В последние годы как внутри страны, так и за рубежом появились новые технологии формования изделий из термопластичных композитов, армированных углеродным волокном. Эти технологии включают автоматическое размещение волокон, ультразвуковое формование для быстрой консолидации, лазерное формование для консолидации, электронно-лучевое отверждение, вакуумное формование и 3D-печать. Несмотря на высокую эффективность, низкую стоимость, низкое энергопотребление и высокую степень автоматизации, которые предлагают эти новые технологии формования, традиционные методы по-прежнему играют значительную роль из-за текущих технологических ограничений в применении углеродного волокна.

Термопластичные смолы, такие как PEEK, ПИ и ППС, обладают высокой коррозионной стойкостью, устойчивостью к повреждениям, ударопрочностью и вязкостью разрушения. Они также размягчаются и тают при нагревании, что позволяет использовать их повторно. В сочетании с высокопрочным углеродным волокном эти термопластичные композиты, армированные углеродным волокном, быстро стали популярными в аэрокосмической, военной и гражданской сфере. Со временем были разработаны различные процессы формования углеродного волокна. Саксобран Новый материалКо., ООО специализируется на производстве композитных изделий из углеродного волокна и сравнила преимущества и недостатки нескольких широко используемых и зрелых методов формования.

Процесс формования в автоклаве

При автоклавном формовании в автоклаве используется высокотемпературный сжатый газ для нагрева и давления на предварительно уложенные препреги, придавая им форму. Этот метод широко используется для интегрального формования композиционных материалов на основе смол и имеет важное значение в промышленном производстве. Например, 80% конструктивных деталей из термопластичных композитов, армированных углеродным волокном, используемых в фюзеляже самолетов, рулях направления, рулях высоты, обшивке крыльев и хвостовом оперении, изготавливаются с использованием автоклавного формования.

В процессе автоклавного формования препрег запечатывается в вакуумный пакет внутри формы, обеспечивая равномерное давление сжатого воздуха во всех направлениях. Высокоскоростной поток сжатого воздуха внутри автоклава обеспечивает равномерный нагрев как на стадии нагрева, так и на стадии охлаждения. Кроме того, стабильное давление и температура внутри автоклава обеспечивают низкую пористость и равномерное распределение волокон в композитных изделиях. Таким образом, термопластичные изделия, армированные углеродным волокном, формованные в автоклаве, демонстрируют равномерное распределение давления/тепла и стабильное качество, что делает этот метод подходящим для производства больших и сложных конструкционных деталей. Однако к недостаткам можно отнести громоздкость и сложность оборудования, высокое энергопотребление, значительные инвестиционные и производственные затраты, низкий КПД.

Процесс компрессионного формования

Компрессионное формование включает в себя различные этапы, такие как пластификация материала, заполнение полости формы и отверждение смолы. Во время течения термопластичного композитного формовочного материала, армированного углеродным волокном, в полость формы необходимо, чтобы как термопластичная смола, так и армирующее высокопрочное углеродное волокно текли, что приводит к более высокому давлению формования по сравнению с другими методами. Для этого процесса требуется гидравлический пресс, способный контролировать давление, а также высокопрочные, высокоточные и устойчивые к высоким температурам металлические формы. Компания Уси Чжишан Новый Материал обычно использует методы автоклавного и компрессионного формования для производства термопластичных композитных изделий, армированных углеродным волокном.

Изделия, армированные термопластичным углеродным волокном, изготовленные прессованием, демонстрируют низкое внутреннее напряжение, минимальную коробление, гладкую поверхность, высокую точность размеров, стабильные механические свойства, низкую усадку и хорошую повторяемость. Этот метод подходит для формования крупных плоских изделий с высокой эффективностью производства и возможностью формовать сложные конструкции за один раз, что облегчает массовое производство, специализацию и автоматизацию. Однако сложность и высокая стоимость изготовления форм, длительные циклы формования и проблемы с достижением полного заполнения формы являются заметными недостатками при использовании углеродного волокна.

Процесс намотки нити

Накальная намотка предполагает предварительный нагрев пропитанных смолой непрерывных высокопрочных углеродных волокон и намотку их на оправку. Непрерывное нагревание и применение давления консолидируют препрег в единую структуру, слой за слоем формируя желаемый компонент. Такие факторы, как температура нагрева, метод намотки, экструзионный зазор, температура смолы и натяжение намотки волокна, напрямую влияют на качество продукции.

По сравнению с автоклавным процессом намотка накаливания более удобна для механизированного производства и позволяет регулировать прочностные характеристики углеродного волокна путем изменения схемы намотки. Однако из-за неспособности углеродных волокон плотно прилегать к поверхности оправки при намотке этот метод непригоден для изготовления деталей с вогнутыми или выпуклыми поверхностями.

Процесс пултрузии

Пултрузия включает пропитку высокопрочных углеродных волокон смолой и протягивание их через матрицу, где им придают форму и отверждают под давлением, образуя непрерывные отрезки композитных изделий. Этот процесс подходит для производства непрерывных компонентов постоянного сечения, то есть можно производить только линейные профили, а не конструкционные детали сложной формы. Кроме того, из-за анизотропных свойств продуктов их поперечная прочность ограничена, что создает ограничения для применения в продуктах, армированных углеродным волокном.

Для крупномасштабного производства линейных термопластичных изделий, армированных углеродным волокном, этот процесс обеспечивает высокую автоматизацию, низкое энергопотребление, высокое содержание углеродного волокна, стабильное качество продукции и низкий расход сырья. Это предпочтительный метод для производства определенных типов продукции.

Новые технологии

В последние годы во всем мире появилось множество новых технологий формования изделий из термопластичных композитов, армированных углеродным волокном. К ним относятся автоматическое размещение волокон, быстрая ультразвуковая консолидация, лазерная консолидация, электронно-лучевое отверждение, вакуумное формование и 3D-печать. Эти новые технологии обеспечивают высокую эффективность, низкую стоимость, низкое энергопотребление и высокую степень автоматизации. Однако, учитывая нынешний технологический уровень в Китае, сохраняется значительный разрыв в исследованиях и практическом применении по сравнению с развитыми странами. В течение значительного периода времени традиционные методы формования будут оставаться важными для производства конструкционных деталей из термопластичных композитов, армированных углеродным волокном, и других изделий из углеродного волокна.