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    淺解碳纖維板加工流程及應用領域

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    2017/5/20 15:58:41

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    財富中國

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    【摘要】碳纖維復合材料是碳纖維與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合,制成結構材料。

    碳纖維復合材料是碳纖維與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合,制成結構材料。碳纖維增強環氧樹脂復合材料,其比強度、比模量綜合指標,在現有結構材料中是最高的。在密度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴格要求的領域,在要求高溫、化學穩定性高的場合,碳纖維復合材料都頗具優勢。碳纖維板是碳纖維復合材料的主要應用形式之一,廣泛應用于各個行業,成為不可替代的新型材料。

    碳纖維板材加工使用的原材料是碳纖維預浸料,根據預浸料中碳纖維絲束大小分為1k、3k、6k、12k等,一般常用3k居多,根據板材表面紋路可分為平紋、斜紋,根據表面處理效果可分為亮光、啞光,還可以根據要求進行雕刻加工。具體的加工過程包括對原材料的剪裁、鋪層、固化、切割及后加工等程序。

    淺解碳纖維板加工流程及應用領域

    1、預浸料的剪裁:

    要根據板材的長度和寬度對預浸料進行剪裁,并根據板材的厚度確定預浸料的厚度。常規的板材厚度有:0.2mm、0.5mm、、1.0mm、1.5mm、2.0mm、3.0mm、5.0mm、6.0mm、10.0mm、20mm等,山東英特力新材料有限公司在碳纖維板生產方面擁有多年豐厚的經驗,可按照客戶需求定制不同厚度的碳纖維板材。板材的厚度越大,需要層疊的預浸料層數越多,一般2mm厚度的板材,就需要10層預浸料。公司引進美國格博自動裁剪機對預浸料進行初加工,更好的控制裁剪尺寸及質量,先進的生產設備保障了產品質量。在預浸料剪裁之前必須進行合理地設計,通過設計的優化,最大化地利用預浸料,減少邊余量的產生,降低生產成本。

    2、預浸料的鋪層

    根據板材對拉伸力、剪切力和強度方面的需求,確定預浸料的鋪層方向和鋪層順序。鋪層方向包括0°、45°、90°、-45°這幾種,鋪層順序在實際操作中,需要根據所承擔載荷的類型來選擇角度取向,即為了最大程度的利用纖維在軸向上的高性能。

    纖維鋪設方向要根據載荷的主方向設定,在點應力狀態,角度為0°的鋪層對應正應力,角度為±45°的鋪層對應剪應力,角度為90°的鋪層是用來保證在復合材料制件的徑向上有足夠的正壓力,若復合材料板材承受的載荷以拉壓載荷為主,那么鋪層方向應該選擇拉壓載荷的方向;若復合材料制件承受的載荷以剪切載荷為主,那么鋪層之中要以45°和-45°成對鋪設為主;若復合材料制件所承受的載荷情況復雜,同時包括多種載荷,那么鋪層設計時以0°、±45°、90°多方向混合鋪設。

    總之,鋪層順序的不同不僅影響基體裂紋的起始載荷、擴展速率、斷裂韌性,也將對基體裂紋的飽和和裂紋密度產生顯著的影響。例如,對正交層板而言,在相同的外加載荷作用下斷裂韌性與裂紋擴展速率存在對應關系。但是,對于不同鋪層順序的優劣,不能一概而論,應根據不同的使用要求,充分發揮復合材料性能的可設計性優勢。

    3、預浸料的固化:

    預浸料經過剪裁和有序鋪疊后,就要進入烘烤固化環節。預浸料被放置于預定溫度的模具中加壓加熱后,熱壓模具閉合,層合材料在熱壓下逐漸固化并達到一定的固化度,模具打開,在牽引裝置牽引下,離開熱壓模具,完成固化。

    在整個固化過程中,應根據板材的性能需求,分階段調整固化的時間和溫度,不同的溫度以及受熱時間都會對碳纖維板材的材料性能產生影響,在實際生產過程中,在滿足制件后固化階段保持尺寸穩定的前提下,應盡量縮短熱壓階段的時間。

    傳統生產都是使用模壓工藝生產碳纖維板,英特力新材料公司生產的碳纖維板材全部使用熱壓罐工藝生產,此工藝相比模壓工藝產品穩定性、表面處理、厚度公差等方面都要更好,產品品質能得到有力保障。

    4、板材的后加工

    碳纖維板在固化成型后,為了精度要求或裝配需要,還要進行切削、鉆孔等后加工。在切削工藝參數、切割深度等相同條件下,選擇不同材料、尺寸、形狀的刀具和鉆頭,效果上有很大差異,與此同時,刀具和鉆頭的力度、方向、時間和溫度等因素也會影響到加工的結果。

    在后加工過程中,盡量選擇帶金剛石涂層的鋒利刀具和整體硬質合金的鉆頭,刀具和鉆頭本身的耐磨性決定了加工的質量和工具的使用壽命。如果刀具和鉆頭不夠鋒利或者使用不當,不僅會加速磨損,提高產品的加工成本,更會造成板材損傷,影響板材的形狀、尺寸以及板材上孔、槽等加工部位尺寸的穩定性,嚴重時會造成材料出現層狀撕裂,甚至是塊狀崩落,導致整塊板材的報廢。

    在對碳纖維板材進行鉆孔時,轉速越快效果越好。鉆頭的選擇上,PCD8面刃鉆頭獨特的鉆尖設計較適合碳纖維板材,能更好地穿透碳纖維板材,降低分層的風險性。

    碳纖維板材的應用領域

    制作精良的碳纖維板材紋路清晰、表面平整、光亮如鏡、厚度公差小,具有強度高、重量輕、耐腐蝕、在較大溫差下變異小等優勢性能,因而可以廣泛應用于各種需要減重的高強度的結構件中,以下是目前應用最成熟且最多領域。

    1、無人機外殼

    無人機的機殼是整個飛行系統的載體,飛控、GPS等主要部件都需要由機身外殼包裹和保護,選用碳纖維板材這種高強度重量輕的材料,有助于提高無人飛機性能的可靠性以及準確性。由碳纖維板材制成的機體輕,抗拉強度卻能達到普通鋼材的10倍以上,具有優異的抗蠕變和抗震性,同時具有良好的耐久性和耐腐蝕性,對耐酸、堿、鹽及大氣環境的腐蝕也有一定的承受性,可以有效延長無人機的使用壽命。其在外觀方面呈現出的平整度好、表面光澤度高、美觀大方等特點,目前高端無人機已經開始大規模應用此材料。

    2、醫用CT床板

    碳纖維復合材料除了優異的力學性能表現外,其制作成的碳纖維板材還有X射線透過率高、損耗低的特點,英特力新材料公司生產的碳纖維板X光透過率能達到98%,散射和吸收消耗卻只有2%,總損耗也不足鋁的1/5,并且通過各項性能檢測,已經廣泛應用到醫療CT床板。再加上它的密度很低,只有1.5g/cm3,使用輕便,因而被CT床板、乳腺托架等多種醫療器械所采用。但是用于醫療器械的碳纖維板材在質量及各項指標方面要求非常高,以山東英特力新材料有限公司為國內一家知名醫療器械商訂制的一款碳纖維醫療板為例,該款碳纖維板材產品要求碳纖維紋路清晰整齊,不能有絲毫的亂紋,板材表面光潔,有丁點雜質、白點、劃痕、凹坑、針孔都不能通過驗收,在厚度公差上要保持在±0.05mm以內,板材的平整度要達到相關的國際標準。因而,為了保證品質,該種板材的一切生產過程必須在無塵室中進行,都需要使用熱壓罐工藝生產,每道工序到要經過嚴格檢查,這樣最后的成品方能達到高精密放射器械的使用標準。

    3、工業零部件

    因為碳纖維板材具有可加工性,因此可以按照圖紙加工成各種形狀的平面,并且可以在板材上面做出各種孔、溝槽,便于與其他部件組合使用,所以被許多高精密機械用來代替金屬材質制做成零部件。用碳纖維板材制成的機械零部件具有質量輕、強度大、耐磨損等特點,根據機械需要,還可以通過定制選擇阻燃、增韌、不導電等特定性能。

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