真空袋熱壓法在碳纖維復(fù)合材料假腳上的應(yīng)用

孫祁 施望喜 張一弛

摘 要：碳纖維復(fù)合材料假腳的真空袋熱壓法成型工藝是將含有樹脂的碳纖維預(yù)浸布按照特定的方向和順序鋪于模具上，放進(jìn)熱壓罐后，在一定的溫度、壓力條件下，抽真空使其固化成型。傳統(tǒng)的真空袋熱壓法只能使與模具相接觸的產(chǎn)品表面質(zhì)量較好，通過在最外層網(wǎng)紋預(yù)浸布上鋪帶孔的貼有真空袋薄膜的薄鋁板，不僅可以提高未與模具相接觸面的表面質(zhì)量，還可以提高產(chǎn)品的力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：碳纖維;復(fù)合材料;假腳;真空袋熱壓法

中圖分類號：TB33文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號：1003-5168（2020）19-0040-03

Abstract： The vacuum bag hot-pressing forming process of carbon fiber composite material prosthetic foot is to lay the carbon fiber prepreg containing resin on the mold in a specific direction and order， put it into the autoclave， under certain temperature and pressure conditions， vacuum to solidify it. The traditional vacuum bag hot-pressing method can only make the surface quality of the product contacting with the mold better. By laying a thin aluminum plate with a vacuum bag film on the outermost mesh prepreg， it can not only improve the surface quality of the product that is not in contact with the mold， but also improve the mechanical properties of the product.

Keywords： carbon fiber;composite material;prosthetic foot;vacuum bag hot- pressing method

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是以碳纖維或石墨纖維或其制品為增強(qiáng)體的聚合物復(fù)合材料[1]，與其他材料相比，碳纖維復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、比模量高、強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)異特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于汽車、醫(yī)療、航空航天和能源產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域[2]。

20世紀(jì)90年代以后，假肢技術(shù)朝著更精密、更舒適和更符合個(gè)人要求的高技術(shù)方向發(fā)展[3]。從人體動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)上看，對于患者裝配的假腳，從后跟著地到前掌蹬離時(shí)，需要具備儲(chǔ)能和釋放能量的作用，讓患者運(yùn)動(dòng)時(shí)減少體力消耗，達(dá)到省力的作用。傳統(tǒng)聚氨酯類假腳的放/儲(chǔ)能比一般在50%左右;而采用高彈性和高強(qiáng)度的碳纖維復(fù)合材料制造的假腳，其放/儲(chǔ)能比可達(dá)95%以上[4]，這讓患者在行走時(shí)更為省力，同時(shí)由于其質(zhì)量更輕，因此，碳纖維復(fù)合材料在假腳上的應(yīng)用越來越頻繁。

碳纖維復(fù)合材料的成型方法主要有模壓法、手糊層壓法、真空袋熱壓法、纏繞成型法和擠拉成型法等[5]。本文主要講述的是真空袋熱壓法成型工藝在碳纖維復(fù)合材料假腳生產(chǎn)過程中的應(yīng)用和改進(jìn)。

1 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料假腳的真空袋熱壓罐成型工藝流程

1.1 碳纖維預(yù)浸布裁剪

按照設(shè)計(jì)的假腳外形尺寸設(shè)計(jì)好所需的碳纖維預(yù)浸布的大小和數(shù)量，對碳纖維預(yù)浸布進(jìn)行裁剪，裁剪時(shí)要特別注意纖維的方向，確保偏差不能大于1°。

1.2 鋪層

在將要鋪碳纖維預(yù)浸布的模具上涂脫模劑，以便產(chǎn)品成型以后可以光滑完整地從模具上取下。然后將裁剪好的碳纖維預(yù)浸布在合適的室溫和環(huán)境中按照一定的順序和方向進(jìn)行鋪層。第一層和最后一層采用網(wǎng)紋碳纖維預(yù)浸布，在固化成型后既可以起到美化產(chǎn)品的作用，又可以增加產(chǎn)品的強(qiáng)度;中間層采用直紋碳纖維預(yù)浸布，纖維軸向要與假腳產(chǎn)品前進(jìn)方向一致。碳纖維復(fù)合材料假腳通常由兩塊固化成型后的腳板裝配而成，本工藝選取其中上腳板模具的鋪層樣式，如圖1所示。鋪層時(shí)每一層都要用橡膠棒或者刮板將碳纖維預(yù)浸布展開刮平，確保層與層之間不得有氣泡或者褶皺等缺陷。

1.3 抽真空預(yù)壓實(shí)

用毛氈包裹鋪有碳纖維預(yù)浸布的模具，使其在固化過程中能吸附排出來多余的樹脂，然后轉(zhuǎn)運(yùn)到熱壓罐內(nèi)抽真空的平臺(tái)上，再將真空袋薄膜用膩?zhàn)幽z條將四周密封好，進(jìn)行抽真空預(yù)壓實(shí)，檢查真空袋是否漏氣。圖2是抽真空預(yù)壓實(shí)階段示意圖。

1.4 熱壓罐固化成型

正式開機(jī)之前，逐一檢查各相關(guān)設(shè)備，確保各設(shè)備運(yùn)行正常、安全;然后按照階段性的溫度、壓力條件，對碳纖維預(yù)浸布進(jìn)行固化成型。本工藝設(shè)定三個(gè)階段的溫度、力條件數(shù)值，具體如表1所示，溫度壓力曲線如圖3所示。待全部階段完成并停機(jī)后，從模具上取下固化成型的產(chǎn)品。至此，碳纖維假腳的真空袋熱壓工藝流程就全部完成。后續(xù)再對固化成型的碳纖維板進(jìn)行其他加工處理和裝配，就可以得到碳纖維復(fù)合材料假腳成品。

2 真空袋熱壓法成型工藝改進(jìn)

通過將碳纖維預(yù)浸布鋪在表面光滑的模具上，利用真空袋熱壓法工藝，在高溫高壓的條件下，得到的產(chǎn)品只能確保和模具相接觸的面的表面質(zhì)量高，但另一面始終達(dá)不到較好的表面質(zhì)量精度，存在不平整、不光滑的情況，這和傳統(tǒng)的真空袋熱壓法工藝特點(diǎn)相吻合。傳統(tǒng)的真空袋熱壓法工藝被用于汽車等領(lǐng)域時(shí)，只需要確保產(chǎn)品的外表面質(zhì)量，對于內(nèi)表面，可以適當(dāng)降低表面質(zhì)量。

但是，對于碳纖維復(fù)合材料假腳來說，患者在使用過程中，不僅要突出其功能性，還要突出產(chǎn)品的美觀性，而且碳纖維復(fù)合材料假腳沒有內(nèi)外表面之分，因此，都需要達(dá)到較高的表面質(zhì)量。由此，需要對傳統(tǒng)的真空袋熱壓法工藝進(jìn)行改進(jìn)，使固化成型后的產(chǎn)品的表面質(zhì)量能達(dá)到要求。

2.1 真空袋熱壓法成型工藝改進(jìn)方法

在鋪層階段，最后一層網(wǎng)紋碳纖維預(yù)浸布鋪完后，將貼有真空袋薄膜的0.3 mm鋁板用膠帶固定在碳纖維預(yù)浸布上，且貼有真空袋薄膜的一面與碳纖維預(yù)浸布接觸，如圖4所示。需要注意的是，必須事先在貼有真空袋薄膜的鋁板上間隔一定的距離均勻打Φ2.5 mm孔。由于在碳纖維復(fù)合材料固化成型后，與貼有真空袋薄膜的鋁板接觸的一面在打孔位置有凹凸不平等缺陷，因此加工得到的碳纖維假腳需要位于兩列孔之間，并且根據(jù)模具一次成型后需要加工得到的碳纖維假腳數(shù)量確定打孔的間距。本工藝一副模具可加工7只碳纖維假腳，如圖5所示。這種方法利用0.3 mm鋁板是因?yàn)槠湟讖澢吞祭w維預(yù)浸布貼合較好，易打孔，而且有一定強(qiáng)度，能使碳纖維預(yù)浸布固化成型時(shí)承受壓力更均衡。真空袋薄膜的光滑度可以確保產(chǎn)品未與模具接觸的面也能得到較好的表面質(zhì)量，而且，通過打孔能促進(jìn)碳纖維預(yù)浸布的樹脂有效排除，進(jìn)一步提高了表面質(zhì)量和碳纖維復(fù)合材料性能。

2.2 改進(jìn)前后產(chǎn)品表面質(zhì)量與性能對比測試

在相同的溫度、壓力條件下，在相同的模具上分別采用傳統(tǒng)真空袋熱壓罐工藝即沒有帶真空袋薄膜的薄鋁板、改進(jìn)后貼有真空袋薄膜的薄鋁板但不打孔以及改進(jìn)后貼有真空袋薄膜的薄鋁板并打孔的三組對照試驗(yàn)S1、S2、S3，每組分別制備兩次樣品，在固化成型后對這三組試驗(yàn)得到的樣品的表面質(zhì)量和性能進(jìn)行對比。

2.2.1 用直接稱重法測樣品樹脂含量。在固化成型前稱量好樣品的重量[W1]，然后在不同的工藝條件下稱量固化成型后對應(yīng)樣品的重量[W2]，并事先查閱所用的碳纖維預(yù)浸布的樹脂含量H，由此即可計(jì)算得出固化成型后所含的樹脂的含量計(jì)算公式見式（1）。對于碳纖維復(fù)合板材，當(dāng)樹脂含量為23%～30.6%時(shí)，其各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均佳[6]。

[樹脂含量=1-W1W21-H×100%] ? ? ? ? ? ? ?（1）

2.2.2 測樣品的樹脂含量，拉伸和彎曲強(qiáng)度。參照《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》（GB/T 1447—2005），采用Ⅰ型試樣型式制樣，使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)測試樣品的拉伸強(qiáng)度;參照《定向纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料彎曲性能試驗(yàn)方法》（GB/T 3356—2014）制樣，使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)測試樣品的彎曲強(qiáng)度。

三組試樣按照上述方法測得的結(jié)果如表2所示。

分別比較S1、S2、S3三組試樣的表面質(zhì)量，可以看出S1組試樣表面不平整，也不光滑;S2組試樣表面光滑度較好，但是不平整;S3組試樣表面平整度和光滑度都較好。

2.3 結(jié)論

在鋪完碳纖維預(yù)浸布后，再將貼有真空袋薄膜的薄鋁板鋪在上面，在一定溫度壓力條件下固化成型，可以提高產(chǎn)品的性能，使其具有更好的拉伸和彎曲強(qiáng)度，這對碳纖維復(fù)合材料假腳的儲(chǔ)能效果也較為有利，并且還能提升產(chǎn)品表面的光滑度。

在貼有真空袋薄膜的薄鋁板上打孔，能使碳纖維復(fù)合材料假腳的樹脂含量更合理，且進(jìn)一步提高了固化成型后產(chǎn)品的性能。

參考文獻(xiàn)：

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