碳纤维圆管卷制工艺及应用优势

2019-03-30 11:09:25 康飞新材料 545

  碳纤维管材在工业领域中的应用越来越多,质量轻强度大的优势性能成为其取代传统金属管件的主要原因。卷制工艺作为缠绕工艺的一个重要分支,是树脂基碳纤维管材应用较多的成型方式之一。

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碳纤维管卷制工艺流程:

  碳纤管的卷制工艺分为以下四个基本步骤:

  预制阶段:要根据壁管的厚度确定预浸料的长度,仔细清理芯模,涂上脱模剂,然后调整芯模和预浸料的位置,准备卷制。

  卷制阶段:在卷管机运转后,匀速送料,通过压板的力量将预浸料均匀地卷到芯模上。然后将卷制好的碳纤管连同芯模一起放置于卷压机上,进一步压实预浸料,并裹覆上一层薄膜。

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  固化阶段:将压实的碳纤管从压管机上取出,送入固化炉中固化成型。管材固化后,去除芯模型,即可以得到碳纤维管材的初始形态。

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  加工阶段:将除去表面覆膜的碳纤维管材放置于打磨机中对其表面进行打磨,使其光滑平整,然后喷漆,这个环节之后,还需要二次精磨,并根据产品需要的尺寸进行精加工,直到达到管材的较终要求。

  采用卷制工艺生产的碳纤维管较长可达3.1m,直径较大可达150mm,除此之外,针对有大口径管材需求的客户,还可采用其他工艺生产,理论上可生产500mm口径管材,能基本满足现阶段工业领域对碳纤维管材的需求。

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碳纤维管的张力优化设计

  碳纤维管的生产工艺看似简单,但是实际的成品质量却存在着很大差异,例如,市场上很多碳纤维圆管在做孔加工时,很容易呈现出分层、管壁碎裂等情况,这都是和管材本身性能有关。因为在管材内部施加压力时,产生的环向应力必须要大于轴向应力,提高环向承载能力是提高管材强度的关键。如卷制时张力控制不当,内压产生的环向拉力不能均匀地作用于每层的环向纤维上,就会产生逐层破裂现象,严重影响管材质量。所以,在卷制过程中,对各层碳纤维织物的环向张力进行准确控制能有效提高碳纤维管材的承载能力。

  根据我们的实际经验和其对卷制碳纤维管的内部应力分析可以看出,在管材的卷制过程中,每新卷入一层纤维织物,都会对已卷好各层产生内压力,使前面各层的内张力下降。为使卷制管材环向拉伸能力达到较佳,必须使较终卷制的各层纤维织物处于等内张力状态。因此卷制时首层外张力必须较大,然后控制外张力随半径增大依次递减。

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  对碳纤维管材张力优化的关键是找出卷制半径逐渐增大时施加于纤维织物上的张力变化规律。在用该张力进行卷制完成后,要使得管体内部各处的环向应力均相等,当进行内压爆破时,各层环向纤维能同时均匀受力,这样就能实现纤维强度转化率的有效提高。

影响碳纤维管性能的因素和应用优势:

  影响卷制碳纤维管材性能的主要因素是碳纤维纱料、树脂基体以及卷制工艺过程中的温、湿度等。卷制碳纤维管材的拉伸强度,不仅取决于纤维的强度,层间粘接强度的高低,也决定了产品的综合性能,影响产品的使用寿命,因此制造工艺中的很多细节都很重要。例如,卷制时固化温度的高低是树脂流动性的主导因素,对流动性的适当掌控能减少或避免管材表面出现微型气泡和微型空隙,增加层间粘结性。

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  根据实践数据表明,与其它管材制备工艺相比,卷制碳纤维管具有一般缠绕工艺所有的强度,而且工艺成型速度更快,虽然生产成本比拉挤工艺略高,但是使用这种工艺生产出的管材成品质量更好、强度更大,因此特别适合大批量的高性能圆管或厚壁类圆管的生产。

  高性能、高质量的碳纤维圆管可以广泛应用于医疗器械、体育器材、无人机、工业机械、各类辊轴中,更轻更强的材质有助于提升应用对象的综合性能,弥补金属制品过重、不耐腐蚀、较大温差下蠕变大和高能源消耗等缺陷,为更多工业机械产品的升级换代提供帮助。

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