复合材料结构及其成型原理

碳纤维复合材料(西北工业大学机电学院，陕西西安710072)摘要：碳纤维复合材料与金属材料相比，其密度小、比强度、比模量高，具有优越的成型性和其他特性，具有极大的发展潜力。本文介绍了碳纤维复合材料的特点及其应用，总结了碳纤维复合材料的成型工艺及每种成型工艺的特点，并从材料和成型两个方面指出了它的发展方向。关键词：复合材料；碳纤维；成型工艺；工艺流程CarbonFiberReinforcePlastic(SchoolofMechatronics,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China)Abstract:Comparedtometals,carbonfiberreinforceplastichasgreatpotentialfordevelopmentwithlowerdensity,higherspecificstrengthandmodulus,andexcellentmoldabilityandothercharacteristics.Thisarticledescribesthecharacteristicsandapplicationsofcarbonfiberreinforceplasticandsumupthemanufacturingprocessofcarbonfiberreinforceplasticandtheircharacteristics.Finally,thisarticlepointsoutthedevelopmentofcarbonfiberreinforceplasticfromtwoaspects:materialandmanufacturingprocess.Keywords:composites;carbonfiber;manufacturingprocess;process1引言纤维增强塑料是工程塑料应用的一种重要形式，而碳纤维复合材料就是其中的佼佼者，它以其所具有的低密度、高比强度、高比模量和优越的成型性和其他物理、化学特性在军事、航天、航空、电子等领域被广泛地应用，具有极大的发展潜力。尤其是在航空领域，碳纤维复合材料构件是航空航天结构中重要的组成部分，常用于飞机的内部骨架以及发动机等零件的固定支架。所以，进一步研究碳纤维复合材料对发展我国制造业尤其是航空制造业具有重要的意义。本文从碳纤维复合材料的特点及其应用出发，总结了它的成型工艺及每种成型工艺的特点，并从材料和成型两个方面指出了它的发展方向。2碳纤维复合材料及其应用2.1碳纤维的结构碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。与此同时，其力学性能又是其它纤维无法比拟的。表l给出了碳纤维的力学性能与其它种类纤维的比较。表1碳纤维与其它纤维力学性能的比较纤维种类密度g/cm3拉伸强度GPa拉伸弹性模量GPa性能高强碳纤维1.505.70280质轻、高强，大丝束成本低聚乙烯纤维0.972.59120超高分子量玄武岩纤维2.803.00〜4.8079〜93耐酸碱，耐高温，密度大E-玻璃纤维2.553.4072.40主流增强材料，密度S-玻璃纤维2.504.5086.9大，模量偏低，耐湿热性能较差2.2碳纤维复合材料尽管碳纤维可单独使用发挥，但它毕竟属于脆性材料，只有将它与基体材料牢固地结合在一起时，才能有效地发挥其优异的力学性能。因此，碳纤维可用作复合材料中的增强相⑵，以提高产品得强度、减轻结构的质量、延长使用寿命和增加安全可靠性。因此，从国防军工到民用工业，包括航空航天、土木建筑、交通运输等领域，碳纤维复合材料都获得了进一步的应用。碳纤维在复合材料中用作增强材料时，根据使用目的不同可选用不同的基体材料和复合方式达到要求的复合效果。碳纤维可用来增强树脂、水泥、橡胶、碳、金属等，而目前使用最多、最广泛的就是树脂基复合材料。在碳纤维增强树脂基复合材料中，碳纤维起到增强作用，而树脂基体则使复合材料成型为承载外力的整体，并通过界面传递载荷于碳纤维。所用基体树脂主要分为两大类，一类是热固性树脂(Thermosettings，TS)，另一类是热塑性树脂(Thermoplastics,TP)。热固性树脂由反应性、低分子量预聚体或带有活性基团高分子量聚合物组成。成型过程中，在固化剂或热作用下进行交联、缩聚，形成不熔不溶的交联体型结构。常用的有环氧树脂、酚醛树脂、双马来亚酰胺树脂等。热塑性树脂由线型高分子量聚合物组成，在一定条件下溶解和熔融，只发生物理变化。常用的有聚乙烯、尼龙、聚醚醚酮等。2.3碳纤维复合材料的应用碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不断努力提高。80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。因为航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤。所以，在航空航天工业中争相采用先进复合材料。有一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1/4，占机翼重量的1/3。据报道，美国航天飞机上3只火箭推进器的关键部件以及先进的MX导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的。现在的F1(世界一级方程锦标赛)赛车，车身大部分结构都用碳纤维材料。顶级跑车的一大卖点也是周身使用碳纤维，用以提高气动性和结构强度碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。表2为碳纤维的重点开发应用领域；图2为最近几年世界碳纤维的需求量；图3为世界碳纤维按应用领域需求的统计和预测。表2碳纤维的重点开发应用领域应用领域典型件制造工艺汽车等交通工具车身，传动轴，板型构件等铺层，缠绕，模压，注射成型电子外壳，支架，底板等热塑性树脂注射成型等土木建筑增强水泥，钢筋，桥墩，层压板拉挤，手工铺层等能源风力发电叶片，燃料电池等纤维缠绕，铺层，模压等航海桅杆，缆索，甲板，船身等手工铺层，纤维缠绕等离岸石油浮标，抽油杆，防火装置等拉挤，手工铺层等其它工业应用压力气罐，轴类件，飞轮等纤维缠绕等其他休闲用品高尔夫球杆，网球拍，滑雪杆等纤维缠绕，铺层，模压等350003000。25000200001500010000500012%10%8%6%4%2%0%2001350003000。25000200001500010000500012%10%8%6%4%2%0%2001200220032004200520062007200820092010年份碳纤维需求总/同比增长图2世界碳纤维的需求量00需求*oO5O2215000天动闲业用航运休工应1000050002001200220032004200520062007200820092010年份3碳纤维复合材料成型工艺成型工艺是将原材料转化为结构件的关键工艺步骤。碳纤维复合材料的加工成型工艺很多，不同的成型加工技术对制品的性能会带来较大的影响。目前常用的碳纤维复合材料加工成型工艺主要有：手糊成型(HandLaying-up)、喷射成型(SprayMoulding)、真空袋成型法、团状模塑料(DoughMoldingCompound，DMC)成型、片状模塑料(SheetMoldingCompound，SMC)成型、层压成型(LaminationProcess)>热膨胀成型、树脂传递模塑成型(ResinTransferMolding，RTM)、缠绕成型(WindingProcess)>反应注射成型(ReactionInjectionMolding，RIM)和拉挤成型(PuhrusionProcess)等。本文重点介绍手糊成型工艺、真空袋成型工艺、热膨胀成型工艺、拉挤成型工艺、RTM成型工艺模压成型工艺。3.1手糊成型手糊成型［3］是指在模具型腔表面涂布或铺迭脱模剂、胶衣、粘度适中的树脂(胶衣凝胶后涂覆)和碳纤维，手持辊子或刷子使环氧树脂浸渍碳纤维，并驱除气泡，压实基层。铺层操作反复多次，直到达到制品的设计厚度。具体工艺流程如图4所示。图4手糊成型流程图该工艺的主要优点是：可室温成型；设备投资少，模具折旧费低；上马快，技术较易掌握；无论构件尺度大小，造型如何复杂，都可以制作出来。主要缺点是：属于劳动密集型生产，制品质量由工人技术熟练程度决定；手糊用树脂分子量低，通常可能较分子量高的树脂对人的健康和安全有害。3.2真空袋成型真空袋成型法是指在环氧树脂固化时，通过抽真空的方式使袋内复合材料坯件受到均匀压力来制备复合材料制品的成型方法。其过程为：将手糊或喷射好的积层在环氧树脂的A阶段与模具在一起，在积层上覆以真空袋，周边密封，然后抽真空形成负压，大气通过真空袋对毛坯加压，使积层受到不大于101kPa的压力而被压实、成型。真空袋用延展性好、强度高的尼龙膜等材料制成，用粘性的密封胶条与模具粘结在一起，真空袋内通常要放有导气毡以使真空通路畅通。固化完全后卸模取出制件。真空袋法封装示意图如图5所示。图5真空袋法封装示意图其工艺流程如图6所示。

图6真空袋成型工艺流程图真空袋成型工艺简单，不需要专用设备，常用来制造室温固化的制件，也可在固化炉内成型高、中温的制件。由于真空袋法产生的压力小，较适用于环氧和聚酯树脂，通常可获得高碳纤维含量的复合材料，碳纤维可较好地浸渍环氧树脂，制出的制品表面光滑，精度较高。主要缺点是额外的工艺过程增加了劳动力和成本，并且要求操作人员有较高的技术水平；生产效率不高［56］。3.3热膨胀成型热膨胀工艺是指复合材料预浸料在闭合刚性阴模中通过硅橡胶芯模的热膨胀来实现对复合材料加压固化的成型工艺方法。它以热膨胀系数较大的材料为芯模，刚体材料为阴模，复合材料置于芯模与阴模之间。如图7所示。当模具受热后，由于芯模材料的热膨胀系数比阴模材料大几十倍，芯模的体积膨胀受到阴模的限制，则在模腔内产生压力，这种压力称为热胀压力阴模(TEP)，以此实现对复合材料固化过程的加压［7］。阴模芯模复合材料图7热膨胀成型组装模具示意图热膨胀成型工艺靠芯模热膨胀产生压力，无需外压源，适合于复杂结构制品的整体共固化。在某些多腔体结构中，克服了外压难以均匀传递的缺点，具有不可替代的优点。但此方法要求模具有很好的刚度，否则会影响制品的精度。3.4拉挤成型拉挤成型是指将浸渍了环氧树脂的连续碳纤维经加热模拉出形成预定截面型材的过程。碳纤维储放在轴架上.由导引装置拉出，而后进入树脂浸渍槽进行树脂浸渍，也可直接进入口模.在口模内靠压力作用迫使树脂与纤维结台。前一种方法碳纤维的浸渍比较完全，生产线速度快，成本低，产品厚度不受限制；后一种方法的优点是碳纤维易于控制，产品的表面光洁度好。碳纤维浸渍树脂后进入预成型口模，使其排列整齐，溢出过剩的树脂。继而，浸渍的碳纤维进入加热口模固化成型，再经拉拔装置牵引，按需切割成最终的型材或制品。其工艺流程如图8所示。图8拉挤成型工艺流程拉挤成型工艺的主要优点是制造速度快，拉挤成型材料的利用率为95%(手糊成型材料的利用率仅为75%)；树脂含量可精确控制；由于纤维呈纵向，且体积分数可较高(40%〜80%)，因而型材轴向结构特性可非常好。主要缺点是模具费用较高；一般限于生产恒定横截面的制品［8］。3.5RTM成型工艺为了降低苯乙烯的排放，低成本、低污染的成型工艺RTM在整个复合材料行业得到了飞速的发展。RTM的原理是：在压力注入或真空辅助条件下，模具型腔中铺放好增强材料的预成型体，低粘度树脂体系被注射到模具中，排出模具内的气体以彻底浸润纤维，由模具的加热系统加热树脂，固化后为FRP构件［910］。图9是RTM成型工艺流程示意图。图9RTM成型工艺流程示意图RTM成型工艺的主要优点：（1）闭模成型，产品尺寸和外型精度高，适合成型多品种、中批量、高质量的复合材料整体构件；（2）初期投资小，且制品公差小、表面光洁度高；（3）生产周期短、生产过程自动化适应性强、成型效率高；（4）环境污染小。但树脂通过压力注射进入模腔形成的制品存在着孔隙含量较大、纤维含量较低、树脂在纤维中分布不匀、树脂对纤维浸渍不充分等缺陷。3.6模压成型工艺模压成型工艺是目前国内外先进复合材料最成熟的成型技术之一，该工艺使用预浸布为原料，从叶根向叶尖以渐薄的方式进行缠绕，最后模压成形,其工艺流程如图10所示［1112］。图10模压成型工艺流程具体过程：用模板法或冲模法截取各个铺层，将铺层以一定顺序装在模具上，按工艺参数进行固化；脱模后对叶片进行去毛刺、修整和钻孔，在叶片前缘铺上胶膜、丝网并装配金属保护板后，再加热、加压固化；对叶片表面进行吹砂、打底漆、涂聚氨酯涂料，干燥即可。复合材料的尖部边缘有剥离趋向，叶片前缘、后缘及叶尖都包有钛合金条，可以消散外物损伤能量。该工艺生产效率高，便于实现专业化和自动化生产；产品尺寸精度高，重复性好；表面光洁，无需二次修饰；能一次成型结构复杂的制品；因为批量生产，价格相对低廉。但不足之处在于模具制造复杂，投资较大，加上受压机限制，最适合于批量生产中小型复合材料制品。4碳纤维复合材料的发展碳纤维属高新技术、高附加值产品，具有其他材料不可比拟的优异性能，具有广泛的用途和良好的发展前景。为了进一步开发市场，抢占先机，开发新型的碳纤维复合材料及其成型工艺非常必要。4.1绿色复合材料现在人们使用天然增强材料来取代过去的玻璃纤维和碳纤维，比如洋麻和麻等天然纤维，基材中采用的可生物降解树脂组成的低环境污染FRP属于环境友好型复合材料，该类材料即使排放到土壤中，随着时间的推移.能够分解成水和二氧化碳，对环境无污染。如热塑性复合材料，与热固性复合材料相比，热塑性复合材料质量轻、抗冲击性能好、生产周期短，且可回收利用［13］。而且若在风机的制造中采用热塑性复合材料，每台风机重量可降低10%，抗冲击性能将大幅度提高，制造周期降低1/3，并可100%回收利用。4.2碳纳米管复合材料碳纳米管(CNT)是1991年发现的新的纯碳物质，直径是从几纳米到几十纳米不等，长度为几十微米，如图11所示。管子的抗拉强度是钢的几十倍(几十〜几百GPa)，拉伸弹性模量非常大，是钢的5倍(1TPa)，有望成为21世纪最重要的新材料之一。CNT中有单层碳纳米管(SWCNT)和多层CNT套在一起的多层碳纳米管(MWCNT)两种。碳原子是圆锥结构，就像一个个茶杯套在一起.形成彼此相连的纤维状，此外还有直径为50-200nm的茶杯套接型碳纳米管(CSCNT)。过去用气相法合成的气相成长碳纤维(VGCF)，直径从几十到几百纳米不等，比CNT粗，长度与CNT相同，树脂分散性好，价格低廉，容易获取，可应用于复合材料。采用该纳米材料增强高分子复合材料，有望开发出具有新特性的结构材料和功能材料［14］。图11三种类型的纳米管a）单壁纳米管b）锯齿型纳米管c）手性纳米管因此，今后在纤维增强塑料复合材料领域，应开发适合各种各样满足先进的FRP材料要求的树脂。在增强纤维目前所具备的良好特性基础上，通过添加纳米管进行改性，提高基材树脂的成型性、浸渍性以及与纤维的界面强度，努力开发出高温下特性优越的树脂材料。4.3电子束固化技术碳纤维复合材料成型工艺一般是先把预成型的CFRP（即环氧树脂浸渍碳纤维的基体材料）放进成型模具中，然后一起在成型机中给予一定的压力和温度.使树脂完全固化。随着零件尺寸的增大。热压成型设备的投资和生产的能耗都非常大。从而增加了制造成本，因此开发复合材料的非热压成型工艺非常必要。电子束固化技术是近年来研究的意在取代传统热固化的新技术，它采用电子射线使预成型CFRP完全固化的方法。图12是电子射线固化过程的模式图。图12电子射线固化过程的模式图它的独特之处在于成本低，固化温度可调，固化时间非常短，工艺匹配性好，环境污染小。4.4超声连续改性处理技术超声处理技术是一种新型的处理技术，它具有对增强体碳纤维进行表面改性和改善浸胶工艺的双重作用，因此超声处理技术既是一种纤维表面改性技术，又是一种新型的复合材料浸胶工艺［15］。超声作用于树脂体系，促使树脂内部空化泡涨落的交替作用，诱发空化效应，产生巨大的能量，克服树脂体系分子运动的摩擦阻力，降低树脂体系粘度；另一方面，超声的声流作用提供给树脂体系内分子一个很大的加速度，使其迅速运动，也使树脂体系的粘度降低。同时，超声波的负压相可产生强大的抽吸作用，除去纤维表面吸附的杂质和氧化物，使其表面能提高。树脂的粘度降低、纤维的表面能提高，这就使充模过程中树脂对纤维的浸润性提高，进而提高浸润速率，界面粘结性能也得到改善。4.5低成本制造技术制造成本大约占复合材料制件总成本的80%左右，所以低成本复合材料技术的核心是低成本制造技术，它的发展对碳纤维工业具有重大的现实意义和深远的历史意义［16］。其主要方面有：自动化制造技术：发展以自动铺带(ATL)和纤维自动铺放(AFP)为核心的自动化制造技术。该技术可节省时间、劳力，速度较手工铺层提高10倍左右，而且提高了制件精度、质量，节省了原材料，有效的降低了成本。以共固化/共胶接为核心的大面积整体成型技术：大面积整体成型可大大减少零件数目，减少紧固件数目，降低连接和装配成本，减轻结构质量，从而有效的降低了总成本。以RTM技术为核心的低成本制造技术的研究和发展：可不用预浸料、热压罐，有效地降低设备成本，成型成本。该项技术近年来发展很快，在飞机、汽车、舰船等领域应用日广，并研究发展出RFI、VARTM、SCRIMP、SPRINT等多种分支，满足不同领域的应用需求。罐外成型技术：热压罐法成型是目前航空航天制件最主要的成型工艺方法，但其生产周期长、设备成本高、能源消耗大，故其生产成本高。为降低制造成本，人们在努力寻求热压罐外成型方法。最近日本的JAMCO公司发展了一种ADP(AdvancedPultrusion)技术，是一种创新的低成本的自动化技术。其不同于常规的拉挤，拉挤进去的不是纤维束，而是航空级的预浸料，中间有停顿进行固化和后固化。现该技术已用于生产A380上舱地板横梁，该梁长5.92m，I型截面，两端固支横穿整个机身，受载很大。5结语随着先进复合材料及其相关技术的不断进步，世界航空复合材料新时代已经来临并将会不断发展壮大。新的碳纤维复合材料的不断涌现和新的成型工艺的产生，给全世界带来了新的机遇和挑战。在机遇和挑战面前，国内应看准方向，着力自主创新，实现跨越式发展，促使我国复合材料制造技术逐步赶上国际先进水平。参考文献李一民.浅谈碳纤维复合材料成型工艺技术[J].广东科技