熱塑性CF/PA6沖壓成型和3項參數(shù)的內(nèi)在關(guān)系

    熱塑性碳纖維復(fù)合材料的可重塑加工和快速加工特性，被認(rèn)為可能是改變未來碳纖維產(chǎn)業(yè)的核心所在。更易于加工和重復(fù)加工，可以極大程度上提高產(chǎn)能和加快生產(chǎn)周期，一旦技術(shù)成熟落地，這樣的愿景真的可能實現(xiàn)。

 

 

    熱塑性碳纖維復(fù)合材料的加工方式并不局限于傳統(tǒng)的模壓成型，自動鋪放成型和快速沖壓成型，將會是它的主要成型方式，方便快捷、自動化程度高、良品率提升都可以為碳纖維產(chǎn)業(yè)及相關(guān)行業(yè)帶來極大的生產(chǎn)效率提升。

 

    熱塑性復(fù)合材料的快速成型主要得益于其能夠進(jìn)行快速熱沖壓工藝成型。什么是快速熱沖壓成型？指的是加熱狀態(tài)的復(fù)合材料在外力的作用下發(fā)生三維變形，同時在極短時間內(nèi)完成冷卻或伴有結(jié)晶的成型過程，其具有成型周期短、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。

 

    快速熱沖壓成型是熱塑性碳纖維復(fù)合材料加工成品的重要方式，但目前來說該方式并不成熟，在實際操作中會出現(xiàn)纖維褶皺扭曲、孔隙率高、貧膠等缺陷，因此需要經(jīng)過研究和調(diào)整，完善此類加工方式。本文將介紹的就是CF/PA6復(fù)合材料在沖壓成型方面的一些研究進(jìn)展。

 

    熱塑性CF/PA6沖壓成型和3項參數(shù)的內(nèi)在關(guān)系

 

 

    1、模壓溫度：模壓溫度對CF/PA6復(fù)合材料單向板成型質(zhì)量有直接關(guān)系。科研數(shù)據(jù)顯示在7.8MPa的模壓壓力下保壓60s，200℃模壓溫度下制備的CF/PA6復(fù)合材料層合板表面出現(xiàn)大面積的“貧膠”現(xiàn)象，使板材表面極其不平整。隨著模壓溫度的降低，“貧膠”現(xiàn)象得到逐步改善，170℃壓制的CF/PA6復(fù)合材料層合板的表面變得較為平整，并且在160℃模壓溫度時CF/PA6復(fù)合材料層合板表現(xiàn)出最光亮的表面質(zhì)量。

 

    分析如下：在高模壓溫度下，雖然高分子更容易運動，但由于壓機模具的接觸式傳熱黏流態(tài)變?yōu)楦邚棏B(tài)，鎖在預(yù)浸料內(nèi)部與層間的氣體不能得到充分釋放或壓縮，再加之高的模壓溫度與其熔點的溫度差較小，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，氣體的體積不能得到充分壓縮，使之變?yōu)楹苄〉目紫?，因此?dǎo)致表面出現(xiàn)了大面積的“貧膠”現(xiàn)象，即孔隙含量高。而隨著模壓溫度的降低，外層預(yù)浸料氣體體積迅速變小，樹脂也得到快速冷卻，CF/PA6復(fù)合材料層合板表層則先于內(nèi)部形成了平整光亮的表面。

 

 

    2、保壓時間：在纖維增強熱塑性復(fù)合材料制品的模壓工藝中，延長樹脂熔融狀態(tài)時的保壓時間能明顯減小孔隙率的含量。但在快速模壓工藝中，由于模具的溫度是165℃，遠(yuǎn)低于熔點（220℃），且為接觸式傳熱方式，因此熔融狀態(tài)的CF/PA6預(yù)浸料會在很短時間內(nèi)即由黏流態(tài)變?yōu)?65℃的高彈態(tài)。但此時大部分的PA6尚未結(jié)晶而處于無定形態(tài)，高分子仍處于較為活躍狀態(tài)，因此延長保壓時間仍有助于減小孔隙率。

 

    隨著保壓時間從30s到600s的延長，孔隙率和孔隙尺寸均表現(xiàn)出降低的趨勢。通過二值法圖像處理，計算得到保壓時間分別為30s、150s、600s時的CF/PA6復(fù)合材料層壓板的孔隙率分別為0.56%、0.15%和0.12%。說明，在165℃冷壓下，保壓150s即可實現(xiàn)比較低的孔隙率。

 

    另外孔隙率不會一直隨著保壓時間的增加而下降，其中存在一個臨界狀態(tài)，即使再繼續(xù)增加保壓時間，由于樹脂結(jié)晶度增加，分子運動受阻，孔隙率含量也不會出現(xiàn)明顯降低。

 

 

    3、預(yù)浸料鋪層預(yù)壓實：預(yù)壓實是指預(yù)先將特定鋪層的CF/PA6預(yù)浸料通過熱壓工藝壓制成平板，然后再對平板進(jìn)行二次加熱進(jìn)行盒體熱沖壓成型。國內(nèi)有實驗數(shù)據(jù)案例，以一定的預(yù)壓實工藝參數(shù)進(jìn)行實驗，其中CF/PA6預(yù)浸料預(yù)熱溫度為260℃、平板冷模具溫度80℃、壓力為0.05MPa、保壓時間為2min，實驗結(jié)果如下。

 

    經(jīng)過預(yù)壓實的CF/PA6復(fù)合材料沖壓成型質(zhì)量明顯優(yōu)于無預(yù)壓實的，其表明光滑、平整，拐角無明顯殘膠。這是由于在熱壓成型時，CF/PA6預(yù)浸料各部位的受力水平并不均勻，才導(dǎo)致未有效受力的部位成型質(zhì)量差。

 

    以沖壓熱塑性CF/PA6盒體為例，在盒體成型過程中首先是盒底先接觸模具，然后是四個側(cè)面在模具合模時承受剪切和擠壓作用，最后是四個邊接觸模具，合模時對整個盒體進(jìn)行壓實。但是最后的整體壓實并不能實現(xiàn)真正的整體均勻受力，而是模具側(cè)面的剪切作用使最初接觸模具的底面纖維被拉伸，結(jié)果導(dǎo)致底面厚度變小，使底面在合模時無法充分接觸模具，從而形成殘膠表面，并帶有很多從纖維間滲出的膠瘤。

 

    另外需要注意一點，預(yù)壓實對熱塑性CF/PA6復(fù)合材料快速熱沖壓加工時，預(yù)壓實操作可明顯提升成型質(zhì)量，但前提是有效壓實。是否有效壓實，與加工模具有直接關(guān)聯(lián)，合理設(shè)計陰陽模具至關(guān)重要。

 

    目前國內(nèi)針對熱塑性碳纖維快速熱沖壓成型技術(shù)的研究一直在開展中，并不限于CF/PA6這一種熱塑性碳纖維復(fù)合材料。不同熱塑性碳纖維的熔點和浸潤效果天然存在差異，因此需要大量的研究數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納總結(jié)。量變引起質(zhì)變，積累到一定程度后，相信熱塑性碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將會得到實質(zhì)性的進(jìn)步。