張 彬 錢 坤

（江南大學(xué)紡織服裝學(xué)院，江蘇無錫 214122）

［科　技］

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大絲束碳纖維拉擠復(fù)合材料工藝研究

張 彬 錢 坤

（江南大學(xué)紡織服裝學(xué)院，江蘇無錫 214122）

摘 要本文主要介紹了大絲束碳纖維的概念，并從碳纖維拉擠桿復(fù)合工藝，特別是預(yù)成型、固化溫度、拉擠速度等對(duì)連續(xù)拉擠碳纖維復(fù)合材料的性能影響方面進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞大絲束碳纖維；拉擠；加強(qiáng)桿；復(fù)合材料

投稿日期：2016-02-28

0 前言

碳纖維復(fù)合材料作為國(guó)家戰(zhàn)略性新型材料一直廣受關(guān)注，從軍工到民用，滲透到我們生活中的各個(gè)角落。根據(jù)日本東麗的碳纖維分級(jí)來說，碳纖維分為T300～T1000不等，越往上碳纖維等級(jí)越高。其中每個(gè)等級(jí)又分為1K、3K、6K、12K、24K、48K、60K、80K，K代表1000，也就是說1k代表每一束碳纖維中有1000根單絲，80k代表每一束碳纖維中有80000根單絲。

一般來說，12k以下被統(tǒng)稱為小絲束碳纖維，又被稱作“航空航天級(jí)”碳纖維，12k以上被成為大絲束碳纖維，或者是工業(yè)級(jí)碳纖維。本文所介紹的拉擠復(fù)合材料由于尺寸較大，故而選擇大絲束碳纖維。

1 工藝路線

復(fù)合材料拉擠工藝過程如圖1所示。所使用的設(shè)備主要包括碳纖維供給裝置、樹脂浸漬槽、預(yù)成型裝置、加熱成型?？?、拉拔裝置，切割裝置等［1］。

2 引紗與浸膠

置于軸架上的連續(xù)碳纖維通過導(dǎo)向和排列裝置

引出， 送至樹脂浸潰單元， 導(dǎo)向裝置的設(shè)計(jì)要求是使碳纖維從軸架到口模保持平直， 對(duì)所有纖維束施加的力相等， 避免因纖維束間張力的變化導(dǎo)致拉擠制品扭曲變形。

浸漬操作中， 首先在樹脂浸漬槽中精確地量入熱固性樹脂和固化劑等， 將樹脂、固化劑與脫模劑按一定質(zhì)量比混合， 攪拌均勻注入樹脂浸漬槽［2］。一般樹脂廠家都會(huì)給出指導(dǎo)性的配比，其中少量的內(nèi)脫模劑必不可少，防止在熱固成型過程中堵塞模具。

在整個(gè)浸漬過程中，纖維浸潤(rùn)要完全，不應(yīng)存在干纖維，干纖維的存在會(huì)導(dǎo)致拉擠物產(chǎn)生缺陷，控制碳纖維浸潤(rùn)程度的一個(gè)重要工藝參數(shù)是樹脂體系的粘度，該粘度成為初始粘度，其大小不僅與樹脂本身有關(guān)，而且與添加劑、溫度有關(guān)。除了初始粘度以外，碳纖維浸潤(rùn)效果還與浸潤(rùn)時(shí)間、浸潤(rùn)時(shí)樹脂的溫度和浸漬槽中碳纖維的工作狀態(tài)有關(guān)，一般來說，給定了初始粘度，碳纖維工作狀態(tài)正常，浸漬時(shí)間越長(zhǎng)，樹脂溫度升高，均可以改善纖維浸潤(rùn)程度。

在這一過程中，還要注意以下幾點(diǎn)：

（1）由于大絲束碳纖維中每束碳纖維較多，要時(shí)刻注意樹脂對(duì)碳纖維單絲的浸潤(rùn)情況，不僅碳纖維絲束表面要有較好的浸潤(rùn)，還要保證碳纖維絲束內(nèi)部也都能夠浸潤(rùn)充分，否則會(huì)造成內(nèi)部缺陷，影響最終產(chǎn)品的性能。

（2）樹脂的粘度要保持在一定的范圍，室內(nèi)溫度要控制好，如果天氣溫度過低的話，可以考慮膠槽加溫，以保證樹脂能夠隨著碳纖維順利地進(jìn)入模具口，不會(huì)被擠出來，也不會(huì)堵塞。

3 加熱固化

一般來說，拉擠過程分為三個(gè)加熱區(qū)域。首先是預(yù)熱區(qū)，作用是為下一區(qū)域反應(yīng)做準(zhǔn)備；其次是凝膠區(qū)，在這個(gè)區(qū)域中，樹脂發(fā)生固化交聯(lián)并產(chǎn)生相變，從粘稠態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟z態(tài)；最后是恒溫區(qū)，防止溫度驟變使得復(fù)合材料產(chǎn)生裂紋［3］。

口模區(qū)域的溫度控制關(guān)系到拉擠生產(chǎn)速率和制品的質(zhì)量。溫度控制的關(guān)鍵是使物料固化速率與型材牽引速度一致，同時(shí)，還要保證加熱均勻，物料各處固化速率盡量一致?？谀Ｌ幫ǔ２捎冒迨交蛲彩浇佑|加熱器。目前的高頻預(yù)熱和高頻固化解決了快速固化的問題對(duì)于不同類型的樹脂，三個(gè)區(qū)域的溫度各不相同，總體來說，其中的規(guī)律為依次增大。另一方面，針對(duì)不同尺寸的復(fù)合材料，三個(gè)區(qū)域的溫度也有所變化，比如尺寸大，較厚的拉擠桿件，固化溫度要高于樹脂的固化溫度，因?yàn)闇囟仁菑膹?fù)合材料的表面向內(nèi)傳遞，這樣才能使得里面的樹脂完全固化，和碳纖維很好地結(jié)合在一起。

4 牽引

拉擠成型通常使用夾持牽引裝置，該裝置有兩副內(nèi)部形狀與制件相匹配的家具，拉擠物處于夾具中間，夾具靠壓縮空氣上下啟閉，該夾具安裝在支撐座 上，液壓油缸驅(qū)動(dòng)夾持裝置作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，為了不損傷拉擠物的表面，夾具與拉擠物接觸常襯以聚氨酯材料。

牽引裝置所禪城的線速度與模具溫度和樹脂體系配合，以保證模具內(nèi)部有良好的固化反應(yīng)。生產(chǎn)不用的產(chǎn)品，應(yīng)選擇不同的牽引速度，因此，要求牽引裝置速度可以調(diào)節(jié)。

5 后固化

拉擠工藝的控制還應(yīng)該考慮后固化的問題，對(duì)于大型制件尤為重要。因此不論連續(xù)成型加工中速度多慢，也很難產(chǎn)生像間歇生產(chǎn)那樣的固化狀態(tài)。拉擠成型后期固化簡(jiǎn)單方式是安裝一個(gè)加熱固化室，而更多采用的是在一個(gè)分離的加熱室，用來后固化，保證固化程度。

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)碳纖維拉擠復(fù)合材料的工藝方面做了一定的闡述，分別指出了工藝路線、引紗與浸膠、固化加熱等三方面的關(guān)鍵點(diǎn)，為之后的碳纖維拉擠復(fù)合材料提供了一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 張 芳. 碳纖維熱固性塑料拉擠成型工藝探討［J］. 塑料工業(yè). 1995年， （5）∶ 18-21.

［2］ 薛承瑾. 耐高溫碳纖維拉擠復(fù)合材料連續(xù)抽油桿的制備和性能研究［J］. 北京化工大學(xué)學(xué)報(bào). 2003年， 30（4）∶56-59.

［3］ 王秋玲，等. 新型導(dǎo)線用碳纖維復(fù)合材料的拉擠成型工藝技術(shù)研究［J］. 工程塑料應(yīng)用. 2010， 38（2）∶ 33-35.

［科技］

Study on the Technology of Large Tow Pultruded CFrP

ZHANG Bin QIAN kun
（Jiangnan University Textile Garment Institute， Jiangsu Wuxi 214122 ，China）

AbstractThis article mainly introduces the concept of large tow carbon fiber， and the composite technology of carbon fiber pultrusion stiffener， especially the effects of pre forming， curing temperature and extrusion speed on the properties of pultruded CFRP are discussed.

Key wordslarge tow carbon fiber； pultrusion； stiffener； CFRP

中圖分類號(hào)：TQ327.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：張 彬（1984-），女，中級(jí)工程師，碩士學(xué)位在讀，主要研究方向：紡織復(fù)合材料。