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碳纤维板材加工和应用浅析

碳纤维板是碳纤维复合材料的主要应用形式之一,应用于建筑加固领域中的碳纤维板多采用传统的以单向纤维为主的湿挤工艺,而在工业、交通、医疗等领域中应用的碳纤维板材多使用预浸料固化工艺,这种工艺在力学性能方面更具设计性,在板材的后加工方面更具操作性。本文就针对碳纤维预浸料固化成型的碳纤维板材的加工及应用做一简单说明。

碳纤维板材的加工

碳纤维板材加工使用的原材料是碳纤维预浸料,根据预浸料中碳纤维丝束大小分为1k、3k、6k、12k等,根据板材表面纹路可分为平纹、斜纹,根据表面处理效果可分为亮光、哑光,具体的加工过程包括对预浸料的剪裁、铺层、固化、切割及后加工等程序。

1.预浸料的剪裁:

要根据板材的长度和宽度对预浸料进行剪裁,并根据板材的厚度确定预浸料的厚度。常规的板材厚度有:0.2mm、0.3mm、0.5mm、0.8mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、3.0mm、4.0mm、6.0mm、10.0mm等,无锡威盛新材料有限公司在碳纤维板生产方面拥有丰厚的经验,可按照客户需求定制不同厚度的碳纤维板材。板材的厚度越大,需要层叠的预浸料层数越多,一般3毫米厚度的板材,就需要10层以上的预浸料。预浸料的原材料宽度是固定的,如果原有尺寸不够的话,那么就要涉及材料的拼接。对于非常规尺寸的板材,在预浸料剪裁之前必须进行合理地设计,通过设计的优化,最大化地利用预浸料,减少边余量的产生,降低生产成本。

2.预浸料的铺层:

根据板材对拉伸力、剪切力和强度方面的需求,确定预浸料的铺层方向和铺层顺序。铺层方向包括0°、45°、90°、-45°这几种,铺层顺序在实际操作中,需要根据所承担载荷的类型来选择角度取向,即为了最大程度的利用纤维在轴向上的高性能。

纤维铺设方向要根据载荷的主方向设定,在点应力状态,角度为0°的铺层对应正应力,角度为±45°的铺层对应剪应力,角度为90°的铺层是用来保证在复合材料制件的径向上有足够的正压力,若复合材料板材承受的载荷以拉压载荷为主,那么铺层方向应该选择拉压载荷的方向;若复合材料制件承受的载荷以剪切载荷为主,那么铺层之中要以+45°和-45°成对铺设为主;若复合材料制件所承受的载荷情况复杂,同时包括多种载荷,那么铺层设计时以0°、±45°、90°多方向混合铺设。

在具体铺设时,一般复合材料制件的铺层均采取对称均衡铺设。对称均衡铺设的特点就是在整体的铺层之中,上下铺层关于中间面对称,如果需要设计成非对称均衡铺层,应将这类非均衡或是非对称的铺层布置于靠近整体铺层中间的位置,这种方式能有效避免复合材料制件经历拉-弯耦合、拉-剪耦合之后发生翘曲形变。

总之,铺层顺序的不同不仅影响基体裂纹的起始载荷、扩展速率、断裂韧性,也将对基体裂纹的饱和和裂纹密度产生显著的影响。例如,对正交层板而言,在相同的外加载荷作用下断裂韧性与裂纹扩展速率存在对应关系。但是,对于不同铺层顺序的优劣,不能一概而论,应根据不同的使用要求,充分发挥复合材料性能的可设计性优势。

3、预浸料的固化:

预浸料经过剪裁和有序铺叠后,就要进入烘烤固化环节。预浸料被放置于预定温度的模具中加压加热后,热压模具闭合,层合材料在热压下逐渐固化并达到一定的固化度,模具打开,在牵引装置牵引下,离开热压模具,完成固化。

在整个固化过程中,应根据板材的性能需求,分阶段调整固化的时间和温度,不同的温度以及受热时间都会对碳纤维板材的材料性能产生影响,在实际生产过程中,在满足制件后固化阶段保持尺寸稳定的前提下,应尽量缩短热压阶段的时间。

4、板材的后加工:

碳纤维板在固化成型后,为了精度要求或装配需要,还要进行切削、钻孔等后加工。在切削工艺参数、切割深度等相同条件下,选择不同材料、尺寸、形状的刀具和钻头,效果上有很大差异,与此同时,刀具和钻头的力度、方向、时间和温度等因素也会影响到加工的结果。

在后加工过程中,尽量选择带金刚石涂层的锋利刀具和整体硬质合金的钻头,刀具和钻头本身的耐磨性决定了加工的质量和工具的使用寿命。如果刀具和钻头不够锋利或者使用不当,不仅会加速磨损,提高产品的加工成本,更会造成板材损伤,影响板材的形状、尺寸以及板材上孔、槽等加工部位尺寸的稳定性,严重时会造成材料出现层状撕裂,甚至是块状崩落,导致整块板材的报废。

在对碳纤维板材进行钻孔时,转速越快效果越好。钻头的选择上,PCD8面刃钻头独特的钻尖设计较适合碳纤维板材,能更好地穿透碳纤维板材,降低分层的风险性。


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