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中国突破新型碳纤维复合材料工艺 广泛应用航空领域
2019-01-23 10:36

  据中航网站报道,2019年1月11日,中航高科与航空工业复材两家中航控股公司合作开展建设,面向国内、国际两个市场的民用复合材料生产线在南通市正式投产。有关人士称,该生产线技术水平居国内领先地位,可年产50万平方米民用预浸料布,对满足和推动国内民用预浸料在汽车、轨道交通、通用航空等工业领域的大批量应用需求,以及深入推进军民融合具有极其重要的意义 。据悉,该生产线投产后,将主要生产航空工业复材研发的具有自主知识产权的民用预浸料产品,包括高效成型预浸料和阻燃预浸料两个系列产品。其中,高效成型系列预浸料实现了系列化, 在汽车零部件、电动客车车身承力结构部件以及无人机桨叶等结构上通过了考核验证和工程应用,显著降低了高性能碳纤维复合材料的成本,大幅提升了复合材料构件的制造效率,为实现高效成型碳纤维复合材料在我国新能源电动客车、汽车零部件以及无人机等工业领域中的领先大规模应用奠定了基础。

  本文根据国内外公开资料对碳纤维预浸料技术做一简介。与人们想象的不同,碳纤维一般不能直接成型做成产品,而是将碳纤维丝织成布后将其浸入液体环氧树脂胶粘剂中,当碳纤维布完全浸吸环氧树脂后,再对其进行加热固化,其制成的环氧树脂 /碳纤维复合材料也就是人们常说的碳纤维复合材料。在这里环氧树脂所起的主要作用是把碳纤维粘在一起,平均分配碳纤维间的载荷,并保护碳纤维不受外界各种环境影响。在对环氧树脂/碳纤维复合材料的应用过程中,人们发现这种复合材料具有优异的性能,其比强度为钢的4.8至7倍,比模量为钢的4倍,疲劳强度约为钢的2.5倍、铝的3.3倍,而且高温性能好,工作温度达400℃时其强度与模量基本保持不变。此外还具有密度和线膨胀系数小、耐腐蚀、抗蠕变、整体性好、抗分层、抗冲击等特点,因此环氧树脂 /碳纤维复合材料在航空航天,国防工业以及高端工业产品中得到了广泛的应用。

  在早期生产阶段,环氧树脂 /碳纤维复合材料(以下简称碳纤维复合材料)产品的生产方法是在模具上先涂布一层环氧树脂胶,再将碳纤维布或薄层放在胶上面,手持辊子或刷子使环氧树脂浸渍碳纤维,并驱除气泡 ,压实基层。将此铺层操作反复多次 ,直到达到复合材料制品的设计厚度。该方法主要缺点是属于劳动密集型操作 ,且制品质量严重依赖工人的责任心和技术熟练程度 ;某些具有特殊功能的树脂材料有可能危害工人的健康和安全。

  随着科技的进步,人们又研制成功了预浸料成型工艺,直接将碳纤维通过含有熔融树脂的胶槽浸胶,然后烘干收卷,制成一种储存备用的半成品,也是人们常说的碳纤维中间材料。此时的树脂材料并没有最终固化成型,通常在常温温度下呈临界固态,故触摸碳纤维预浸料时有轻微的粘附感。当用预浸料复合材料制成产品时用手工或机械铺于模具表面 ,再通过真空袋抽真空,然后放入热压罐中加热使树脂重新流动,最终固化成型。由于此种方法可将环氧树脂的化学性能、力学性能和热性能调节到最佳状态,且可适应各种人工,半自动,全自动生产环境,因此当前70%的先进碳纤维复合材料产品都是由预浸料铺迭后固化而成。

  从公开资料分析,中航高科与航空工业复材建立的低成本预浸料碳纤维复合材料生产线应该是一种低温固化预浸料成型工艺 。在低于60℃环境时,碳纤维预浸料保质期可长达数个月甚至一年。由于固化温度为100℃左右,仅需采用简单的热空气循环加热室便可容易地制造各种结构件,而无需造价昂贵,使用成本不菲的高温热压罐成型工艺,大幅降低高性能碳纤维复合材料生产成本。随着我国军民融合技术的不断发展,未来我们有可能向美国一样,不断享受到先进军用技术转民用后给生产生活带来的巨大变化和便利。(作者署名:高科技前沿观察)

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