环氧树脂碳纤维复合材料的成型工艺

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1、环氧树脂/碳纤维复合材料的成型工艺环氧树脂(EP)/碳纤维(CF)复合材料是CF增强复合材料的一个重要分支。近年来，随着人们对EP/CF复合材料认识的不断深入，其优异的性能不断凸现，促使其用量不断上升。20世纪70年代以前，EP/CF复合材料被视为昂贵的材料，价格约为玻璃纤维(GF)增强复合材料的10倍，只用于军工、宇航等尖端技术行业。20世纪80年代以后，CF工业和EP工业迅速发展，EP/CF复合技术不断进步，加入到EP中的CF比例不断上升，目前CF的体积分数已可达60%以上，使EP/CF复合材料的质量提高而价格下降，拓宽了其应用领域

2、，进一步促进了EP/CF复合材料的发展。1CF及其EP复合材料的基本特点1.1CF的特点和基本成分CF主要是由碳元素组成，其含碳量一般在90%以上。CP具有耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性，与一般碳素材料不同的是，其各向异性显著，柔软，可加工成各种织物，沿纤维轴向表现出很高的强度。制备CF的主要原材料有人造丝(粘胶纤维)、聚丙烯腈(PAN)纤维和沥青等。通常制备高强度、高模量CF多选用PAN为原料。制备CF需经过拉丝、牵伸、稳定、炭化、石墨化5个阶段。1.2EP基体的作用EP具有优良的加工性能和力学性能，其固化收缩率低，粘结性能

3、优异。复合材料中EP的主要作用是把CF粘在一起，分配CF间的载荷，保护CF不受环境影响。1.3EP/CF复合材料的特性EP/CF复合材料的特性主要取决于CF、EP及EP与CF之间的粘结特性。EP/CF复合材料具有优异的性能，与钢相比，EP/CF复合材料的比强度为钢的4.8-7.2倍，比模量为钢的3.1-4.2倍，疲劳强度约为钢的2.5倍、铝的3.3倍，而且高温性能好，工作温度达400℃时其强度与模量基本保持不变。此外还具有密度和线膨胀系数小、耐腐蚀、抗蠕变、整体性好、抗分层、抗冲击等，在现有结构材料中，其比强度、比模量综合指标最高。在加

4、工成型过程中EP/CF复合材料具有易大面积整体成型、成型稳定等独特的优点。2EP/CF复合材料的成型工艺2.1手糊成型手糊成型是依次在模具型腔表面涂布或铺迭脱模剂、胶衣、粘度适中的EP(胶衣凝胶后涂覆)和CF，手持辊子或刷子使EP浸渍CP，并驱除气泡，压实基层。铺层操作反复多次，直到达到制品的设计厚度。该工艺的主要优点是可室温成型，设备投资少，模具折旧费低；可制造大型制品。主要缺点是属于劳动密集型生产，制品质量由工人技术熟练程度决定；手糊用树脂分子量低，通常可能较分子量高的树脂有害于人的健康和安全。2.2树脂传递成型将CF置于上下模之间

5、，合模并将模具夹紧，在压力条件下注射EP，EP固化后打开模具，取下制品。必须保证EP在凝胶前充满型腔，压力促使EP快速传递到模具内并浸渍CF。该工艺为低压成型工艺，EP注塑压力为0.4-0.5MPa，当制造高CF含量(体积分数超过50%)的制品时压力甚至可达0.7MPa。有时可预先将CF在一个模具内预成型(带粘结剂)，再在第二个模具内注射成型。为了提高EP浸渍CP的能力，可选择真空辅助注射。当EP一旦将CF浸透，要将EP注入口封闭，以使树脂固化。注射与固化可在室温或加热条件下进行。模具可以用复合材料与钢材料制作。若采用加热工艺，宜用钢模

6、。该法的主要优点是复合材料中CF含量可较高，未被EP浸润的CF非常少；闭模成型，成型周期较短，生产环境好，生产成本较低；制品可大型化，强度可设计。主要缺点是不易制作较小制品，因要承压，故模具较手糊与喷射工艺用模具要笨重和复杂。2.3真空袋法成型此法是手糊法与喷射法的延伸。将手糊或喷射好的积层在EP的A阶段与模具在一起，在积层上覆以真空袋，周边密封，然后用真空泵抽真空；使积层受到不大于101kPa的压力而被压实、成型。该法的主要优点是采用普通湿法铺层技术，通常可获得高CF含量的复合材料；EP可较好地浸渍CF。主要缺点是额外的工艺过程增加了

7、劳动力和成本，并且要求操作人员有较高的技术水平；生产效率不高。2.4树脂膜熔浸成型将CF与EP片交替铺放在模具内。用真空袋包覆铺层，使用真空泵抽真空，将空气抽出。然后加热使EP熔化并浸渍CF，然后经过适当的时间使EP固化。该法的主要优点是复合材料的空隙率低，可精确获得高的CF含量；铺层清洁，有利于健康和安全，并且生产成本低。主要缺点是目前仅用于宇航工业，还未获得大规模的推广；模具要求能经受EP膜片的工艺温度。 2.5预浸料成型预先在加热、加压或使用溶剂的条件下，用EP预浸渍CF。预浸料在环境温度下贮存一段时间后仍能保质使用，当要延长保质

8、期时须在冷冻条件下贮存材料。树脂通常在环境温度下呈临界固态，故触摸预浸料时有轻微的粘附感。预浸料用手工或机械铺于模具表面，通过真空袋抽真空，放入热压罐中成型。通常加热使树脂重新流动，最终固化。该法的主要优点