連續(xù)碳纖維熱塑性復合材料的加工技術(shù)總結(jié)
熱塑性碳纖維復合材料的制備難度較高，不僅要選擇能夠提高纖維與基體界面強度的上漿劑，而且還要選擇合理的制備工藝。目前業(yè)內(nèi)主流的工藝有熔融浸漬法、泥漿法等。無論是哪一種工藝，其中牽扯到的設備、技術(shù)和經(jīng)驗要求較熱固性碳纖維都更具難度一些。
但考慮到熱塑性碳纖維復合材料具備的各種性能優(yōu)勢，只要科技水平勉強可以達到制備標準，相信再困難再繁復，也會有眾多的學者和機構(gòu)爭相嘗試，一旦突破，就可能成為材料界的一個傳奇。
熱塑性碳纖維復合材料中，以連續(xù)碳纖維增強熱塑性高分子復合材料的性能最優(yōu)，連續(xù)形態(tài)的碳纖維更好的繼承了碳纖維的各項機械性能，因此業(yè)內(nèi)多種實驗和嘗試，大部分集中于此。
連續(xù)碳纖維熱塑性復合材料可加工成外形各異但強度極高的工業(yè)零部件，可以為航空航天、軌道交通、尖端醫(yī)療等領域的科技探索提供強大的助力。想要將連續(xù)碳纖維熱塑性復合材料加工成需要的產(chǎn)品，需要深刻了解該型復合材料的性能優(yōu)劣，以此歸納出可行的加工方式。
連續(xù)碳纖維熱塑性復合材料可進行熱壓成型加工
由于熱塑性高分子的熔融與凝固過程僅涉及物理變化，無需經(jīng)過化學反應固化，這使熱塑性復合材料不僅可以采用熱固性復合材料的加工方式，同時也具備快速加工的可能。除了基礎的熱壓成型外，熱塑性碳纖維復合材料還可以使用沖壓成型的加工方式。
1、熱壓成型：熱塑性復合材料的熱壓成型是將預浸料在模具中鋪覆后，經(jīng)加溫加壓成型的技術(shù)，熱壓成型操作簡單、質(zhì)量穩(wěn)定，是最為普遍適用的熱塑性復合材料快速成型技術(shù)。目前已經(jīng)發(fā)展成為一項成熟的熱塑性復合材料零件制造加工技術(shù)，并已經(jīng)在多種型號的民用機上成熟應用。
2、沖壓成型：沖壓成型是連續(xù)纖維增強高性能熱塑性復合材料加工成型的一種常見方法。沖壓成型工藝的成型周期短(數(shù)分鐘計)，生產(chǎn)效率高，另外沖壓成型工藝可以制造出高強、高韌性的熱塑性碳纖維零部件。
沖壓成型過程簡述：首先對連續(xù)纖維復合材料預浸料進行裁剪鋪層，之后放置于烘箱中加熱到高于基體熔融/軟化溫度約20~40℃。然后，將已加熱的多層預浸料預成型體迅速轉(zhuǎn)移到配有特定模具的閉合速度可控的壓機中。當壓機閉合時，預浸料變形貼合模具，其中熔融的基體在模具內(nèi)壓力作用下流動并填滿模腔。之后，在整個冷卻固結(jié)過程中保持一定壓力，當模具的溫度冷卻到基體的熔融/軟化溫度以下時，基體會迅速冷卻固化。
連續(xù)碳纖維熱塑性復合材料可進行焊接加工
熱塑性碳纖維復合材料的熱重塑特性，使其具備了一項特殊的加工方法——焊接。焊接加工，又稱為熔融連接，是通過將熱塑性樹脂作為焊料，經(jīng)熔融后冷卻將復合材料特定表面進行粘合的裝配工藝。
熱固性碳纖維復合材料制成的工業(yè)零部件，采用的連接方式為膠接、機械連接和預埋，而熱塑性碳纖維復合材料有了新的選擇。與傳統(tǒng)的膠接和機械連接相比，焊接技術(shù)與基體匹配性更好，焊接加工的速度更快，效果更好。
根據(jù)產(chǎn)熱機制不同，目前可以將焊接技術(shù)分為超聲焊、感應焊、電阻焊及微波焊等。其中，電阻焊對設備要求較低，技術(shù)成熟度最高，能量獲取方式簡單，工藝控制簡便可靠，材料體系適用性強，適用于大尺寸結(jié)構(gòu)件的焊接，因此得到了廣泛的應用。
連續(xù)碳纖維熱塑性復合材料可進行自動鋪放加工
熱塑性碳纖維復合材料未來的一大應用方向就是飛機制造，飛機機翼、襟翼、尾翼，還有表面的蒙皮都可以以此材料混合其他材料來制作，這就牽扯到一個重要的問題，那就是如何提高加工效率？
不管是熱固性還是熱塑性碳纖維，它們都存在一個弊端，那就是批量加工難度較高，產(chǎn)能無法大幅提升。針對此問題，科研和技術(shù)人員提出了對應的解決方案，即利用自動鋪放技術(shù)進行自動化加工處理，利用機器和程序代替手工作業(yè)，解放產(chǎn)能，實現(xiàn)加工效率的飛速提升。
自動鋪放技術(shù)原理是鋪放頭按一定的運動規(guī)律，以一定的角度輸送預浸絲/預浸帶，并通過恒定速率的壓輥壓在模具表面，實現(xiàn)復合材料鋪疊自動成型。在鋪放過程中，首先使用加熱裝置加熱預浸絲/預浸帶，然后用壓輥對預浸絲/預浸帶施加壓力，預浸絲/預浸帶在高溫高壓環(huán)境下實現(xiàn)原位固結(jié)。采用自動鋪放技術(shù)，可顯著降低生產(chǎn)成本和縮短加工時間。自動鋪放不受加工場地和零件大小的限制，且復合材料構(gòu)件在鋪放過程中一次成型，適合于大尺寸曲面構(gòu)件的鋪貼和成型。
自動鋪放加工可以完成重復性較高的工作，同時根據(jù)程序的升級，可以完成復雜性更高的工作，但是在實際運行中還是會存在很多bug，需要修復和反復驗證。鋪放速度、鋪放壓力、鋪放溫度等多項參數(shù)需要經(jīng)過大量的調(diào)控，才能將自動鋪放加工的效果達到期望的水平。
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