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用于结构件的环氧碳纤维复合材料及加工手艺-463js.com-供应金沙娱乐城55555.com

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图1 安装正在底盘上的碳纤维复合材料主承载构造

正在汽车工业发达国家,一些小批量消费的高级汽车及赛车已运用了接纳碳纤维加强环氧树脂复合材料制成的主承力结构件,其强度、刚性及其他各项性能指标都可取传统的金属材料部件相媲美,同时重量也大为减轻。本文重要从质料和加工工艺等方面对此停止论述。

自20世纪70年月第一次石油危机发作以来,“汽车沉量化”便成为环球汽车制造业存眷的重点之一。几十年来,人们络续天经由过程优化结构设计和接纳金属替换计划去实现加重的目的。近年来,跟着工程塑料及复合材料等非金属材料正在汽车内饰、中饰及功用件运用方面的日益成熟,替换金属将它们用作结构件正成为汽车制造业新的研究课题。那个中,特别以汽车主承力结构件(简称“主结构件“)的沉量化为制造研讨的重点和难点。

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近年去,跟着少纤维加强复合材料(LFT)和片状模复合材料(SMC)及其加工手艺的快速生长,国内外已泛起了由这类质料经模压工艺制成的零部件,如车门骨架、发动机托架、座椅骨架及散热器支架等。但是,因为质料自己的限定,其强度、刚性及抗打击性等均不克不及知足结构件特别是主结构件的要求。

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图2 正在2005年JEC展会中展出的复合材料车身构造

主结构件,包孕汽车的A、B、C柱,和由翼子板、前围、侧围、后围、顶梁和底板等组成的车身框架。由因而汽车的重要承载部件,为了确保充足的平安机能,汽车厂商会挑选强度、刚性及耐打击机能均很高的质料,一般是复合材料层合构造。相比之下,次承力结构件,包孕车门、发罩、行李舱门和顶板等,它们一般运用的是复合材料三明治夹心构造(包孕蜂窝夹心、泡沫夹心和沉木夹心等芯材)和层和构造。正在此,久纰谬三明治夹心构造停止表述,重要引见复合材料实体层合构造。
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正在汽车工业发达国家,一些小批量消费的高级汽车及赛车已连续运用了碳纤加强环氧树脂复合材料制成的主结构件和次承力结构件,其强度、刚性、抗委靡性及其他各项性能指标都可知足设想要求,可取传统的金属材料部件相媲美。另外,此类产品借表现出了极好的抗侵蚀和耐侵蚀机能。取同体积的铝合金构件比拟,减重可达50%。上面将从质料、加工工艺等方面对此停止具体论述。


图3 Ferrari Enzo 复合材料车身

碳纤维加强环氧树脂复合材料

作为一种设想天真、沉量、高强、耐打击及耐侵蚀的质料,环氧树脂基复合材料可用于制造多种汽车部件。除车顶棚、门外板、翼子板和发动机罩等车身部件中,它借可用于汽车主结构件。由此类质料制成的汽车部件不只大大进步了汽车的平安机能,并且借低落了车重,削减了燃油斲丧,进步了经济性,别的改进了雅观性,如为车身带来碳纤维的表面结果。

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图4 造袋终了,进入热压罐加热加压固化

凭据运用的差别,加强质料可选用玻璃纤维、碳纤维及芳纶纤维,以至硼纤维等。关于主结构件而言,由碳纤维、芳纶纤维或硼纤维加强的环氧树脂基复合材料可以或许供应更高的强度和刚性,因而成为主结构件的首选质料。近年来,外洋一些高级汽车如疾驰、宝马、保时捷和莲花等,和世界上的几大赛车品牌,如法拉利、玛莎推蒂、兰博基尼和波尔舍等,均已接纳了由碳纤加强环氧树脂复合材料制成的主构造部件。另外,F1方程式赛车借悉数接纳了碳纤和硼纤维加强环氧树脂复合材料制成的车身。一样平常,碳纤加强环氧树脂复合材料中的纤维含量正在60%~70%阁下。取玻纤加强的环氧树脂比拟,其密度更低、质量更沉、刚性更好且质感越发雅观;取金属材料比拟,其强度更优,抗委靡机能更佳。不仅如此,凭据运用要求,借可对碳纤加强环氧树脂停止部分或整体删韧处置惩罚,即经由过程到场一些热塑性树脂,如PEEK和PEKK等,进步质料的耐打击机能,使其可供应更好的平安机能。因为具有优秀的综合机能上风,现在碳纤加强环氧树脂复合材料已被大量用于飞机的主承力构造和次承力构造中,最新研制的波音787商用飞机所运用的复合材料量已占到飞机总质量的50%。 copyright dedecms

碳纤维加强环氧树脂复合材料主结构件的加工工艺

尽人皆知,热固性复合材料的可设想自由度异常大。正在制件的生产过程中,完整能够凭据成品的终究运用机能要求,挑选差别的纤维和基体树脂,然后根据差别的方向和厚度完成纤维的铺层。但是,由于此类质料的生产工艺现在仍以手工操纵为主,机械化水平不下,因而很少能实现量产。

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图5 接纳预浸料/热压罐工艺的消费现场

现在常用的热固性复合材料制件的生产工艺重要包孕:脚糊成型,手糊袋压成型(Hand lay-up with bagging film),放射成型,环绕纠缠、推挤成型,树脂通报模塑成型(Resin transfer molding,简称“RTM”),树脂胶膜浸润成型(Resin film infusion,简称“RFI”)和预浸料/热压罐成型和模压成型等。关于建造汽车主结构件而言,合适的生产工艺重要为手糊袋压成型、RTM、RFI和预浸料/热压罐成型等。至于脚糊成型,因为消费出的部件孔隙率较下,其强度达不到主结构件的要求,因而一样平常不予接纳。现在,只要RTM、RFI和预浸料/热压罐成型是能够量产的生产工艺。 copyright dedecms

1、手糊袋压成型

取一般的脚糊成型相类似,手糊袋压成型也是由手工将树脂和纤维织物瓜代地铺层正在已涂有脱模剂的模具上,使其到达设想厚度要求。所差别的是,正在停止加热加压前需求先制袋,造袋的目标是为了正在铺层间构成真空并到达肯定的打仗压力,以低落终究制件的孔隙率,同时进步层间剪切强度。造袋完成后,便可将其放入热压罐或固化炉中,经加热加压后成型。这类工艺要领劳动强度大,消费周期少,事情情况差,但本钱低,现在很少被用于主结构件的制造中。

2、树脂通报模塑成型

树脂通报模塑成型(RTM)是一种闭模成型工艺,关于要求双面润滑且外形庞大的部件较为合适,汽车的A、B、C柱和翼子板等部件可采用该成型工艺。其特性是,先按设想要求正在模具型腔中安排加强质料预成型体,然后合模加压,从浇口处背型腔中灌注预先计量好的定量液态树脂,使其布满纤维预成型体的纤维间闲暇,经加热固化后成型。当模具自己带有加热功用时,加热固化过程可间接正在模具中完成,不然可运用固化炉完成此历程。该工艺可运用的纤维加强质料包孕两品种型,一种为手工铺揭纤维,另一种是经由三维编织的预成型纤维。

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为了确保主结构件得到更高的强度和质量,借可采用真空辅佐的RTM工艺(简称“VARTM”)。该工艺是正在合模后,先对型腔抽真空,然后再灌注树脂,如许能够有效地扫除型腔中的氛围,从而低落成品的孔隙率以进步强度。

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图6 接纳RFI工艺建造的车身

需求阐明的是,因为树脂是正在闭模状况下被灌注到型腔中的,压力越大,树脂的浸润性就越好,可包管树脂能够布满全部型腔。因而,RTM工艺对模具的要求相对较下,要求模具要具有较下的强度,以蒙受极高的压力和温度。比方,当固化温度为180℃时,要求模具必需可以或许耐受200℃的高温,同时要可以或许蒙受3~4kg/cm2的压力。固然这是指用于消费数目较少的非金属模具而言,关于批量较大的零件,一般接纳金属模具。不仅如此,模具的浇口和冒口位置的拔取和设想也异常要害,一样平常需求凭履历,或正在电脑上停止仿真模仿,不然会泛起“干区”或“贫胶”征象。除需求运用RTM打针机等专用设备中,RTM工艺一样平常不需运用热压罐,因此其装备本钱相对较低。总之,接纳RTM工艺消费的成品具有较下的力学强度和优越的外面质量和较下的尺寸精度,取手糊袋压成型比拟,其消费效力较下。
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3、预浸料/热压罐成型取树脂胶膜浸润成型

无论是手糊袋压成型照样树脂通报模塑成型,铺层是一件费时辛苦的事变,要求技工要富有履历且技术纯熟。正果云云,使得这两种工艺消费效力低下,不克不及知足较下的量产需求。

为了处理那一题目,现在一些质料供应商开辟出了所谓的“预浸料”。那是一种树脂取纤维预混好的半固化态质料,即纤维预先经由树脂浸润,并将被树脂浸润过的纤维铺放到特别载体上,构成布状或带状预浸料,以至丝状预浸料。其工艺特性是,逐层铺贴预浸料于模具上,构成零件叠层,然后经热压罐加压加热固化成型。运用该质料时,正在操作过程中不容易泛起纤维的滑动和蜿蜒征象,纤维偏向的一致性和准直度能够获得较好的掌握。另外,正在热压罐压力的感化下,能够实现较下的纤维含量,故能够获得较下的力学性能。
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因为运用半成品的预浸料,能够一连铺揭,进步了速度,因此庖代了以往反复瓜代的纤维和树脂的逐层铺贴工序,使得消费效力大为进步,成为一种广泛接纳的量产化的生产工艺。凭据成品的差别,预浸料成型工艺的产量一样平常正在几千到几万件之间,异常适合于定制产物的消费。


图7 Mosler MT900S全复材车身

一般情况下,预浸料成卷状供给。为了防备受热后生效,一般需求将其安排正在-18℃的高温情况中生存。运用时,先对其解冻,然后根据电脑上排序好的零件睁开图切割下料,其切割可由机械完成。下料后,凭据铺层设想、按施工工艺要求正在模具上停止手工逐层铺贴。接着停止造袋,以使其内部处于真空状况并发生背压,终究消弭成型历程中的孔隙率。造袋完成后,将其送入热压罐或固化炉中,正在170~180℃的温度下,6~8h即固化成型。

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预浸料/热压罐成型工艺的长处是:施工轻便,对工人的妙技要求不下,消费效力下,成品质量稳固且强度下,因而,该工艺已成为汽车结构件的支流生产技术。需求阐明的是,正在热压罐中固化成型的成品取正在固化炉中成型的成品比拟,其致密性更高。那是由于热压罐可同时加热加压,其施加的压力一般为2~3个大气压,而固化炉则不克不及施压,那使得正在热压罐中成型的成品具有更高的致密度,其强度机能更好,因此更适合于主结构件的成型。关于次结构件而言,固化炉成型完整可知足其强度和质量要求。固然,热压罐的本钱险些为固化炉的2~3倍。

只管预浸料/热压罐成型工艺能进一步进步成品的强度和质量,同时能实现量产化,但其高贵的质料及装备本钱却使得汽车厂商望而生畏,现在也只有一些高级汽车和赛车的结构件接纳这类成型工艺。
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图8 铺贴制袋终了的零件预备进热压罐固化

为了降低成本,能够用树脂胶膜浸润成型(RFI)工艺庖代预浸料成型工艺。该工艺是正在干纤维的上面铺放胶膜,并将零件和模具包覆于真空袋中,正在热压罐内完成固化成型。正在固化历程中,跟着温度的降低,胶膜融化,正在压力和真空的感化下,树脂浸润疏散到纤维内部闲暇固化成型。取预浸料/热压罐工艺相似,RFI工艺施工轻易,不需要下妙技的操纵职员,而且成品的质量稳固、强度下。因为该工艺不运用预浸料,因此质料本钱相对低落,并可对纤维停止缝编处置惩罚,增强了零件方向上的强度,对大型制件有肯定好处。当成品需求双面光时,借可采用闭模热压成型的体式格局。

重要的碳纤维质料供应商

因为制造工艺庞大,现在碳纤维制造手艺重要集中正在环球少数几家厂商手中,而且每家厂商所接纳的工艺也不尽雷同。别的跟着航空市场的生长,正在产能没有增添的状况下,使得环球的小丝束碳纤维需求相对重要。现在环球可供应小丝束碳纤维的公司重要有:日本的东丽(Toray)公司、东邦(Toho)公司和三菱(Mesitsubishi)公司,美国的Cytec公司和Hexcel公司,和台湾的台塑。个中日本3家公司的产量占环球产量的85%,其产物等级触及航空级、产业级和修建级。美国Cytec公司只供应航空级的产物,除此之外,Cytec借供应碳纤维加强环氧树脂预浸料。该公司的预浸料包孕两种固化温度品级,一种为121℃,另一种为177℃。需求阐明的是,跟着固化温度的进步,质料的强度也就越好,同时其价钱也越发高贵。
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基于碳纤维优胜的综合机能上风,除航空和汽车工业中,修建及其他很多产业范畴也已最先存眷这类质料。跟着需求的日趋增大,有限的产能致使碳纤维质料的价钱一向居高不下,从而障碍了其正在汽车零部件特别是正在汽车结构件应用领域的拓展。

结语

碳纤加强环氧树脂复合材料正在局部高级汽车及赛车结构件上的胜利运用注解,复合材料完整能够替换金属被用于汽车结构件中。但是,因为质料和装备高贵,再联合现在汽车消费的工艺链和产物链,和质料收受接管反复应用等题目,现在其综合考量本钱取效益借不具有量产化的前提,致使碳纤加强环氧树脂复合材料正在汽车结构件上的运用具有很大的局限性,那使得钢材及下强度铝合金现在仍旧是汽车结构件的支流质料。尽管如此,近年来,少纤维加强热塑性复合材料及其加工手艺的快速生长让人们看到了新的期望。跟着少纤维加强热塑性复合材料正在汽车次承力结构件运用方面的日趋成熟,信赖人们一定会找到更具本钱效益的、同时能知足运用机能要求的质料解决方案,以实现汽车结构件、特别是主结构件的沉量化。 copyright dedecms

别的,借需求夸大的是,作为一种完整有别于金属材料的新型材料,复合材料的汽车零部件设想触及结构设计、铺层设想及强度设想等多个方面,它离不开大量的盘算和履历的积聚。要实现复合材料汽车零部件的规模化消费,借需求制定响应的种种标准规范,包孕质料的磨练和测试尺度和生产工艺范例等。正在现实的复合材料设想历程中,应凭据质料的利弊特性,针对特定的构造外形、机能和本钱要求,正在结构设计晚期即最先为详细的工艺计划、能够泛起的题目和处置惩罚要领等做出尽量仔细的剖析和计划,那是实现高水平复合材料机构的主要条件。因而,开辟复合材料汽车部件是一个异常庞大的系统工程。现在,外洋许多整车厂已建有完好的复合材料工艺系统和设想系统,相比之下,海内的汽车行业正在此方面照样一个空缺。跟着复合材料正在汽车工业运用的日趋增加,竖立专业的研发团队已成为国内汽车整车厂商的燃眉之急。 本文来自织梦

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