碳纤维增强热塑性复合材料进展
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碳纤维增强热塑性复合材料进展
来源: 作者: 发布日期:2018-08-07 阅读次数:50 关注度:0 被收藏数:0 评论数: 0
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碳纤维是一种含碳量在 90% 以上且具有高强度、高比模量、低密度、耐高温、耐化学腐蚀、低电阻、高导热、耐辐射以及优良阻尼减震降噪等性能的纤维材料。热塑性树脂是碳纤维复合材料最常用的基体材料之一,具有受热软化熔融、遇冷凝固硬化的特性,可以反复经受热熔融和冷却硬化。热塑性树脂具有良好的耐腐蚀性、断裂韧性、耐损伤容限和抗冲击性,且密度较低。近些年,以碳纤维为增强体,热塑性树脂为基体的碳纤维增强热塑性复合材料在民用和军用的多个领域实现了普遍运用,已经成为国内外的研究热点。



碳纤维增强热塑性复合材料的成型技术有着几十年的发展历史,形成了多种类型的成型制备工艺。在当前工业生产上,较为常见的传统结构成型工艺包括热压罐成型、拉挤成型和缠绕成型等。虽然这些传统成型制备工艺的适用性广泛,成熟度较高,但其生产成本高昂、效率不高。近些年来,国内外涌现出了很多新型成型制备工艺,例如自动纤维铺放成型、超声波快速固结成型、激光固结成型、电子束固结成型、真空辅助成型以及3D打印成型等工艺技术,这些新型成型工艺具有十分广阔的应用前景。
自动纤维铺放成型
自动纤维铺放是一种从缠绕成型发展而来的先进快速成型技术,可分为自动纤维丝铺放 (AFP) 技术和自动纤维带铺放 (ATL) 技术,多用于航空航天领域。ATL 技术主要用于小曲率曲面构件 ( 如飞机的翼面、壁板 ),生产效率较高,AFP 技术主要应用于复杂形状双曲面机构件 ( 如机身、翼身融合体 ) 的制备。AFP 和 ATL 技术具有生产效率高、自动化程度高、易于数字化设计的优点,目前在西方发达国家已经得到广泛的应用,例如自动纤维铺放成型目前在军用和民用飞机上的应用和自动纤维铺放技术在先进大型客机上的应用。



超声波快速固结成型

超声波快速固结成型是一种先进的复合材料成型技术,其常与 AFP 和 ATL 技术共用,用来替代传统热源,其超声波的频率一般在 20~120 kHz。超声波固结类似于利用超声波在两层或多层材料间进行焊接,其原理是超声波在层间界面之间的传递,由于界面焊区声阻较大,局部区域温度上升,而树脂的导热性差,热量会逐渐在焊区聚集,两层树脂的接触面迅速熔融,并在压力下融成一体,待超声波停止作用后,保持压力使界面凝固成型。超声波快速固结成型技术具有能耗较低、成本少、效率高及自动化的特点,适用于大批量生产经超声波固结加工的材料,其性能与原料的自身特性、超声波频率与振幅等因素有关。

激光固结成型

激光固结成型技术常与 AFP,ATL 技术联用,用激光来代替高温气体热源,能够减少能耗、降低污染、节约物料,并且可以加快复合材料的铺层速率,提高自动化生产效率,特别是在飞机的尾翼、机身等材料的制备上都已经得到广泛应用。

电子束固结成型

电子束固结成型技术是一种无需热压的新型固结成型技术,高能电子束通过与介质的碰撞将能量在短时间内传递给介质分子,从而产生物理化学变化,引发聚合物分子交联,从而使材料固化。电子束固结技术可以与缠绕成型、纤维自动铺放成型、树脂传递模塑 (RTM) 等多种工艺相结合,实现自动化生产。电子束固结可以在室温下进行,这能够消除了复合材料成型中的热应力,并且这种技术还具有成本小、污染低、效率高的优点。

3D打印成型

3D打印技术是一种通过数字化控制系统,采用逐层打印的方式来构造三维材料实体的增材制造技术,具有自动化、智能化、精确化以及高效化的特点。近年来,随着3D打印技术的蓬勃发展,利用 3D 打印技术制备碳纤维增强热塑性复合材料已经成为学术界研究的热点,其中选择性激光烧结(SLS) 和熔融沉积成型 (FDM) 是目前应用最为广泛的技术。
近些年来,碳纤维增强热塑性复合材料在民用和军用领域已经得到了十分广泛的应用,其成型制备工艺技术也历经了几十年的发展历程,高效率、低成本、低能耗以及自动化是未来碳纤维增强热塑性复合材料成型工艺的发展方向。目前,建立和优化大型高性能复杂结构件的成型工艺已经成为西方发达国家的研究重点,而我国在这方面的研究与发达国家相比还存在着不小的差距,特别是在航空航天、武器制造等高精尖领域,碳纤维复合材料结构件的制备技术还停留在传统成型工艺上,这也是制约我国高性能碳纤维增强热塑性复合材料发展的重要原因,是未来亟待解决的重要技术问题。
 

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