碳纖維卷管成型工藝及應(yīng)用
2018-06-19
碳纖維(CF)是纖維狀的碳素材料，含碳量在90% 以上，它是利用各種有機(jī)纖維在惰性氣體中、高溫狀態(tài)下碳化而制得。具有十分優(yōu)異的力學(xué)性能。特別是在2000℃以上高溫惰性環(huán)境中，是唯一強(qiáng)度不下降的物質(zhì)。碳纖維和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)做為21 世紀(jì)的新材料，其高強(qiáng)度、高彈性模量和低比重性能，在汽車上迅速得到廣泛的應(yīng)用，無論是在車輛外觀鈑件、引擎艙內(nèi)集氣箱、車室內(nèi)門板或是飾板等，皆可以看到碳纖維的出現(xiàn)。專家指出，在未來5年內(nèi)碳纖維將引起汽車工業(yè)革命性的變革 。
碳纖維卷管成型工藝是用碳纖維預(yù)浸料在卷管機(jī)上熱卷成型的一種復(fù)合材料制品成型方法。
其原理是采用卷管機(jī)上的熱輥，使預(yù)浸料軟化，熔化預(yù)浸料上面的樹脂膠粘劑。在一定張力下，在輥的旋轉(zhuǎn)操作過程中，利用輥和心軸之間的摩擦，將預(yù)浸料連續(xù)卷到管芯上，直至所要求的厚度，然后通過冷輥冷卻定型，從卷繞機(jī)取出，在固化爐中固化。管材固化后，去除芯模型，即可以得到復(fù)合材料纏繞管材。根據(jù)成型工藝中預(yù)浸料的上料方法，可分為手動(dòng)上料法和連續(xù)機(jī)械方法。其基本過程是：首先，清理輥筒，然后熱輥加熱到設(shè)定溫度，調(diào)整預(yù)浸料張力。在滾筒上不施加壓力，將引布先在涂有脫模劑的管芯上包繞1圈，然后放下壓輥，將印頭布在熱輥，同時(shí)將預(yù)浸料拉出來，貼在加熱部分頭布，與引頭布相搭接。引頭布的長度約為800～1200mm，視管徑而定，引頭布與膠布的搭接長度，一般為150～250mm。在卷制厚壁管時(shí)，在正常運(yùn)行時(shí)，將芯模的旋轉(zhuǎn)速度適當(dāng)加快，靠近壁厚度設(shè)計(jì)放慢速度，以達(dá)到設(shè)計(jì)厚度，切斷膠布。然后在保持壓輥壓力的情況下，繼續(xù)使芯模旋轉(zhuǎn)1～2圈。最后提升壓輥，測(cè)量管坯外徑，合格后，從卷管機(jī)上取出，送入固化爐中固化成型。
1、 座椅加熱墊
碳纖維汽車座椅加熱墊是碳纖維加熱應(yīng)用于汽車工業(yè)的一個(gè)突破，碳纖維加熱元技術(shù)在汽車配套市場(chǎng)變得越來越受歡迎, 它將會(huì)完全替代傳統(tǒng)的座椅加熱系統(tǒng)。目前幾乎全球所有汽車制造廠商的高檔、豪華轎車都配備了這種座椅加熱裝置，比如奔馳、寶馬、奧迪、大眾、本田、日產(chǎn)等等。碳纖維熱載荷碳纖維是一種比較高效能的導(dǎo)熱材料，熱效率高達(dá)96%, 并在加熱墊中均
勻密布, 保證熱量在座椅加熱區(qū)域均勻釋放，碳纖維線及溫度分布均勻,又確保了加熱墊長期 使用保持座椅表面皮革平整完好。不產(chǎn)生紋路痕跡、不產(chǎn)生局部變色。溫度超出設(shè)定區(qū)間則自動(dòng)斷電，不能滿足溫度要求時(shí)自動(dòng)通電調(diào)節(jié)溫度。碳纖維適宜人體吸收的紅外線波長,具有促進(jìn)健康的 保健作用，可以充分減少駕乘疲勞，增加舒適度。
2、汽車車身、底盤
由于碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料有足夠的強(qiáng)度和剛度，其適于制造汽車車身、底盤等主要結(jié)構(gòu)件的最輕材料。預(yù)計(jì)碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用可使汽車車身、底盤減輕重量40%～60%，相當(dāng)于鋼結(jié)構(gòu)重量的1/3～1/6。英國材料系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室曾對(duì)碳纖維復(fù)合材料減重效果進(jìn)行研究，結(jié)果表明碳纖維增強(qiáng)聚合物材料車身重量僅為172kg，而鋼制車身重量為368kg，減重約50%。并且當(dāng)生產(chǎn)量在2 萬輛以下時(shí)，采用RTM 工藝生產(chǎn)復(fù)合材料車身成本要低于鋼制車身。東麗確立了使用碳纖維強(qiáng)化塑料(CFRP)、在10min 內(nèi)成形汽車底盤(前地板)的技術(shù)。但由于碳纖維成本過高，碳纖維復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用有限，僅在一些F1賽車、高級(jí)轎車、小批量車型上有所應(yīng)用，如B M W公司的Z-9、Z-22 的車身，M3 系列車頂蓬和車身，G M 公司的Ultralite車身，福特公司的GT40車身、保時(shí)捷911 GT3承載式車身等。
3、 輪轂
德國的知名輪轂制造專家W H E E L S A N D M O R E 推出的“Megalight-Forged-Series”輪轂系列，采取兩片式設(shè)計(jì)，外環(huán)為碳纖維材質(zhì)打造，內(nèi)轂為輕量化的合金，搭配不銹鋼制的螺絲，較一般同尺碼的輪轂可輕上40成左右;以20 寸的輪轂為例，Megalight-Forged-Series輪圈僅有6kg，較一般大約18kg的重量相較，輕了一大截。20 寸的Megalight-Forged-Series 一組輪轂要價(jià)2 萬歐元，約21.86 萬人民幣;目前共有18～23寸尺碼可供選擇。英國Kahm 公司使用CFRP 制得的R X - X 型高級(jí)轎車專用車輪，重量僅為6kg，可高速行駛，并可最大限度地降低車輪的徑向慣性力。由英國DYMAG 公司開發(fā)的世界最輕碳纖維/ 鎂車輪由碳纖維輪網(wǎng)和鎂剎車盤兩部分組成，并用鍍鈦的特殊硬件連接起來。
4、燃料貯罐
采用CFRP 可以在滿足該要求的條件下實(shí)現(xiàn)壓力容器的輕量化。隨著環(huán)保汽車(Eco-car)的開發(fā)，以氫為燃料的燃料電池汽車使用CFRP 材料制作燃料貯罐已為市場(chǎng)所接受。依據(jù)日本能源廳燃料電池研討會(huì)信息，2020 年日本將有500萬臺(tái)汽車使用燃料電池。美國福特汽車Hummer H2H 越野車也開始使用氫燃料電池，預(yù)計(jì)2015年氫燃料電池汽車將會(huì)達(dá)到一定的市場(chǎng)規(guī)模。
5、剎車片
碳纖維還因?yàn)槠洵h(huán)保、耐磨的特點(diǎn)而應(yīng)用在剎車片上，但含有碳纖維復(fù)合材料的產(chǎn)品都格外貴，所以目前這種剎車片還主要應(yīng)用在高檔轎車上。碳纖維制動(dòng)盤被廣泛用于競(jìng)賽用汽車上，例如F1賽車上。它能夠在50m的距離內(nèi)將汽車的速度從300km/h降低到50km/h，此時(shí)制動(dòng)盤的溫度會(huì)升高到900℃以上，制動(dòng)盤會(huì)因?yàn)槲沾罅康臒崮芏兗t。碳纖維制動(dòng)盤能夠承受2500 ℃的高溫，而且具有非常優(yōu)秀的制動(dòng)穩(wěn)定性。雖然碳纖維制動(dòng)盤具有性能卓越的減速性能，但是目前在量產(chǎn)的汽車上使用碳纖維制動(dòng)盤卻并不實(shí)際，因?yàn)樘祭w維制動(dòng)盤的性能在溫度達(dá)到800℃以上時(shí)才能夠達(dá)到最好。也就是說，必須在行駛了數(shù)公里之后，汽車的制動(dòng)裝置才能進(jìn)入最佳工作狀態(tài)，這對(duì)于大多數(shù)只是短途行駛的車輛并不適用。另外，碳纖維制動(dòng)盤的磨損速度很快，制造成本也非常高。
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