环氧树脂_碳纤维复合材料的成型工艺与应用.pdf

陈立军,等:环氧树脂/碳纤维复合材料的成型工艺与应用77

环氧树脂/碳纤维复合材料的成型工艺与应用

1,231,211,2
陈立军武凤琴张欣宇杨建李荣先
(1.深圳清华大学研究院,深圳518057;2.清华大学材料科学与工程系,北京100084;3.深圳永新公司,深圳518054)

摘要介绍了环氧树脂(EP)/碳纤维(CF)复合材料的特点及其应用;总结了EP/CF复合材料的成型工艺及每
种成型工艺的优缺点。指出随着CF制备技术、表面处理技术,以及EP制备技术和固化工艺的发展,采用环保、简
便、快捷且价廉的成型工艺生产性价比更高的EP/CF制品是EP/CF复合材料的发展方向。
关键词环氧树脂碳纤维复合材料成型工艺应用

环氧树脂(EP)/碳纤维(CF)复合材料是CF增强复合剂、胶衣、粘度适中的EP(胶衣凝胶后涂覆)和CF,手持辊子
材料的一个重要分支。近年来,随着人们对EP/CF复合材或刷子使EP浸渍CF,并驱除气泡,压实基层。铺层操作反
料认识的不断深入,其优异的性能不断凸现,促使其用量不复多次,直到达到制品的设计厚度。该工艺的主要优点是可
断上升。20世纪70年代以前,EP/CF复合材料被视为昂贵室温成型,设备投资少,模具折旧费低;可制造大型制品。主
的材料,价格约为玻璃纤维(GF)增强复合材料的10倍,只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
用于军工、宇航等尖端技术行业。20世纪80年代以后,CF度决定;手糊用树脂分子量低,通常可能较分子量高的树脂
工业和EP工业迅速发展,EP/CF复合技术不断进步,加入到有害于人的健康和安全。
EP中的CF比例不断上升,目前CF的体积分数已可达60%2.2树脂传递成型
以上,使EP/CF复合材料的质量提高而价格下降,拓宽了其将CF置于上下模之间,合模并将模具夹紧,在压力条件
应用领域,进一步促进了EP/CF复合材料的发展。下注射EP,EP固化后打开模具,取下制品。必须保证EP在
1CF及其EP复合材料的基本特点凝胶前充满型腔,压力促使EP快速传递到模具内并浸渍
1.1CF的特点和基本成分CF。该工艺为低压成型工艺,EP注塑压力为0.4~0.5MPa,
CF主要是由碳元素组成,其含碳量一般在90%以上。当制造高CF含量(体积分数超过50%)的制品时压力甚至
CF具有耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性,与一般可达0.7MPa。有时可预先将CF在一个模具内预成型(带
碳素材料不同的是,其各向异性显著,柔软,可加工成各种织粘结剂),再在第二个模具内注射成型[5-6]。为了提高EP浸
物,沿纤维轴向表现出很高的强度。制备CF的主要原材料渍CF的能力,可选择真空辅助注射[7]。当EP一旦将CF浸
有人造丝(粘胶纤维)、聚丙烯腈(PAN)纤维和沥青等。通常透,要将EP注入口封闭,以使树脂固化。注射与固化可在室
制备高强度、高模量CF多选用PAN为原料。制备CF需经温或加热条件下进行。模具可以用复合材料与钢材料制作。
过拉丝、牵伸、稳定、炭化、石墨化5个阶段[1-2]。若采用加热工艺,宜用钢模。该法的主要优点是复合材料中
1.2EP基体的作用CF含量可较高,未被EP浸润的CF非常少;闭模成型,成型
EP具有优良的加工性能和力学性能,其固化收缩率低,周期较短,生产环境好,生产成本较低;制品可大型化,强度
粘结性能优异。复合材料中EP的主要作用是把CF粘在一可设计。主要缺点是不易制作较小制品,因要承压,故模具
起,分配CF间的载荷,保护CF不受环境影响。较手糊与喷射工艺用模具要笨重和复杂。
1.3EP/CF复合材料的特性2.3真空袋法成型
EP/CF复合材料的特性主要取决于CF、EP及EP与CF此法是手糊法与喷射法的延伸。将手糊或喷射好的积
之间的粘结特性。EP/CF复合材料具有优异的性能,与钢相层在EP的A阶段与模具在一起,在积层上覆以真空袋,周边
比,EP/CF复合材料的比强度为钢的4.8~7.2倍,比模量为密封,然后用真空泵抽真空,使积层受到不大于101kPa的压
钢的3.1~4.2倍,疲劳强度约为钢的2.5倍、铝的3.3倍,而力而被压实、成型。该法的主要优点是采用普通湿法铺层技
且高温性能好,工作温度达400e时其强度与模量基本保持术,通常可获得高CF含量的复合材料;EP可较好地浸渍
不变。此外还具有密度和线膨胀系数小、耐腐蚀、抗蠕变、整CF。主要缺点是额外的工艺过程增加了劳动力和成本,并且
体性好、抗分层、抗冲击等,在现有结构材料中,其比强度、比要求操作人员有较高的技术水平;生产效率不高[8-9]。
模量综合指标最高。在加工成型过程中EP/CF复合材料具2.4树脂膜熔浸成型
有易大面积整体成型、成型稳定等独特的优点。将CF与EP片交替铺放在模具内。用真空袋包覆铺层,
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