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碳纤维管材加工与生产

 1.概述

又称碳素纤维管,也称碳管、碳纤管,这种材料是用碳纤维复合材料预浸入苯乙稀基聚脂树脂经加热固化拉挤缠绕做成的,碳纤维具有高强度、低密度、寿命长等特性,简单的说,比铝轻,比钢硬,是良好的民用、军用材料。近年来,我国在碳纤维方面的研究和利用也在突飞猛进地发展,碳纤维管作为应用最早、最广泛的碳纤维制品已被许多行业所接受,这些行业在积极主动使用碳纤维管作为原有金属制品的替代品,以期获得产品质量的提升。本文就针对碳纤维管的优势、加工方法及应用做一个综合性的论述。

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2.碳纤维管材的优点

2.1耐腐蚀、抗老化,使用寿命长。

碳纤维材料能耐酸、碱、盐、部分有机溶剂及其它腐蚀性侵蚀,在防腐蚀领域有其它金属无法比拟的优越性,除此之外,其还有较好的耐水性和抗老化性,因此无论在腐蚀性的环境、恶劣的气候还是潮湿的环境中,碳纤维管材的使用寿命都可达到25年以上。

2.2重量轻、强度高。

碳纤维管材密度小、重量轻,其比重仅是钢材的四分之一,但是其抗拉强度很高,可达到3000MPa以上,是钢材的6-12倍,是塑料制品的几十倍。碳纤维管材轻质高强的特性,使其在运输和施工安装都具有显著的优势。

 

2.3表面光滑美观,可设计性强。

碳纤维管材是采用碳纤维复合材料预浸入苯乙稀基聚脂树脂经加热固化拉挤(缠挠)而成。在制作过程中,可以通过不同的模具生产出各种型材,如:不同规格的碳纤维圆管,不同规格的方管,不同规格的片材,以及其它不规则异型材,具有一定的设计性。经过打磨喷漆,其表面显得光滑美观,在制作过程中也可以包3K进行表面包装美化。

 

3.碳纤维管材的规格

碳纤维管材的型号规格多样,按成型工艺不同可以分为拉挤管和缠绕管;按纹路不同可以分为平纹、斜纹和纯黑;按表面处理不同可分为亮光、哑光;按形状不同可以分方管、圆管和异形管,其中异型管包括椭圆管、工字管、半圆型管等。一般的碳纤维管材的直径有10mm-800mm,长度最长可达10m。拉挤空心管1-25mm,壁厚0.5-5mm,拉挤实心管(棒)直径0.5-30mm,编制空心管直径1.0-70mm,壁厚0.5-5mm。

4.碳纤维管材的制作方法

4.1内芯模具的制作。

内芯模具要根据客户对管材规格的要求进行制作,因为纤维缠绕时受到压紧力,要求其集合形状基本保持不变,因而在芯模原材料的选择上,最好选择具有良好刚性的金属材料,如钢和硬铝,钢的密度比硬铝大,其硬度也比硬铝大,但钢的热膨胀系数不及硬铝。而高性能碳管制品是在高温下进行固化的,如果采用硬铝芯模,可通过硬铝热膨胀产生的固化内压,提高碳管的密度和力学性能。所以在高性能碳管的缠绕工艺中,芯模宜选用金属材料,而硬铝则是首选材料。

芯模的封头设计尽量使用扁椭球式,这种形状可以保持筒身部分缠绕均匀,无堆积现象,防止出现“滑移“和“架空“现象。芯模的筒身部分可以制成等直径,但是如果制品长度很长,同时考虑到机床的加工精度以及脱模等条件的限制,等直径的筒身部分在应用中也许会存在困难,但是如果采取带锥度的芯模就可以解决这个问题,实验证明,1:1500-3500的锥度加工芯模筒身比较适宜。对较长的制品,制作芯模时可考虑分段对接芯模,以确保制品尺寸稳定。

通常在缠绕之前要在芯膜表面涂刷脱模剂,以便于之后的脱模,但是对于高性能碳管,有机类脱模剂在固化过程中易渗入树脂中,造成制品缺陷,影响制品性能。如果在芯模表面涂覆一层含氟的脱模剂,就可以消除这种缺陷。

 

4.2根据规格要求,设计纤维层叠方式。

首先确定要做的板材厚度,按照厚度算出需要的层数,然后按照0°、45°、90°、-45°的顺序叠层,然后模压成型。

4.3将纤维层卷到内芯模具, opp卷制包裹。

4.3.1碳纤维管的加工成型方法主要涉及以下三种:缠绕成型法,将碳纤维单丝缠绕在碳纤维轴上,特别适用于制作圆柱体和空心器皿;挤拉成型法,先将碳纤维完全浸润,通过挤拉除去树脂和空气,然后在炉子里固化成型,这种方法简单,适用于制备棒状、管状零件等;真空袋热压法,在模具上叠层,并覆上耐热薄膜,利用柔软的口袋向叠层施加压力,并在热压罐中固化。

 

4.3.2在碳纤维管的实际加工过程中,最基本的加工成型方法是缠绕法,这种方法易于实现机械化、自动化,比起其他方法,具有劳动条件好、劳动强度低、产品质量稳定、生产成本低等特点,所以应用十分广泛。具体方式又称为湿法缠绕,即将浸胶后的碳纤维集束,在一定张力控制下直接缠绕在芯膜上的工艺方法。其原理是采用卷管机上的热辊使预浸料软化,熔化预浸料上面的树脂胶粘剂。在一定张力下,在辊的旋转操作过程中,利用辊和心轴之间的摩擦,将预浸料连续卷到管芯上,直至所要求的厚度,然后通过冷辊冷却定型。根据成型工艺中预浸料的上料方法,可分为手动上料法和连续机械方法。缠绕线型的方法是保证碳纤维缠绕产品质量的重要前提,管道的使用情况不同,缠绕线型也不同,具体线型有环向缠绕、纵向平面缠绕和螺旋缠绕三种。

4.3.3缠绕成型法的基本操作过程是:首先,清理辊筒,然后热辊加热到设定温度,调整预浸料张力。在辊筒上不施加压力,将引布先在涂有脱模剂的管芯上包绕一圈,然后放下压辊,将引头布在热辊,同时将预浸料拉出来,贴在加热部分头布,与引头布相搭接。引头布的长度约为800-1200mm,视管径而定,引头布与胶布的搭接长度,一般为150-250mm。

在卷制厚壁管时,在正常运行时,将芯模的旋转速度适当加快,靠近壁厚度设计放慢速度,以达到设计厚度,切断胶布。然后在保持压辊压力的情况下,继续使芯模旋转1-2圈。最后提升压辊,测量管坯外径,合格后,从卷管机上取出,送入固化炉中固化成型。

 

4。4烘烤硬化,去OPP,脱芯。

将定型好的卷料从卷绕机取出,在固化炉中固化。管材固化后,去除芯模型,即可以得到复合材料缠绕管材,这个过程也叫固化脱模。在脱模过程中,车加工或钳工去除封头,再脱下制品,这有可能损及芯模表面,影响芯模的反复使用,可以利用耐高温胶粘剂补平或者焊接再磨削到位。

4。5 两端切去不光滑平整的部分,经过多道工序进行打磨、抛光。

初步完成的碳纤维管还需要进一步加工,首先根据成品的规格,将半成品的两端多余部分去除,形成统一整齐的切面,然后经过专业打磨机和人工手工打磨、抛光,才能形成光滑而有光泽的表面。

 

5.碳纤维管的连接方法:

碳纤维管的连接方式有以下几种:

最常用的是用环氧树脂来连接,连接成功后如果管子里面一般会有残留的树脂,可以用丙酮清洗干净。

其次,利用碳纤维管自身的结构来连接也比较常见。用碳钛复合接头在碳纤维管成型的过程中进行复合连接,不过,在连接的时候必须要考虑好受力的方式和连接件的结构。

另外,还可以用钻孔连接,只不过碳纤维管的强度大,硬度高,钻孔很不容易,不小心就会导致管子裂开,所以对操作水平有较高的要求。

碳纤维管也可以用粘胶的方式连接,相对比较简单,要是使用机械方式就很困难,因为碳纤维产品本身的强度和硬度,很难找到比它性能好的加工工具,即便有也非常昂贵,而且磨损比较快。

6.碳纤维管的应用

碳纤维管材的应用范围非常广泛,其轻而强的力学特性和耐疲劳性,使其适用于航空、航天、建筑、机械设备、军工、体育休闲等结构材料;其耐腐蚀、耐热、垂直度好(±0.2mm)、机械强度高的特性,使产品适用于线路板印刷设备的传动轴及医疗器械等;其强度高、抗老化,防紫外线、机械性能好的特性,适用于帐蓬、建筑建材、蚊帐、球袋、箱包、窗帘、广告展架、雨伞、风帆、健身器材、箭杆、球杆、高尔夫练习网、旗杆开关插销、水上运动器具等。碳

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