EP/CF復合材料成型工藝分析

（廣西科技大學職業技術教育學院，廣西 柳州 545006）

EP/CF復合材料成型工藝分析

張 炯

（廣西科技大學職業技術教育學院，廣西 柳州 545006）

文章主要針對環氧樹脂/碳纖維復合材料的相關內容進行了介紹，通過對其材料特點、成型工藝以及實際的應用等方面進行論述，闡釋了在未來，復合材料成型技術必然成為時代的主導。

復合材料；碳纖維；環氧樹脂；成型工藝

1 復合材料特點分析

1.1 碳纖維。碳纖維即CF，其元素組成主要是C，碳纖維中C含量超過90%。其材料具有優良的導電性以及導熱性，并且具有高溫耐受性，另外在耐腐蝕和摩擦性能上也具有突出表現。但是不同于普通的碳素材料，CF材料的各向異性較為顯著，能夠制成各種織物，且強度較大。CF的原材料主要包括粘膠纖維，即通常所說的人造絲，聚丙烯腈纖維以及瀝青等物質。而聚丙烯腈纖維是制備高強度CF的首選材料。

1.2 環氧樹脂。環氧樹脂的力學性能較高，并且相對于其他材料加工性較強，加之粘結性好﹑收縮率低而應用于各種領域。在復合材料的制作中，環氧樹脂主要用于粘結CF材料，對CF之間的荷載進行分配，起到了保護作用。

1.3 復合材料。復合材料的性能受到原料的影響，即環氧樹脂以及碳纖維的性能以及二者之間的粘特征會對符合材料特性造成影響。從材料特性上分析，復合材料的整體性能較強，抗腐蝕性高﹑抗蠕變性能良好，并且密度﹑線膨脹系數相對較小，能夠有效抗擊分層﹑沖擊等。在目前已有的材料中，EP/CF復合材料的綜合性能較強，比強度以及比模量指標最好。在進行加工成型時，具有穩定﹑易成型的特點。

2 成型工藝

2.1 手糊成型。該成型工藝是依次在模具型腔表面涂布或鋪迭脫模劑﹑膠衣﹑粘度適中的EP和CF，手持輥子或刷子使EP浸漬CF，并將材料中的氣泡予以驅除，將基層進行壓實。通過多次的鋪層操作，對制品厚度進行控制，從而滿足成品的設計要求。通過手糊成型工藝，可以滿足室溫成型要求，無需大量投資，成本低廉，并且制品的規格沒有限制。但是該工藝也存在不可避免的缺陷，首先該工藝的勞動強度較高，且技術要求較為專業。另外材料中的一些物質可能對人體造成危害。

2.2 樹脂傳遞成型。該工藝主要將CF材料設置在上下模之間，同時利用模具進行夾緊，利用壓力進行EP材料的注射。待材料固化后，將制品取出。在進行注射的過程中需要注意，保證材料充滿模具腔，通過夾具壓力可以令EP材料迅速同CF材料結合，浸漬CF。該工藝優勢在于，可以預先對CF進行預先成型處理，后進行浸漬處理。而通過真空輔助注射的方式可以提高浸漬質量。并且，該種工藝可以再室溫條件下進行也可以在加熱條件下進行，具有較高的靈活性。且模具材料的選擇范圍也較廣，鋼材模具以及復合材料模具均可適用。但是缺陷就在于，只能進行大型制品的制作，這是由于工藝所采用設備限制。

2.3 真空袋法成型工藝。該種方式時間里在噴射成型以及手糊成型工藝之上的新型工藝。該方式的優勢就在于，成型后所得復合材料中CF含量相對較高，且鋪層技術僅采用了最普通的濕法鋪層技術；并且在加工過程中EP浸漬CF性能良好。而缺陷就在于，工藝較為復雜，因而勞動強度相對較大，而復雜的工藝也增加了成本，不利于推廣使用。并且生產所需要的技術水平相對較高，這就會對生產效率造成影響。

2.4 預浸料成型技術。首先將CF材料用EP進行預浸漬，在加壓﹑加熱以及溶劑環境下，進行預先處理。這種方式的優勢就在于能夠對EP材料同固化劑之間的配比進行精準的調整，并能夠準確控制CF中EP的含量。另外在制造過程中可以使用高粘度樹脂材料，這種材料的化學性能﹑熱性能以及力學性能等較強且應用成本較低。缺陷就在于作業速度慢且消耗過高，制品尺寸受限，因而成本相對較高。

另外，低溫固化預浸料﹑拉擠成型也是應用較多的成型工藝。

3 復合材料的應用

3.1 飛行器的輕型化。美國從F-14﹑F-15戰斗機就開始采用EP/CF復合材料，以降低結構質量，提高推力，復合材料占總結構質量的2%～3%。F-18戰斗機中先進復合材料已占總結構質量的10.3%，包括水平尾翼﹑方向舵﹑垂直穩定板﹑減速板等，由F-14和F-15的次承力結構材料逐步向主承力結構材料過渡。

3.2 輕型機槍槍架。在輕型自動武器的研制過程中，需要實現的極其重要的戰術技術指標是大幅度減輕武器系統的質量，提高武器的機動性，同時保證輕武器的射彈散布精度，尤其是連發射擊精度，以滿足現代戰爭對輕武器的戰技指標要求。目前，我國在這方面做了大量的工作，已初見成效。

3.3 新型連續抽油桿。有桿泵抽油是當前國內外應用最廣泛的機械采油技術，抽油桿是有桿泵系統中的關鍵部件，也是其中最薄弱的環節。CF具有高強度﹑高模量﹑質輕和耐腐蝕的特點，且價格穩步下降，是制備新型連續抽油桿的理想材料。以CF增強EP為主要原材料，采用拉擠成型工藝制備的新型連續抽油桿具有連續無接箍﹑橫截面小和質輕等優點，完全克服了常規鋼制抽油桿的缺點。

3.4 風電葉片。潔凈能源是全世界關心的問題，風力發電則是重要的潔凈能源之一。據估計2020年世界發電總量中，風力發電要占12%。隨著新型能源的開發利用，風力發電技術開始得到迅速發展，而復合材料也在風力發電裝置中得到了廣泛的應用，市場前景廣闊。由于風力發電設備的功率不斷增大，因而發電成本得到了進一步收縮。風力發電設備也開始向著長葉片大功率的方向發展，這就要求復合材料具有更高的性能，以保證轉子的葉片能夠承受住設備運轉的要求。這不僅僅要求葉片的設計需要改變，同時也對材料的應用提出了更高的要求。而新型復合材料性能恰恰能夠滿足這一方面的要求。

3.5 作為導電復合材料。該種材料主要由合成樹脂以及一些具有優良導電能力的材料混合煉成，成型工藝主要利用了注射成型以及擠壓成型的方式。在靜電去除以及預防帶電性能上具有巨大的優勢，在導電材料以及半導體材料領域得到了廣泛的推廣。另外EP/CF材料還被用作高精度天線以及接骨板的制作中

結語

EP/CF材料成型工藝在不斷的開發應用中得到了推廣，新技術不斷涌現，在發展的過程中其工藝向著更加便捷的方向發展，并更貼合環保這一時代的主題，成為了當前材料技術領域中的新寵兒。通過更高的生產性價比，EP/CF復合材料的應用以及成型工藝將會向著更高層次發展。

[1]于祥明.復合新材料“起跑” 碳纖維產業有望爆發[N].上海證券報，2011.

TB332

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2014年度廣西高校科學技術研究項目（編號：LX2014193）