用于結構件的環氧碳纖維復合材料及加工技術（下） zund G3 3XL-3200-Foamed plastics台中切割加工 @ 張玉依焦點新聞熱搜

需要說明的是，由于樹脂是在閉模狀態下被灌注到型腔中的，壓力越大，樹脂的浸潤性就越好，可保證樹脂可以充滿整個型腔。因此，rtm工藝對模具的要求相對較高，要求模具要具有較高的強度，以承受極高的壓力和溫度。例如，當固化溫度為180℃時，要求模具必須能夠耐受200℃的高溫，同時要能夠承受3～4kg/cm2的壓力。當然這是指用于生產數量較少的非金屬模具而言，對于批量較大的零件，通常采用金屬模具。不僅如此，模具的澆口和冒口位置的選取和設計也非常關鍵，一般需要憑經驗，或在電腦上進行仿真模擬，否則會出現“干區”或“貧膠”現象。除了需要使用rtm注射機等專用設備外，rtm工藝一般不需使用熱壓罐，因而其設備成本相對較低。總之，采用rtm工藝生產的制品具有較高的力學強度和良好的表面質量和較高的尺寸精度，與手糊袋壓成型相比，其生產效率較高。
　　3、預浸料/熱壓罐成型與樹脂膠膜浸潤成型
　　無論是手糊袋壓成型還是樹脂傳遞模塑成型，鋪層是一件費時費力的事情，要求技工要富有經驗且手藝嫻熟。正因如此，使得這兩種工藝生產效率低下，不能滿足較高的量產需求。
　　為了解決這一問題，目前一些材料供應商開發出了所謂的“預浸料”。這是一種樹脂與纖維預混好的半固化態材料，即纖維預先經過樹脂浸潤，并將被樹脂浸潤過的纖維鋪放到特殊載體上，形成布狀或帶狀預浸料，甚至絲狀預浸料。其工藝特點是，逐層鋪貼預浸料于模具上，形成零件疊層，然后經熱壓罐加壓加熱固化成型。使用該材料時，在操作過程中不易出現纖維的滑動和彎曲現象，纖維方向的一致性和準直度可以得到較好的控制。此外，在熱壓罐壓力的作用下，可以實現較高的纖維含量，故可以得到較高的力學性能。
　　由于使用半成品的預浸料，可以連續鋪貼，提高了速度，因而取代了以往重復交替的纖維和樹脂的逐層鋪貼工序，使得生產效率大為提高，成為一種普遍采用的量產化的生產工藝。根據制品的不同，預浸料成型工藝的產量一般在幾千到幾萬件之間，非常適合于定制產品的生產。
　　一般情況下，預浸料成卷狀供應。為了防止受熱后失效，通常需要將其放置在-18℃的低溫環境中保存。使用時，先對其解凍，然后按照電腦上排序好的零件展開圖切割下料，其切割可由機器完成。下料后，根據鋪層設計、按施工工藝要求在模具上進行手工逐層鋪貼。接著進行制袋，以使其內部處于真空狀態并產生負壓，終消除成型過程中的孔隙率。制袋完成后，將其送入熱壓罐或固化爐中，在170～180℃的溫度下，6～8h即固化成型。
　　預浸料/熱壓罐成型工藝的優點是：施工簡便，對工人的技能要求不高，生產效率高，制品質量穩定且強度高，因此，該工藝已成為汽車結構件的主流生產技術。需要說明的是，在熱壓罐中固化成型的制品與在固化爐中成型的制品相比，其致密性更高。這是因為熱壓罐可同時加熱加壓，其施加的壓力通常為2～3個大氣壓，而固化爐則不能施壓，這使得在熱壓罐中成型的制品具有更高的致密度，其強度性能更好，因而更適合于主結構件的成型。對于次結構件而言，固化爐成型完全可滿足其強度和質量要求。當然，熱壓罐的成本幾乎為固化爐的2～3倍。
　　盡管預浸料/熱壓罐成型工藝能進一步提高制品的強度和質量，同時能實現量產化，但其昂貴的材料及設備成本卻使得汽車廠商望而卻步，目前也只有一些高檔汽車和賽車的結構件采用這種成型工藝。
　　為了降低成本，可以用樹脂膠膜浸潤成型（rfi）工藝取代預浸料成型工藝。該工藝是在干纖維的下面鋪放膠膜，并將零件和模具包覆于真空袋中，在熱壓罐內完成固化成型。在固化過程中，隨著溫度的升高，膠膜熔化，在壓力和真空的作用下，樹脂浸潤分散到纖維內部空隙固化成型。與預浸料/熱壓罐工藝類似，rfi工藝施工方便，不需要高技能的操作人員，并且制品的質量穩定、強度高。由于該工藝不使用預浸料，因而材料成本相對降低，并可對纖維進行縫編處理，加強了零件方向上的強度，對大型制件有一定益處。當制品需要雙面光時，還可采用閉模熱壓成型的方式。
　　主要的碳纖維材料供應商
　　由于制造工藝復雜，目前碳纖維制造技術主要集中在少數幾家廠商手中，并且每家廠商所采用的工藝也不盡相同。另外隨著航空市場的發展，在產能沒有增加的情況下，使得的小絲束碳纖維需求相對緊張。目前可提供小絲束碳纖維的公司主要有：日本的東麗（toray）公司、東邦（toho）公司和三菱（mesitsubishi）公司，美國的cytec公司和hexcel公司，以及臺灣的臺塑。其中日本3家公司的產量占產量的85%，其產品品級涉及航空級、工業級和建筑級。美國cytec公司只提供航空級的產品，除此之外，cytec還提供碳纖維增強環氧樹脂預浸料。該公司的預浸料包括兩種固化溫度等級，一種為121℃，另一種為177℃。需要說明的是，隨著固化溫度的提高，材料的強度也就越好，同時其價格也更加昂貴。
　　基于碳纖維優越的綜合性能優勢，除航空和汽車工業外，建筑及其他許多工業領域也已開始關注這種材料。隨著需求的日益增大，有限的產能導致碳纖維材料的價格一直居高不下，從而阻礙了其在汽車零部件特別是在汽車結構件應用領域的拓展。
　　結語
　　碳纖增強環氧樹脂復合材料在部分高檔汽車及賽車結構件上的成功應用表明，復合材料完全可以替代金屬被用于汽車結構件中。然而，由于材料和設備昂貴，再結合目前汽車生產的工藝鏈和產品鏈，以及材料回收重復利用等問題，目前其綜合考量成本與效益還不具備量產化的條件，導致碳纖增強環氧樹脂復合材料在汽車結構件上的應用具有很大的局限性，這使得鋼材及高強度鋁合金目前仍然是汽車結構件的主流材料。盡管如此，近年來，長纖維增強熱塑性復合材料及其加工技術的快速發展讓人們看到了新的希望。隨著長纖維增強熱塑性復合材料在汽車次承力結構件應用方面的日益成熟，相信人們一定會找到更具成本效益的、同時能滿足使用性能要求的材料解決方案，以實現汽車結構件、特別是主結構件的輕量化。
　　另外，還需要強調的是，作為一種完全有別于金屬材料的新型材料，復合材料的汽車零部件設計涉及結構設計、鋪層設計及強度設計等多個方面，它離不開大量的計算和經驗的積累。要實現復合材料汽車零部件的規模化生產，還需要制訂相應的各種標準規范，包括材料的檢驗和測試標準以及生產工藝規范等。在實際的復合材料設計過程中，應根據材料的利弊特性，針對特定的結構形狀、性能和成本要求，在結構設計早期即開始為具體的工藝方案、可能出現的問題以及處理方法等做出盡可能細致的分析和規劃，這是實現高水平復合材料機構的重要前提。因此，開發復合材料汽車部件是一個非常復雜的系統工程。目前，國外很多整車廠已建有完整的復合材料工藝體系和設計體系，相比之下，國內的汽車行業在此方面還是一個空白。隨著復合材料在汽車工業應用的日益增多，建立專業的研發團隊已成為國內汽車整車廠商的當務之急。
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