基复合材料行业运营现状及十三五发展态势预测报告》 

        （一）碳纤维复合材料的概念和分类 

        碳纤维复合材料的概念：碳纤维复合材料是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、碳质、金属、陶瓷、水泥、橡胶等为基体所形成的复合材料。碳纤维属于脆性材料，除用作保温绝热材料外一般不单独使用，主要用作增强材料加入到基体材料中构成复合材料，才能利用其优异的力学性能,使之更好地承载负荷。 

        碳纤维复合材料的分类：根据基体材料的不同，碳纤维复合材料主要分为碳纤维增强树脂基复合材料、C/C 复合材料、碳纤维增强金属基复合材料、碳纤维增强陶瓷复合材料、碳纤维增强橡胶复合材料等，其中碳纤维增强树脂基复合材料是目前使用最多、应用最为广泛的碳纤维复合材料。 

        表 1：不同基体碳纤维复合材料的主要用途 

        碳纤维增强树脂基复合材料是以碳纤维为增强体、有机合成树脂为基体的一类复合材料，基体通常为热固性树脂，如不饱和聚酯、环氧树脂或酚醛树脂，也可以是热塑型树脂，如聚醚酰亚胺（PEI）、己聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）等。树脂基碳纤维复合材料具有高强度、高韧性、质轻、耐腐蚀、抗疲劳、结构功能可设计、可大面积成型等特点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料，在航空航天和体育用品领域大量应用并稳步增长，在一些新的工业领域，如风能、汽车、压力容器、离岸油田等的应用也呈现持续增长的趋势，是其他纤维增强复合材料所无法比拟的。 

        （二）树脂基碳纤维复合材料成型技术 

        随着先进复合材料的需求与日俱增，成本已成为制约其规模化应用的瓶颈。复合材料的成本主要体现在原材料和制造技术上，其中制造技术占总成本的 50%以上。在过去的几十年中，复合材料的研究与开发重点集中放在材料性能和工艺改进上，目前的重点是先进复合材料的低成本量产技术，各种低成本技术的开发和应用将是复合材料发展的主流。 

        快速树脂传递模塑（RTM）成型技术是一种低成本的复合材料成型技术，是液态模塑成型（LCM）技术的典型工艺之一，其主要工艺原理是先在模腔内铺放按结构和性能要求设计好的纤维增强材料或预成型体，然后采用注胶设备将专用低粘度树脂体系注入或通过真空吸入闭合模腔中，充分浸润纤维后固化脱模得到复合材料制品。 

        RTM 工艺具有一系列优点：可一次性快速成型大型复杂的构件；无需胶衣涂层即可为构件提供光滑表面，后处理工作量小；预成型体尺寸易控制，可设计性强；生产周期适中，可实现半自动或自动化生产，效率高；纤维含量较高；无需二次黏结。RTM 主要适合于制造主承力结构、形状复杂结构、表观质量高的构件。 

        图 1：RTM 成型技术工艺流程 

        注射成型技术是生产非连续纤维增强复合材料的主要方法之一，原料一般选择短切、长纤维增强热塑性复合材料粒料（LFT）或团状模塑料（BMC），其主要工艺原理是将物料从料斗中加入料筒，物料在螺杆驱动下向前输送并压实，同时受到加热和剪切作用，逐渐发生塑化、熔融和均匀混合，最后物料在高压、高速下通过喷嘴注射到磨具型腔内，固化冷却定型后得到制品。 

        注射成型工艺历史悠久，应用广泛，其主要优点是成型周期短、耗能小、产品精度高，可成型形状复杂及带有嵌件的制品，一模可同时生产多个产品，故生产效率高。缺点是不能生产连续纤维增强复合材料，模具价格昂贵且对质量要求高。目前该成型方法主要用来生产机械零件、电器材料、汽车配件、建材产品和家电外壳等。 

        图 2：注射成型技术工艺流程 

        模压成型技术多用于热固性复合材料生产，但也适用于热塑性复合材料的制备，原料可以是短切、LFT 或 BMC、片状模塑料（SMC）等。其基本原理是将原料放到已经加热至一定温度的模腔内，模腔内物料熔融后在压力作用下充满型腔，然后冷却、脱模得到制品。 

        模压成型工艺的优点是：模具设计较为简单，价格低廉；不需混合搅拌，故纤维没有受到剪切作用而发生断裂，长度可以保持，所以制品力学性能比注射成型产品好。缺点是工艺周期长，不易制备复杂形状制品。 

        图 3：模压成型技术工艺流程 

        拉挤成型技术经过几十年的发展，从最初的等截面拉挤制品发展到截面厚度、形状可变的拉挤制品，可连续生产各种复合材料型材，如棒、工字型、角型、槽型、方型、空腹型及异形断面型材等。其基本原理是将纱架上的无捻纤维纱经树脂浸渍后，通过保持一定截面形状的成型模具，并在模中或固化炉中固化，连续生产长度不受限制的复合材料型材。 

        拉挤成型工艺主要优点有：生产效率高，适于批量生产长尺寸制品，制造成本低；纤维呈纵向，型材轴向结构具有较高的力学性能；树脂含量可精确控制；制品质量稳定，表面平滑无需二次处理。其主要缺点是：模具费用较高，一般仅限于生产恒定横截面的制品，产品形状有限。 

        图 4：拉挤成型技术工艺流程 

        连续纤维增强热塑性复合材料成型技术鉴于热塑性塑料可经历多次反复加热熔融、冷却定型的特点多采用热成型的方式，成型时间较短，通常仅需几分钟或几十分钟。其一般包括两个工艺阶段：热塑性树脂基体与增强纤维复合得到预浸片材（参见热塑性预浸料制备方法）；在一定工艺条件下将预浸片材成型为复合材料部件。该成型工艺可实现连续自动化量产制造，成型效率高，制品的力学性能高，适合于形状较为简单的主/次承力件的制备，如防撞梁。 

        应用于连续纤维增强热塑性复合材料部件成型的工艺主要有以下几类： 

        1、快速热压成型：也称冲压成型，首先将热塑性复合材料板材或铺层预浸料加热至聚合物基体的熔点或软化点以上，然后快速放入模具中再合模加压成型为最终的制品形状。该工艺成型速度快，一般几分钟内即可完成整个制备过程。 

        2、模压成型：是将热塑性复合材料置于模腔内加热，升温至成型温度后加压并保压，在降温至基体材料的 Tg 温度以下，脱模得到制品。 

        3、拉挤工艺：热塑性复合材料的拉挤工艺中主要有基体对增强纤维的浸渍、加压密实、固结成型三个步骤，主要有三种工艺方法。“在线浸渍”拉挤工艺，即在一定压力作用下，将挤出机熔融的树脂输送到模具浸渍区，浸渍后加压密实，然后冷却固结得到制品；“预浸料”拉挤工艺，即预浸料经过预热、熔融，然后再牵引力的作用下进入模腔拉挤成型，再经固结成型得到制品；“反应注射”拉挤工艺，即以低粘度的热塑性预聚体和催化剂实现对增强纤维的浸渍，在拉挤的过程中热塑性预聚体反应形成高分子量的聚合物。 

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