揭秘碳纖維制品的精密制造核心技術(shù)密碼

　　碳纖維復(fù)合材料因其高比強度、高比模量、輕量化、耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、軌道交通、體育器材、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。其生產(chǎn)流程復(fù)雜，涉及多個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，每一個環(huán)節(jié)都對最終產(chǎn)品的性能有決定性影響。

　　在產(chǎn)品的生產(chǎn)之初，需要先給到自己產(chǎn)品實際應(yīng)用的性能需求，從而確定原材料以及生產(chǎn)工藝，這樣使得產(chǎn)品更好的滿足實際的需求。

　　碳纖維原絲選擇

　　碳纖維原絲是生產(chǎn)碳纖維制品的基礎(chǔ)，目前市場上主流的原絲類型為聚丙烯腈(PAN)基碳纖維原絲，因其具有較高的強度和模量，能滿足多數(shù)高性能制品的需求。如在航空航天領(lǐng)域，T700、T800級別的PAN基碳纖維原絲應(yīng)用廣泛，其高強度特性可有效減輕飛行器結(jié)構(gòu)重量，同時保證結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性。而瀝青基碳纖維原絲雖產(chǎn)量相對較少，但具有高模量的優(yōu)勢，常用于對模量要求極高的場合，如衛(wèi)星天線的支撐結(jié)構(gòu)等。在選擇原絲時，需綜合考慮制品的應(yīng)用場景、性能需求以及成本因素等。

　　鋪層方向確定

　　[0°]：提供最高的拉伸和壓縮強度。

　　[±45°]：提供良好的剪切性能和抗扭剛度。

　　[90°]：橫向強度較低，但縱向強度高。

　　鋪層方向是影響碳纖維制品性能的關(guān)鍵因素之一。常見的標(biāo)準(zhǔn)鋪層角度有 0°、45°、- 45°和 90°。0°鋪層方向通常沿制品主要受力方向鋪設(shè)，可有效提高制品在該方向上的拉伸和壓縮強度，例如在承受軸向拉伸載荷的桿件中，0°鋪層能充分發(fā)揮碳纖維的高強度特性 ?！?5°鋪層主要用于承受剪切載荷，在受扭部件中，合理設(shè)置 ±45°鋪層可顯著提高其抗扭性能。90°鋪層則用于增強制品在垂直于主要受力方向的性能，如在平板結(jié)構(gòu)中，90°鋪層可提高板材的橫向剛度 。當(dāng)制品承受復(fù)雜載荷時，往往需要采用多方向混合鋪層，如 0°、±45°、90°多方向混合鋪設(shè)，以綜合提升制品在不同受力狀態(tài)下的性能。在相關(guān)的研究中，對于正交層板，不同鋪層順序會影響基體裂紋的起始載荷、擴展速率、斷裂韌性以及裂紋密度等。

　　除了鋪層方向，鋪層順序也是非常重要的環(huán)節(jié)，這里就不一一贅述，有興趣的朋友，可以聯(lián)系我們的客服，來深度了解關(guān)于纖維復(fù)合材料鋪層方向方面的知識點。

　　成型工藝選擇

　　高溫模壓成型

　　高溫模壓成型適用于制造小型復(fù)雜構(gòu)件。該工藝是將裁剪好的預(yù)浸料按設(shè)計鋪層鋪設(shè)在模具中，通過高溫(一般 100℃ - 200℃)和高壓(5MPa - 20MPa)使樹脂固化成型 。其優(yōu)點是生產(chǎn)效率較高，產(chǎn)品尺寸精度高(可達 ±0.1mm)，表面質(zhì)量好。在汽車零部件制造中，如碳纖維汽車輪轂、內(nèi)飾件等，常采用高溫模壓成型工藝。但該工藝對模具要求較高，模具成本高，且不適用于制造大型構(gòu)件。

　　熱壓罐成型

　　熱壓罐成型多用于處理大型整體構(gòu)件，如航空航天領(lǐng)域的飛機機翼、機身段等。將鋪層好的預(yù)浸料疊層放入熱壓罐中，在高溫(120℃ - 250℃)和高壓(0.5MPa - 1.5MPa)環(huán)境下固化成型。熱壓罐成型能夠制造出高性能、高質(zhì)量的復(fù)合材料制品，因為在熱壓罐內(nèi)，制品可受到均勻的溫度和壓力，有利于排除氣泡，提高復(fù)合材料的密實度和性能。然而，熱壓罐設(shè)備投資大，運行成本高，生產(chǎn)周期相對較長。

　　其他成型工藝

　　除上述兩種常見工藝外，還有真空袋成型、纏繞成型、拉擠成型等。真空袋成型通過將預(yù)浸料密封在真空袋中，利用真空壓力使其緊貼模具表面固化成型，適用于制造大型、薄壁的部件，如風(fēng)力發(fā)電機葉片的外殼等 。纏繞成型是將預(yù)浸料纏繞在芯軸上，通過加熱和加壓使其固化成型，主要用于制造管狀、筒狀等回轉(zhuǎn)體部件，如壓力容器、傳動軸等。拉擠成型是將浸漬樹脂的碳纖維通過加熱的模具拉擠成型，可生產(chǎn)連續(xù)的型材，如桿、梁等，具有高效和自動化程度高的特點，適合大批量生產(chǎn)。

　　表面精度處理

　　機械加工

　　成型后的碳纖維制品毛坯往往需要進行機械加工來達到更高的表面精度要求。常見的機械加工方法有CNC切削、鉆孔、磨削等。在CNC切削加工中，刀具的選擇和切削參數(shù)的優(yōu)化至關(guān)重要。由于碳纖維材料的硬度高、耐磨性強，且纖維與基體的結(jié)合特性，一般采用金剛石涂層刀具，可有效提高刀具壽命，減少纖維拉出和基質(zhì)脫離等問題。例如在加工碳纖維復(fù)合材料時，主軸轉(zhuǎn)速可達 20000rpm，進給速度優(yōu)化至 800mm/min，可使加工精度達到 IT7 級，表面粗糙度 Ra≤0.8μm 。鉆孔過程中，需控制好鉆孔速度和進給量，防止孔壁出現(xiàn)分層、毛刺等缺陷。磨削加工可進一步降低表面粗糙度，提高表面平整度，對于一些對表面精度要求極高的光學(xué)部件、精密儀器零件等，磨削是常用的加工手段。

　　表面拋光

　　對于有更高表面光潔度要求的碳纖維制品，還需進行表面拋光處理 。拋光方法包括機械拋光、化學(xué)拋光等。機械拋光通過使用拋光輪和拋光膏，對制品表面進行研磨，去除微小的凹凸不平，可使表面粗糙度降低至 Ra≤0.2μm，常用于高端體育用品(如高爾夫球桿桿頭)、電子產(chǎn)品外殼等的表面處理。化學(xué)拋光是利用化學(xué)反應(yīng)使制品表面微觀凸起部分優(yōu)先溶解，從而達到平整光滑的效果，該方法適用于形狀復(fù)雜的制品，但可能會對材料表面性能產(chǎn)生一定影響。

　　油漆涂裝工藝

　　表面油漆涂裝不僅能提升碳纖維制品的美觀度，還可增強其耐候性和防腐蝕性能 。一般采用多層涂裝體系，以威盛新材料的三級涂裝系統(tǒng)為例，首先進行零部件清洗，徹底去除脫模劑等雜質(zhì)，確保表面清潔度，這是保證涂層附著力的關(guān)鍵。然后進行底漆涂裝，底漆的作用是增強涂層與基體之間的附著力，同時提供一定的防腐蝕保護 。對于一些有特殊功能需求的產(chǎn)品，如碳纖維極片輥要求導(dǎo)電、耐磨，可在中層色漆處理時添加相應(yīng)的功能性填料來實現(xiàn)。最后進行面漆涂裝，面漆主要用于改善制品的外觀，使其具有良好的光澤度和裝飾性，例如碳纖維機器人手臂的表面常要求做到鏡面級效果，通過精心調(diào)配面漆和精細(xì)的涂裝工藝來實現(xiàn)。每層涂裝后都需進行適當(dāng)?shù)墓袒幚?，確保涂層的質(zhì)量和性能。

　　質(zhì)量檢測環(huán)節(jié)

　　制作完成的碳纖維制品還需要進行精度的測量。威盛新材料通常采用的是三坐標(biāo)測量儀。三坐標(biāo)測量儀用于精確測量碳纖維制品的關(guān)鍵尺寸，確保其符合設(shè)計要求，測量精度可達 ±0.01mm 。通過測量制品的長度、寬度、高度、孔徑等尺寸，并與設(shè)計圖紙進行對比，可及時發(fā)現(xiàn)尺寸偏差，以便對生產(chǎn)工藝進行調(diào)整。對于制品的實際性能測試，疲勞試驗機可模擬服役工況，對制品施加周期性載荷，檢測其疲勞壽命和疲勞性能。例如在汽車懸掛系統(tǒng)用碳纖維部件的測試中，通過疲勞試驗機模擬車輛行駛過程中的振動和沖擊載荷，評估部件在長期使用條件下的可靠性。此外，還需進行拉伸、壓縮、彎曲等力學(xué)性能測試，以全面評估碳纖維制品的性能是否滿足應(yīng)用要求。

　　碳纖維制品的生產(chǎn)是一個高度系統(tǒng)化的工程過程，其性能優(yōu)劣不僅取決于材料本身，也依賴于科學(xué)的鋪層設(shè)計、高精度的成型工藝、嚴(yán)格的表面處理與涂裝。此外為了更好的確保產(chǎn)品能夠應(yīng)用，比如高端應(yīng)用中，威盛新材料都是會結(jié)合仿真分析(如有限元鋪層優(yōu)化)與工藝控制，從而實現(xiàn)性能優(yōu)解。