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碳纖維幾種常見加工方式的特點及成本控制方案
閱讀：3477 發布時間：2020-11-28
與大多數金屬材料相比，碳纖維復合材料的比強度(單位重量的強度)更高，雖然碳纖維復合材料單位重量的前期成本高于大多數金屬，但碳纖維復合材料的總生命周期成本較低。碳纖維常見應用方式及成本控制如下：
一、碳纖維預浸料
碳纖維預浸料是一種典型的航空復合材料結構。預浸料是用環氧樹脂或其他樹脂預浸的單向碳纖維板。這些預浸料在室溫下是柔韌的，并且隨著溫度的升高變得更加柔韌。
在高溫下，環氧樹脂固化并硬化成剛性，形成結構的終形狀。由于預浸料在固化溫度以下的柔韌性，可以將這些層片堆疊并彼此疊置，然后將層壓板固化。熱塑性基體材料也可用，這些也可以形成預浸料。
使用熱塑性樹脂也可以加工預浸料，但不同的是熱塑性材料不會固化，在高溫冷卻時會結晶，使其變得堅硬。如果再加熱熱塑性復合材料，可以重新形成或修復材料，而環氧樹脂基體系一旦固化，它們仍然是剛性的。
還需要注意的是，環氧樹脂基預浸料在使用前需要保存在冷凍室中，因為在室溫下固化也會緩慢進行。環氧樹脂預浸料在冰箱中有保質期，超過保質期就不能使用。
熱塑性材料則不受此限制，因為它們在使用前可以在室溫下儲存。熱塑性塑料通常比環氧樹脂更貴，但環氧基復合材料需要額外的運輸和儲存成本。根據使用情況和制造方法，與環氧樹脂基系統相比，熱塑性復合材料的總生產成本可能更高或更低。
二、層合板加工工藝
為了制造復合材料層壓結構，需要一個工具表面，在該工具上面放置各個預浸料層，而且工具加工成本很高。鋼制模具也可能導致問題，因為鋼的膨脹速度遠遠高于復合材料，因此，在加熱到固化溫度時，這種熱膨脹失配可能導致復合材料的翹曲問題。
為此，復合材料行業開發出了易于加工、具有與復合材料相似的熱膨脹性、在反復的加熱和冷卻循環下能很好支撐的復合模具材料。與機械加工的鋼制模具相比，復合材料模具具有更高的投資回報率，因此這對于較小的批量生產而言更具吸引力。
層壓板通常采用手工鋪層工藝制造。切割預浸料層后，將其放置并堆放在工具表面上。手工疊放提供了很大的靈活性，在原型設計階段非常有用，但對生產操作來說效率非常低。
三、自動化鋪層
在過去的二十年中，自動化疊層設備已經被開發并廣泛應用于航空航天生產。一些設備制造商已經開發出了自動膠帶鋪放(ATL)和自動纖維鋪放(AFP)設備。這些基本上是機器人系統，將膠帶或纖維拖放到工具表面。這些機器比手糊系統快得多，需要的人力更少，而且更具可重復性。
計算機軟件可用于將層壓板配置的計算機輔助設計(CAD)文件轉換為機器編程，以運行AFP/ATL機器，其方式與計算機輔助加工(CAM)軟件目前用于加工零件的方式相同。
其他自動化系統可用于拉擠復合材料梁、纖維纏繞、熱成型、簾布層切割和纖維貼片放置等。所有這些系統都通過以可靠且可重復的方式顯著降低了勞動力成本并提高了生產量，從而降低了復合結構制造的總體成本。
四、直接加工工藝
直接加工方法是另一種利用復合材料的材料特性，同時降低零件生產成本的方法。其中一種方法是將樹脂注入干燥的層壓板或織物上。在這里，不是用樹脂預浸漬纖維板，而是將纖維結構放置在工具中，然后將樹脂注入結構中。
可以使用上面帶有少量塑料的纖維帶和織物，這樣它們就可以在樹脂注入之前粘在相鄰的層上以將結構固定在一起。然后將模具封閉在纖維預制件上，樹脂在樹脂傳遞模塑(RTM)過程中在壓力下注入工具，或使用真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)過程拉入工具。RTM和VARTM均在高溫下進行，以幫助樹脂流入預制件。一旦樹脂*浸透了預成型物，它就被固化以硬化結構。
該工藝也可用于熱塑性基體材料，其中熱塑性材料在冷卻時變硬，但如果需要，可重新加熱進行改造。直接加工處理方法可以通過消除整個過程中的一些步驟來顯著降低成本。干纖維預制件通常比鋪設預浸料層壓板的成本更低。預制件還可以結合編織、織物或縫合，在結構中創建更多的三維纖維結構。灌注和固化過程可以一步完成，節省時間和成本。
五、短切碳纖維注塑成型
短切纖維也可以包含在用于注塑成型的熱塑性材料中。傳統的注塑塑料和設備可用于大批量、低成本的生產。在熱塑性塑料中加入短切纖維，可以為注塑件提供附加的剛度和強度，從而降低注塑件的整體重量，滿足結構要求。注塑模具的成本可能很高，并且纖維會增加模具的磨損，因此僅適用于大批量應用。
六、增材制造(3D打印)技術
增材制造是另一種可以降低總體結構成本的技術。增材制造涉及一層一層建立結構的制造過程，可以說復合材料是原始的增材制造工藝，在該工藝中，通過手工鋪層來形成結構。這些年來，已經開發了多種增材制造技術和方法，并且企業正在積極探索和實施該技術。
AFP/ATL工藝顯然是復合層壓板結構的增材制造方法。這些過程將繼續使用更復雜的機器人系統進行完善，以創建具有連續纖維的復雜三維幾何形狀。另外，將短切纖維摻入現有的增材制造方法中以產生復合材料結構。
熔融沉積建模(FDM)和選擇性激光燒結(SLS)都具有摻入短切碳纖維的能力，從而使部件比僅使用塑料的部件更硬、更堅固、重量更輕。這些方法特別適用于托架、風道和手柄，在這種情況下無需工具即可創建復雜形狀的功能具有明顯的成本優勢。