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預浸料及其應用
2020.01.02

 碳纖維預浸料后成型工藝及產品

預浸料是指將樹脂在未固化之前預先和纖維結合在一起,并保持一定的儲存期,在儲存期內可以隨時進行鋪層設計、成型,是制作復合材料的中間材料。碳纖維預浸料是碳纖維絲束經過展紗(或碳纖維編織布),在壓力和溫度的作用下,和預先涂敷在離型紙上的樹脂,進行結合,然后冷卻、覆膜、卷取等工藝加工而成的中間品復合材料,又叫做碳纖維預浸布。

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生產好的預浸料

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預浸料的組成

預浸料的常見組成部分為:底部是一層離型紙(白色),中間為成品預浸料(黑色),表面再覆蓋一層聚乙烯薄膜(藍色),其中中間的成品預浸料又由樹脂和纖維組成,具體見下圖。

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預浸料的意思是預先用樹脂浸潤好纖維,在后面工藝中鋪疊、成型,加熱固化。所以預浸料的樹脂是未經固化的樹脂,多以熱固性樹脂為主。熱固性樹脂有很多種,常用的有酚醛樹脂、環氧樹脂、雙馬樹脂、乙烯基樹脂、氰酸樹脂等。碳纖維預浸料中以環氧樹脂最多、應用最廣泛,在一些耐高溫的場合會用到雙馬、氰酸樹脂。


預浸料具有以下特點:

1、克重、樹脂含量可以精確控制

2、可設計性強,可以根據產品使用特點,其強度、剛度要求,進行疊層設計

3、直接使用,免配膠、刷膠,勞動強度小,更環保

    

預浸料應用:

  預浸料使用廣泛,起初用于熱壓罐工藝,后來可用于模壓、真空帶壓等非熱壓罐工藝,適用的工藝較多。

1、熱壓罐工藝

    熱壓罐工藝是纖維復合材料應用較多、最為常見的一種成型方式,特別在航空航天領域的比重更是高達80%以上。成型的構件多應用于航空航天領域等主承力和次承力結構,以及國防、軌道交通、電子通訊、汽車制造、體育運動器材等諸多領域。

     下圖就是熱壓罐:

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將碳纖維預浸料按鋪層要求鋪放于模具上,將毛坯密封在真空袋后放置于碳纖維熱壓罐中。在真空狀態下,經過熱壓罐設備升溫、加壓、保溫、降溫和卸壓等程序,利用熱壓罐內同時提供的均勻溫度和均布壓力實現固化,從而可以形成表面與內部質量高、形狀復雜的碳纖維復合材料制件。用熱壓罐的一個重要原因是向預浸料提供足夠的壓力,以此抑制孔隙的生成,所以做出來的產品性能好,能夠作為結構件使用。因此熱壓罐工藝在航空航天上應用較多,但是熱壓罐工藝也存在成本高、效率低的缺點。


二、真空袋壓工藝

 針對熱壓罐成本高的缺點,發展了真空袋壓工藝,真空袋壓工藝前序工藝和熱壓罐類似,后期固化不使用熱壓罐,而是使用固化爐。

 固化爐價格便宜,但沒有壓力,在抽真空情況下,壓差只有一個大氣壓。因此要得到類似的孔隙率,對樹脂和預浸料要求較高。有研究表明,半浸潤的預浸料能夠有效低提高氣體滲透性,OoA預浸料采用樹脂半浸潤,將干纖維作為排出氣體的通道,在零件固化時卷入的氣體和揮發份都可以通過通道排出。

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三、預浸料模壓工藝

將一定量預浸料加入金屬對模內,經加熱、加壓固化成型的方法。

預浸料模壓相對生產效率高,便于實現專業化和自動化生產,特別是使用快速固化預浸料,時間可以縮短到10分鐘以內一模;產品尺寸精度高,重復性好;表面光潔;能一次成型結構復雜的制品;適合批量生產。不足之處在于模具制造復雜,投資較大,加上受壓機限制,最適合于批量生產中小型復合材料制品,不易生產大尺寸產品。而且預浸料本身有一定加工成本。 

預浸料模壓應用的領域較多,航空航天、汽車、電子、醫療器械、體育器械等。


四、預浸料吹氣模壓

  該工藝是在預浸料模壓的基礎上發展起來的,主要用于生產中空的碳纖維制品。該工藝從中國臺灣開始發展起來的。最初球拍用預先填充的發泡劑,放入模具中,加壓,在加熱后發泡,產生一定壓力,將預浸料撐開,定型。但這樣做出來球拍會有吱吱的聲響、重量無法適當控制。后來他們創造性開發了“吹氣模壓”的方法。據說最早吹氣模壓內部吹氣的氣袋,是通過食品公司的人,要來了熱狗腸衣,當作吹氣的管子,然后開發出了產品。(所以說創新并不總是多么高大上,而是實用,中國人在這方面會有很多土方法,如果能夠有更好的提升就好了)據說這種材料還用了不少年呢,后來發明了尼龍氣袋,才不用。

 該工藝目前是體育用品的主流工藝,包括碳纖維羽毛球拍、高爾夫球桿、棒球拍、自行車等產品,都是該工藝生產出來的,


五、卷管工藝

 碳纖維卷管成型工藝是用碳纖維預浸料在卷管機上熱卷成型的一種復合材料制品成型方法。該工藝是目前碳纖維釣魚竿的最主要生產工藝。卷管工藝又名搓管工藝。

 卷管工藝,具體的說,采用卷管機上的熱輥,使預浸料軟化,熔化預浸料上面的樹脂膠粘劑。在一定張力下,在輥的旋轉操作過程中,利用輥和心軸之間的摩擦,將預浸料連續卷到管芯上,直至所要求的厚度,然后通過冷輥冷卻定型,從卷繞機取出,然后纏上熱收縮膜,在烤箱中固化。管材固化后,去除熱收縮膜和內芯模具,即可以得到復合材料卷管管材。

 該工藝除了生產釣魚竿那樣的圓管,還可以生產方管、三角形及其他異形管,用于不同的領域。


六、纏繞工藝

      廣義上來說前面的卷管工藝也可以說纏繞工藝,但該工藝并不使用連續的預浸料,而是有一定的疊層設計。我們日常纏繞工藝,可以使用連續的預浸料,通過一定的角度設計,生產管材、氣瓶等。因此這里的預浸料和傳統的預浸料有所差異,多使用預浸窄帶。

    


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