碳纖維管材的質(zhì)量由哪些工藝要素決定?
碳纖維管材的質(zhì)量良莠不齊,有的甚至是魚目混珠,有的管材僅是外包覆3k碳纖維,內(nèi)部卻混雜了玻纖的成分,直接影響了管材的質(zhì)量,并為后續(xù)的應(yīng)用設(shè)備和生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重的安全隱患和不可估量的經(jīng)濟損失。以下就是影響到碳纖維管材質(zhì)量的幾個工藝因素,以供咨鑒。
工藝的區(qū)別
碳纖維管材一般采用拉擠、纏繞、卷制等方式制成,這幾種工藝各有利弊:拉擠成型容易實現(xiàn)纖維的連續(xù)性,但不能實現(xiàn)纖維角度的任意變化;纏繞工藝能夠按產(chǎn)品的受力狀況設(shè)計纏繞規(guī)律,能充分發(fā)揮出纖維的強度,最大限度地保證了管材所要求的結(jié)構(gòu)性能,但是纏繞成型適應(yīng)性小,不能纏任意結(jié)構(gòu)形式的制品,特別是表面有凹的制品,因為纏繞時,纖維不能緊貼芯模表面而架空;卷制工藝機械自動化程度高,管材成品在強度上比拉擠工藝要高,外觀也能做出3k編織紋路,適用的范圍更廣,相對來說成本也要高一些。
原材料的選擇
既然碳纖維管材的強度是由其中的碳纖維材料決定的,因此,用于碳纖維管材制造的碳纖維材料本身的質(zhì)量尤為重要。來自于日本東麗、臺塑等世界一流碳纖維生產(chǎn)商的產(chǎn)品質(zhì)量還是比較可靠的,不同系列的碳纖維碳紗在力學(xué)性能和成本上差別也很大,最終決定了碳纖維管的性能和價格。除此之外,樹脂的選擇也不容忽視,樹脂的主要作用是把碳纖維粘在一起,分配碳纖維間的載荷,保護碳纖維不受環(huán)境影響,樹脂基體的選擇必須遵循固化方便、粘附力強、收縮性低、力學(xué)性能好等原則。
芯模的材質(zhì)
不同材料制成的芯模對管材的表面精度及性能有一定的影響。有些低端的碳纖維管生產(chǎn)采用聚乙烯醇-砂、木-玻璃鋼等材料制作纏繞芯模,但是這些材料或是難耐150℃以上的固化溫度,或是工藝水平過于粗糙,難以制作出高質(zhì)量的碳纖維管。相比較而言,鋼和硬鋁是兩種較為常用的芯模材料,鋼的密度和硬度都比硬鋁大,但鋼的熱膨脹系數(shù)不及硬鋁。高性能碳管需要在高溫下進行固化,環(huán)氧樹脂體系的固化溫度也可達170℃。在此種情況下,硬鋁熱膨脹產(chǎn)生的固化內(nèi)壓,能很好地提高碳管的密度和力學(xué)性能。
芯模的設(shè)計
除了芯模本身材料外,其筒身部分設(shè)計與碳纖維管的長度也有直接聯(lián)系。如果碳纖維管長度較短,芯模的筒身部分可以制成等直徑,如果管材長度要求比較長,在機床的加工精度及脫模等因素的制約下,等直徑的長筒身應(yīng)用困難,因此,采用帶錐度的芯模筒身較為適宜。另外,在已知產(chǎn)品長度的基礎(chǔ)上再加長10-20mm,便于后續(xù)的機械加工操作。對于長度與直徑比值較大的碳纖維管來說,采用兩段芯模對接和螺旋纏繞的方式,減小其直徑的波動范圍,可縮小碳纖維管兩段內(nèi)外徑差距。
纏繞的設(shè)計參數(shù)
纏繞成型中,纏繞厚度、纏繞角度以及纏繞角度的順序?qū)μ祭w維管的性能都有較大的影響。例如,當(dāng)碳纖維管材應(yīng)用于傳動軸之類產(chǎn)品時,在橫截面上要產(chǎn)生相對運動,與軸向呈0°的鋪層可以減小橫截面間的相對運動;±45°鋪層有利于提高軸的抗扭性能;90°方向鋪層在初始扭轉(zhuǎn)狀態(tài)可起到抵抗切應(yīng)力的作用,當(dāng)扭矩較大時承扭能力下降,但是纏繞工藝不能纏繞0°鋪層,所以增加接近±45°和接近90°鋪層角度的比例,都有利于提高碳纖維管材的抗扭強度。同樣,纏繞的厚度和纏繞角度的順序?qū)μ祭w維管材的性能影響也有相關(guān)的變化規(guī)律可循。
脫模的技術(shù)要點
為了便于脫模,一般會在纏繞之前就在芯模的表面涂刷脫模劑,但是在高性能碳纖維管的制造中,有機類脫模劑在固化過程中易滲入樹脂中,對管材成品造成傷害,影響到管材的性能。為避免這種情況,選擇含氟的脫模劑能有效減少缺陷的產(chǎn)生。芯模需要反復(fù)使用,如果在脫模時使用車加工或鉗工的方式去除封頭,會對芯模表面造成損傷,遇到這種情況需利用耐高溫膠黏劑補平傷口或采用焊接的方式,再磨削到位,否則會直接影響到下一批碳纖管的制品質(zhì)量。
從理論上講,碳纖維管材比傳統(tǒng)金屬管材具有更多的性能優(yōu)勢,如強度高、耐腐蝕、熱膨脹系數(shù)小、抗蠕變、自潤滑、耐疲勞、使用壽命長,還能吸能抗震,最關(guān)鍵的是其密度小質(zhì)量輕,能比同樣的鋼制管材減重80%以上。但是從應(yīng)用情況看,碳纖維管材能否真正體現(xiàn)出以上的性能優(yōu)勢,還是由實際生產(chǎn)中的諸多技術(shù)因素決定的。