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碳纖維制品加工的前景


  碳纖維被用于航天軍工、體育用品、汽車工業產品方面已廣為人知,隨著碳纖維大絲束的發展及碳纖維價格的下降,一些新的市場正迅速發展。目前碳纖維已被列為國家化纖行業重點扶持的新產品,成為國內新材料行業研發的熱點,因此碳纖維復合材料有了很好的發展及應用前景。
  碳纖維是一種纖維狀的碳素材料,含碳量在95%以上,通常與樹脂、金屬、陶瓷等基體結合作為復合材料使用,一般不單獨使用,與傳統金屬材料相 比,碳纖維密度僅為鋼材的1/5,而強度可達鋼材的7-10倍,其中環氧樹脂基碳纖維復合材料被廣泛應用于汽車工業、軌道交通、醫療器械、體育器材等高強 度減重結構部件,此外碳纖維材料在石油、冶金、紡織等領域的應用也相當廣泛。由于國內技術能力的限制,目前我國高端碳纖維材料仍依賴進口,并形成國內深加 工的現象。目前國內從事碳纖維復合材料制品的生產廠家多達數千家,但是由于產能產量的原因,碳纖維制品仍需大量進口。據相關報道顯示,2014年上半年我 國碳纖維及制品進口量為5513.2噸,年進口量在一萬噸左右,進口依存度依舊在高位徘徊。
  究其原因,我國碳纖維生產及下游產品制造技術仍落后于美、日及其他歐美等國家。目前,國內碳纖維復合材料的成型工藝主要有手糊成型工藝、纏繞成 型工藝、拉擠成型工藝、樹脂傳遞模塑成型工藝和模壓工藝。而樹脂傳遞模塑成型工藝(RTM)是國內碳纖維下游制造企業常用的一種成型工藝,成型后的制件性 能優良,適合年產量在5萬套左右的部件。是世界上公認的低成本復合材料成型技術,該技術發展很快,并已在汽車工業上廣泛采用。如無錫威盛新材料科技有限公 司為中國中車集團制造的一款工字形碳纖維結構部件。該結構件長780mm,腰高42mm,腰厚6mm,腿寬52mm,經檢測強度遠超原工字鋼,且重量僅為 750g,有效減重達62%,該部件具有耐酸堿等腐蝕、密度小、壽命長等優點,為列車輕量化發展產生較大經濟效益。據悉,常州今創集團的相關列車結構部件 也已在該公司進行研發試樣階段。
  此外,真空袋壓也是碳纖維復合材料制品生產的工藝之一,該工藝的主要優點是采用普通濕法鋪層技術,通??色@得高碳纖維含量的復合材料,環氧樹脂 可較好地浸漬碳纖維。主要缺點是額外的工藝過程增加了勞動力和成本,并且要求操作人員有較高的技術水平,生產效率不高。手糊成型工藝,它是依次在模具型腔 表面涂布或鋪迭脫模劑、膠衣、粘度適中的環氧樹脂(膠衣凝膠后涂覆)和碳纖維,手持輥子或刷子使環氧樹脂浸漬碳纖維,并驅除氣泡,壓實基層。鋪層操作反復 多次,直到達到制品的設計厚度。該工藝的主要優點是可室溫成型,設備投資少,模具折舊費低,可制造大型制品。主要缺點是屬于勞動密集型生產,制品質量由工 人技術熟練程度決定,手糊用樹脂分子量低,通??赡茌^分子量高的樹脂有害于人的健康和安全。
  碳纖維復合材料產品的制造技術涉及材料、設計和工藝三方面,這三方面互相影響,不可缺少。國內碳纖維材料經過近40年的研究、應用及發展,雖然 取得了長足的進步,但是由于成本及回收等因素,發展進度仍令人堪憂。從目前來看,除了成本因素外,碳纖維復合材料的生產和制造均不同于傳統金屬,無論是結 構設計、材料選擇還是工藝制造均缺乏經驗和數據積累,也缺少新的設計標準。另外,只有徹底解決了回收利用問題,碳纖維復合材料才可能降低造價及廣泛利用。
  隨著碳纖維制備技術、碳纖維表面處理技術的進一步發展,環氧樹脂/碳纖維復合材料的綜合性能還將會得到提高,并將極大地推動環氧樹脂/碳纖維復 合材料的發展,并有效地拓寬環氧樹脂/碳纖維復合材料的應用領域。目前,國家已在戰略層面上加強了對碳纖維產業的重視和扶持,并構建平臺,大力開展產學研 合作模式以推動上游生產工藝改良和下游制造與應用。
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