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简述四种碳纤维复合材料成型的工艺


       复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。碳纤维复合材料是把碳纤维作为增强成分添加到树脂基材中而形成的一类复合材料。树脂基材有热固性和热塑性两类。常见的热固性树脂有环氧树脂、乙烯酯树脂、不饱和聚酯树脂和酚醛树脂等;常见的热塑性树脂有PE、PP、PVC、PA等。

       复合材料的成型工艺是将原材料转化为结构件的关键工艺步骤。常见工艺过程中,连续纤维增强复合材料的材料成型一般与制品的成型同时完成,再辅以少量的切削加工和连接即成成品;随机分布短纤维增强塑料可先制成各种形式的预混料,然后进行挤压、模塑成型。碳纤维复合材料的加工成型工艺很多,目前常见的工艺主要有手糊成型、喷射成型、团状模塑料(DMC)成型、片状模塑料(SMC)成型、层压成型、树脂传递模塑成型(RTM)、缠绕成型、反应注射成型(RIM)和拉挤成型等。

       一、RIM成型技术。

       树脂传递模塑(RTM)成型技术是复合材料液体模塑成型技术(LCM)的典型工艺之一。其主要工艺原理是先在模腔中铺放按结构和性能要求设计好的纤维增强材料或预成型件,然后采用注胶设备将专用低粘度树脂体系注入或真空吸入闭合模腔内,充分浸润纤维,树脂固化脱模得到复合材料构件。RTM工艺可以一次成型大型、复杂的构件,可设计性强,尺寸易于控制,表面质量高,生产周期短,可实现半自动化或自动化生产。传统汽车覆盖件的冲压工艺生产只需几秒钟,而普通RTM成型工艺较长,总的成型时间一般在2小时以上,仍然存在效率较低的问题。

       RIM制品表面质量好、成型周期短、生产成本低、可以生产大尺寸部件。RRIM制品用于制作汽车保险杠、仪表盘,高强度RRIM制品还可以用作汽车的结构材料、承载料。

       二、热压成型技术。

       热压成型工艺是在一定的温度与压力下,树脂基体发生熔融流动,重新浸渍纤维,从而制备一定形状的复合材料零件。热压成型工艺具有较短的成型周期,易于实现自动化生产过程,可使用传统金属板料成型设备,同时适用于热塑性复合材料的低成本制造过程,对于碳纤维复合材料汽车零部件的高效成型具有广阔应用前景。

       SMC、DMC和BMC是三种重要的热固性树脂基复合材料,它们经常被用作模压复合材料制品的半成品。SMC成型工艺是将SMC片材按制品尺寸、形状及厚度等要求裁剪,然后将多层片材叠合后放入金属模具中进行加热、加压成型的方法。该工艺成型效率高、制品表面光洁、尺寸稳定性好,适于大批量生产,性价比较高。SMC工艺的成功开发和机械化模压技术的应用使复合材料在汽车工业上的用量年增长率达到25%。SMC已被广泛应用于发动机罩、导风罩、气门罩壳、水箱部件、发动机隔音板、加热盖板、气缸盖、进气支管、出水口外壳、水泵和燃料泵等汽车制件。但SMC工艺具有产品不可回收、易污染环境且一次性投资高等缺点,所以SMC工艺在早期只在跑车或大型车体结构上得到应用。为了充分发挥复合材料的减重特性,目前已将碳纤维引入SMC组分中以取代玻璃纤维。

       三、拉挤成型工艺。

       拉挤成型工艺是将浸渍树脂胶液的连续碳纤维丝束、带或布等,在牵引力的作用下,通过挤压模具成型、固化,连续不断地生产长度不限的型材。拉挤成型是复合材料成型工艺中的一种特殊工艺,其优点是生产过程可完全实现自动化控制,生产效率高。拉挤成型制品中纤维质量分数可高达80%,浸胶在张力下进行,能充分发挥增强材料的作用,产品强度高,其制成品纵、横向强度可任意调整,可以满足制品的不同力学性能要求。该工艺适合于生产各种截面形状的型材,如工字型、角型、槽型、异型截面管材以及上述截面构成的组合截面型材。

       四、真空辅助成型工艺(VARI)。

       VARI是一种将干织物通过真空辅助导入成型的工艺方式。其工艺原理是在单面刚性模具上以柔性真空袋膜包覆、密封纤维增强材料,利用真空负压排除模腔中的气体,并通过真空负压驱动树脂流动而实现树脂对纤维及其织物的浸渍。

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