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提高碳纤维管材质量的几种工艺方法

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除了强度和减重效果优于钢材外,碳纤维管的表面质量和制造精度也是影响其应用效果的重要因素。碳纤维圆管和方管最常用的制造方法是纤维缠绕法和成型-热压罐工艺,但这些工艺最突出的缺陷是制造的管材表面质量不够好,预浸料叠层和压袋工艺制造的异形管也有相同的表面缺陷。表面质量不仅影响管道外观的光滑度,还影响管道的几何形状和机械设备的性能。因此,提高管材质量和制造精度是碳纤维管材制造的一大难点。本文根据多年生产碳纤维管积累的实际操作经验,总结了解决这类问题的几种方法。

提高碳纤维管材质量的几种工艺方法

一、缺陷原因:

碳纤维管件的表面缺陷主要包括皱纹、条纹和富胶问题。追溯起来,这些问题主要集中在预浸料叠层上。当使用碳纤维复合预浸料叠层时,如果不能施加足够的张力来压缩预浸料叠层块,则铺设的复合预浸料层会相对松散,总厚度将超过目标管道产品的厚度。所以在成型过程中,一般的处理方法是对每一层复合材料进行压制,让多余的树脂流出,但这种压制必然会带来两种收缩力。首先,当碳纤维复合材料层合块被压缩时,管道的厚度会变薄,外径会变小,周长也会相应减小。沿环的纤维必然会松弛,压缩时其中的碳纤维会弯曲打折;其次,在碳纤维管的成型过程中,往往需要在预浸料层压块坯上使用一些辅助材料,如空气毡和真空袋。这些辅助材料在压缩时也会产生褶皱和条纹,固化后会压印在复合材料表面,最终形成褶皱。


二、预压实结合温度控制:

根据该公司的经验,解决碳纤维管道表面缺陷的一个重要步骤是在碳纤维预浸料铺设过程中结合预压实和适当的温度控制。具体操作要领是铺几层后在一定温度下进行预压实,并施加一定压力压实每一层纤维。这种及时的预压实可以防止松散纤维层的堆积。在一定的压力和温度条件下,消除预浸坯料中多余的树脂、气泡和低沸点物质,使坯料致密,基本达到预定厚度。预压实坯体在固化过程中不需要吸胶,可以有效控制碳纤维复合材料中的树脂含量和管材厚度。


三、选择合适的模具材料:

碳纤维复合管没有严格控制内径尺寸精度,但对外径要求较高,模具的选择对外径尺寸影响较大。对于纤维缠绕过程或缠绕过程,由于纤维缠绕时的压力,要求其装配形状基本保持不变。所以在芯模原材料的选择上,最好选择刚性好的金属材料,比如钢、硬铝等。钢的密度和硬度比硬铝大,但钢的热膨胀系数不如硬铝。但是高性能的碳管产品是在高温下固化的。如果采用硬铝芯模,通过硬铝热膨胀产生的固化内压,可以提高碳管的密度和力学性能。因此,在高性能碳管的缠绕过程中,应选择硬铝作为芯模。为了有效提高管材成型质量,VIA新材料选用芯模的原则是使用线膨胀系数较大的弹性材料作为成型模具,线膨胀系数较小的钢材作为辅助模具。在成形过程中,压力通过弹性材料传递和施加。实验表明,该方法是有效的。


四、使用热收缩的平均压力

除了上述方法,热收缩工艺还可以提高碳纤维管的表面质量和制造精度。热收缩材料在高温固化时,能有效传递热压罐的压力,均匀消除真空袋和空气毡的褶皱对碳纤维复合材料的影响。例如,复合材料被热收缩套管的热收缩特性均匀地挤压。碳纤维复合预浸料加热时,树脂软化,热收缩套达到一定收缩温度后会收缩变形,从而在均匀缩径的过程中压实复合叠层块。碳纤维复合管包装后固化,固化成型后脱模剥离。

选择什么样的热收缩材料要根据收缩温度、收缩率、耐温性等几个参数综合考虑。公司技术人员强调,热收缩技术的使用应防止以下两个问题:一是热收缩时热收缩管断裂;二是收缩会造成表层纤维错位。因此,必须控制温度,均匀加热,以减缓收缩过程,降低收缩的严重程度。


从应用市场来看,碳纤维管的消费量将继续增加。高尔夫球杆和钓鱼竿是碳管在运动休闲领域应用最多的对象。地球同步轨道卫星上的大型卫星天线支撑杆、空间桁架结构和小型发动机支架也是航空航天科技领域碳纤维管的典型代表。近年来,碳纤维复合管越来越多地应用于无人机的机身部分,如臂架和翼架。随着碳纤维管的轻量化效应逐渐凸显,广泛应用于印刷、造纸、塑料、薄膜、纺织、锂电池极片卷绕等行业的滚轴逐渐取代了传统的金属管。在这种背景下,如果能够进一步提高高强度、低重量碳纤维管的表面质量和制造精度,无疑将为它们进入更高端、更广阔的市场扫清一大障碍。


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