碳纖維卷管成型工藝及應用
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)異的力學性能。特別是在2000℃以上高溫惰性環(huán)境中，是唯一強度不下降的物質(zhì)。碳纖維和碳纖維增強復合材料(CFRP)做為21 世紀的新材料，其高強度、高彈性模量和低比重性能，在汽車上迅速得到廣泛的應用，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浸料在卷管機上熱卷成型的一種復合材料制品成型方法。
其原理是采用卷管機上的熱輥，使預浸料軟化，熔化預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，即可以得到復合材料纏繞管材。根據(jù)成型工藝中預浸料的上料方法，可分為手動上料法和連續(xù)機械方法。其基本過程是：首先，清理輥筒，然后熱輥加熱到設定溫度，調(diào)整預浸料張力。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，同時將預浸料拉出來，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，在正常運行時，將芯模的旋轉(zhuǎn)速度適當加快，靠近壁厚度設計放慢速度，以達到設計厚度，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，測量管坯外徑，合格后，從卷管機上取出，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用于汽車工業(yè)的一個突破，碳纖維加熱元技術在汽車配套市場變得越來越受歡迎, 它將會完全替代傳統(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熱材料，熱效率高達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。溫度超出設定區(qū)間則自動斷電，不能滿足溫度要求時自動通電調(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
由于碳纖維增強聚合物基復合材料有足夠的強度和剛度，其適于制造汽車車身、底盤等主要結構件的最輕材料。預計碳纖維復合材料的應用可使汽車車身、底盤減輕重量40%～60%，相當于鋼結構重量的1/3～1/6。英國材料系統(tǒng)實驗室曾對碳纖維復合材料減重效果進行研究，結果表明碳纖維增強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%。并且當生產(chǎn)量在2 萬輛以下時，采用RTM 工藝生產(chǎn)復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化塑料(CFRP)、在10min 內(nèi)成形汽車底盤(前地板)的技術。但由于碳纖維成本過高，碳纖維復合材料在汽車中的應用有限，僅在一些F1賽車、高級轎車、小批量車型上有所應用，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，采取兩片式設計，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所接受。依據(jù)日本能源廳燃料電池研討會信息，2020 年日本將有500萬臺汽車使用燃料電池。美國福特汽車Hummer H2H 越野車也開始使用氫燃料電池，預計2015年氫燃料電池汽車將會達到一定的市場規(guī)模。
5、剎車片
碳纖維還因為其環(huán)保、耐磨的特點而應用在剎車片上，但含有碳纖維復合材料的產(chǎn)品都格外貴，所以目前這種剎車片還主要應用在高檔轎車上。碳纖維制動盤被廣泛用于競賽用汽車上，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，此時制動盤的溫度會升高到900℃以上，制動盤會因為吸收大量的熱能而變紅。碳纖維制動盤能夠承受2500 ℃的高溫，而且具有非常優(yōu)秀的制動穩(wěn)定性。雖然碳纖維制動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盤卻并不實際，因為碳纖維制動盤的性能在溫度達到800℃以上時才能夠達到最好。也就是說，必須在行駛了數(shù)公里之后，汽車的制動裝置才能進入最佳工作狀態(tài)，這對于大多數(shù)只是短途行駛的車輛并不適用。另外，碳纖維制動盤的磨損速度很快，制造成本也非常高。
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