高温模压成型、真空袋成型、树脂传递模塑成型、拉挤成型、热压罐成型等都是碳纤维复合材料零部件常用的成型方法。对于大批量零部件的成型来说,模压热固化工艺是较为合适的制备方法,一方面这种工艺比传统的热压罐等成型方式生产速度更快,在一定程度上可以降低制造成本;另一方面模压热固化工艺有利于保证零部件的标准化质量,在一体化成型与产品细节方面都有较好表现。

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国内碳纤维零部件制造商智上新材料科技为轨道交通、精密机械、智能化设备、高端医疗器械等提供碳纤维零部件的配备定制服务,高温模压固化就是其常用的成型方式之一。例如,一款高铁用司机驾驶台面板,长度超过100cm,宽度超过65cm,整个板面结构较为复杂,对于这样的大型整体性零部件,智上新材料通常会采用高温模压工艺来制作,并针对具体的产品性能要求,对固化工艺参数作出适当调整。

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事实上,固化工艺参数对碳纤维复合材料零部件性能具有明显的影响。因为在热固化过程中,树脂基体的流动溢出量与初始压力及升温方式密切相关。智上新材料发现,初始压力对树脂溢出量具有直接作用,随着初始压力的提升,碳纤维零部件胚体的弹性模量和轴向压缩强度均有所提高,但由于树脂的大量溢出直接影响了碳纤维之间的基体含量,轴向拉伸强度反而会有所下降。所以,智上新材料认为过高的初始压力会使树脂大量溢出,使碳纤维丝束之间的空隙增加,不利于保证零部件成品的厚度及零部件的综合性能。除此之外,智上新材料还发现,相比于直接升温至固化温度,阶梯式升温的方式更有利于减少树脂在固化过程中的溢出量,对提高零部件的性能有正向作用。

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基于以上结论,利用高温模压制作碳纤维零部件时,智上新材料采用初阶梯式升压和阶梯式升温的方式,在保证树脂固化的前提下,提高碳纤维与树脂之间的结合强度,使零部件成品的拉伸强度得到显著提高。不过,具体的温度设定和升温时间点都要经过多次实验和比较,才能形成最终的最优化的方案。而且,这些方案都仅适用于某一款具体的碳纤维零部件制作,一旦方案取得了良好的效果,便可以实施于该款零部件的批量化制造。

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换句话说,智上新材料对采用高温模压固化的碳纤维零部件制作实行的是“一对一”的优化工艺方案,即通过调整特定零部件的固化温度、升温方式、初始压力等工艺参数,对零部件成型时材料的厚度、树脂固化度以及纤维-树脂结合力等细节进行把控,从而对成品的综合力学性能进行调控,这对提高碳纤维复合材料零部件的应用价值有重要的指导意义。

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