影响碳纤维管质量的几个重要因素

2019-04-08 09:46:42 康飞新材料 682

      碳纤维管又称碳素纤维管,也称碳管、碳纤管,由碳纤维材料及特定的树脂材料组成。广泛应用于无人机、转动轴、辊轴、医疗器械、体育器材、高端摄影机滑轨等多种配套设备中,是高端工业领域用来替代金属管材的轻量化材料之一。

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  随着碳纤维管材的应用价值受到多行业的重视,其也成为国内碳纤维制品厂家的基础产品之一,但是,从近期的市场反馈看,碳纤维管材的质量良莠不齐,有的甚至是鱼目混珠,有的管材仅是外包覆3k碳纤维,内部却混杂了玻纤的成分,直接影响了管材的质量,并为后续的应用设备和生产带来了严重的安全隐患和不可估量的经济损失。下文从生产方面总结出影响碳纤维管材质量的几个重要因素,以供咨鉴。


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工艺的区别

  碳纤维管材一般采用拉挤、缠绕、卷制等方式制成,我们认为这几种工艺各有利弊:拉挤成型容易实现纤维的连续性,但不能实现纤维角度的任意变化;缠绕工艺能够按产品的受力状况设计缠绕规律,能充分发挥出纤维的强度,较大限度地保证了管材所要求的结构性能,但是缠绕成型适应性小,不能缠任意结构形式的制品,特别是表面有凹的制品,因为缠绕时,纤维不能紧贴芯模表面而架空;卷制工艺机械自动化程度高,管材成品在强度上比拉挤工艺要高,外观也能做出3k编织纹路,适用的范围更广,相对来说成本也要高一些。

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原材料的选择

  既然碳纤维管材的强度是由其中的碳纤维材料决定的,因此,用于碳纤维管材制造的碳纤维材料本身的质量尤为重要。康飞新材料表示,来自于日本东丽、台塑等世界一流碳纤维生产商的产品质量还是比较可靠的,不同系列的碳纤维碳纱在力学性能和成本上差别也很大,最终决定了碳纤维管的性能和价格。除此之外,树脂的选择也不容忽视,树脂的主要作用是把碳纤维粘在一起,分配碳纤维间的载荷,保护碳纤维不受环境影响,树脂基体的选择必须遵循固化方便、粘附力强、收缩性低、力学性能好等原则。

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芯模的材质

  不同材料制成的芯模对管材的表面精度及性能有一定的影响。有些低端的碳纤维管生产采用聚乙烯醇-砂、木-玻璃钢等材料制作缠绕芯模,但是这些材料或是难耐150℃以上的固化温度,或是工艺水平过于粗糙,难以制作出高质量的碳纤维管。相比较而言,钢和硬铝是两种较为常用的芯模材料,钢的密度和硬度都比硬铝大,但钢的热膨胀系数不及硬铝。高性能碳管需要在高温下进行固化,环氧树脂体系的固化温度也可达170℃。在此种情况下,硬铝热膨胀产生的固化内压,能很好地提高碳管的密度和力学性能。

芯模的设计

  除了芯模本身材料外,其筒身部分设计与碳纤维管的长度也有直接联系。如果碳纤维管长度较短,芯模的筒身部分可以制成等直径,如果管材长度要求比较长,在机床的加工精度及脱模等因素的制约下,等直径的长筒身应用困难,因此,采用带锥度的芯模筒身较为适宜。另外,在已知产品长度的基础上再加长10-20mm,便于后续的机械加工操作。对于长度与直径比值较大的碳纤维管来说,采用两段芯模对接和螺旋缠绕的方式,减小其直径的波动范围,可缩小碳纤维管两段内外径差距。

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缠绕的设计参数

  缠绕成型中,缠绕厚度、缠绕角度以及缠绕角度的顺序对碳纤维管的性能都有较大的影响。例如,当碳纤维管材应用于传动轴之类产品时,在横截面上要产生相对运动,与轴向呈0°的铺层可以减小横截面间的相对运动;±45°铺层有利于提高轴的抗扭性能;90°方向铺层在初始扭转状态可起到抵抗切应力的作用,当扭矩较大时承扭能力下降,但是缠绕工艺不能缠绕0°铺层,所以增加接近±45°和接近90°铺层角度的比例,都有利于提高碳纤维管材的抗扭强度。同样,缠绕的厚度和缠绕角度的顺序对碳纤维管材的性能影响也有相关的变化规律可循。

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卷制铺层的设计参数

  卷制成型中,卷制厚度、卷制角度以及据卷制角度的顺序对碳纤维管的性能都有较大的影响。例如,当碳纤维管材应用于传动轴或大型无人机方向舵之类产品时,在横截面上要产生相对运动,与轴向呈0°的铺层可以减小横截面间的相对运动;±45°铺层有利于提高轴的抗扭性能;90°方向铺层在初始扭转状态可起到抵抗切应力的作用,增加环绕强度;当扭矩较大时承扭能力下降,所以还需增加0°铺层,有利于提高碳纤维管材的抗扭强度。同样,卷制的厚度和卷制角度的顺序对碳纤维管材的性能影响也有相关的变化规律可循。

抽真空的重要性

  在卷制特殊、高精度、高强度、大直径的碳管过程中,为了保证碳管的产品质量和减少内部缺陷,很有必要在管制工艺和固化工艺过程中对产品进行抽真空处理。卷制工艺过程中至少需要抽真空半小时以上,并根据碳管的厚度要求相应调整抽真空次数;在固化工艺过程中则需要全程抽真空。以直径40mm,长度1000mm,壁厚1.5mm的碳管为例,经过此番处理之后,碳管的承重可以达到1.8吨的力以上。

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脱模的技术要点

  为了便于脱模,一般会在缠绕之前就在芯模的表面涂刷脱模剂,但是在高性能碳纤维管的制造中,有机类脱模剂在固化过程中易渗入树脂中,对管材成品造成伤害,影响到管材的性能。为避免这种情况,选择含氟的脱模剂能有效减少缺陷的产生。芯模需要反复使用,如果在脱模时使用车加工或钳工的方式去除封头,会对芯模表面造成损伤,遇到这种情况需利用耐高温胶黏剂补平伤口或采用焊接的方式,再磨削到位,否则会直接影响到下一批碳纤管的制品质量。

  从理论上讲,碳纤维管材比传统金属管材具有更多的性能优势,如强度高、耐腐蚀、热膨胀系数小、抗蠕变、自润滑、耐疲劳、使用寿命长,还能吸能抗震,较关键的是其密度小质量轻,能比同样的钢制管材减重80%以上。但是从应用情况看,碳纤维管材能否真正体现出以上的性能优势,还是由实际生产中的诸多技术因素决定的。

(康飞新材料整理)


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