碳纖維環(huán)氧體系拉擠工藝研究

碳纖維復合材料作為國家戰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。根據日本東麗的碳纖維分級來(lái)說(shuō)，碳纖維分為T300～T1000不等，越往上碳纖維等級越高。其中每個(gè)等級又分為1K、3K、6K、12K、24K、48K、60K、80K，K代表1000，也就是說(shuō)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(lái)說(shuō)，12k以下被統稱(chēng)為小絲束碳纖維，又被稱(chēng)作“航空航天級”碳纖維，12k以上被稱(chēng)為大絲束碳纖維，或者是工業(yè)級碳纖維。本文所介紹的拉擠復合材料由于尺寸較大，故而選擇大絲束碳纖維。

1、工藝路線(xiàn)

復合材料拉擠工藝過(guò)程如下圖所示，所使用的設備主要包括碳纖維供給裝置、樹(shù)脂浸漬槽、預成型裝置、加熱成型�？�、拉拔裝置，切割裝置等。

2、引紗與浸膠

置于軸架上的連續碳纖維通過(guò)導向和排列裝置引出,送至樹(shù)脂浸漬單元,導向裝置的設計要求是使碳纖維從軸架到口模保持平直,對所有纖維束施加的力相等,避免因纖維束間張力的變化導致拉擠制品扭曲變形。浸漬操作中,首先在樹(shù)脂浸漬槽中精確地量入熱固性樹(shù)脂和固化劑等,將樹(shù)脂、固化劑與脫模劑按一定質(zhì)量比混合,攪拌均勻注入樹(shù)脂浸漬槽。一般樹(shù)脂廠(chǎng)家都會(huì )給出指導性的配比，其中少量的內脫模劑必不可少，防止在熱固成型過(guò)程中堵塞模具。

在整個(gè)浸漬過(guò)程中，纖維浸潤要完全，不應存在干纖維，干纖維的存在會(huì )導致拉擠物產(chǎn)生缺陷，控制碳纖維浸潤程度的一個(gè)重要工藝參數是樹(shù)脂體系的粘度，該粘度稱(chēng)為初始粘度，其大小不僅與樹(shù)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(shù)脂的溫度和浸漬槽中碳纖維的工作狀態(tài)有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，給定了初始粘度，碳纖維工作狀態(tài)正常，浸漬時(shí)間延長(cháng)，樹(shù)脂溫度升高，均可以改善纖維浸潤程度。

在這一過(guò)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(shù)脂對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部也都能夠浸潤充分，否則會(huì )造成內部缺陷，影響最終產(chǎn)品的性能。

（2）樹(shù)脂的粘度要保持在一定的范圍，室內溫度要控制好，如果天氣溫度過(guò)低的話(huà)，可以考慮膠槽加溫，以保證樹(shù)脂能夠隨著(zhù)碳纖維順利地進(jìn)入模具口，不會(huì )被擠出來(lái)，也不會(huì )堵塞。

3、加熱固化

一般來(lái)說(shuō)，拉擠過(guò)程分為三個(gè)加熱區域。首先是預熱區，作用是為下一區域反應做準備；其次是凝膠區，在這個(gè)區域中，樹(shù)脂發(fā)生固化交聯(lián)并產(chǎn)生相變，從粘稠態(tài)轉變?yōu)槟�膠態(tài)；最后是恒溫區，防止溫度驟變使得復合材料產(chǎn)生裂紋�？谀�區域的溫度控制關(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，高頻預熱和高頻固化解決了快速固化的問(wèn)題。對于不同類(lèi)型的樹(shù)脂，三個(gè)區域的溫度各不相同，總體來(lái)說(shuō)，其中的規律為依次增大。另一方面，針對不同尺寸的復合材料，三個(gè)區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(shù)脂的固化溫度，因為溫度是從復合材料的表面向內傳遞，這樣才能使得里面的樹(shù)脂完全固化，和碳纖維很好地結合在一起。

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，液壓油缸驅動(dòng)夾持裝置作往復運動(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(xiàn)速度與模具溫度和樹(shù)脂體系配合，以保證模具內部有良好的固化反應。生產(chǎn)不同的產(chǎn)品，應選擇不同的牽引速度，因此，要求牽引裝置速度可以調節。

5、后固化

拉擠工藝的控制還應該考慮后固化的問(wèn)題，對于大型制件尤為重要。因此不論連續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(lái)后固化，保證固化程度。