碳纤维复合材料制品研发的四大环节

  随着工业领域对于轻质高强材料需求的增加,先进碳纤维复合材料已经不仅仅应用于航空航天、国防等尖端领域,已经而且将更加广泛地应用于风电、轨道交通、汽车、新能源、医学、体育器材、机械、建筑等行业。先进树脂基碳纤维复合材料都是采用连续高性能纤维与高性能树脂基体进行复合来实现1+1>2的效果,在制造工艺方面也在强调控制成本(数字化、自动化、智能化)的基础上注重工艺的可靠性、产业化性,采用更多的设备来实现设计、制造、检验方面有别于普通碳纤维复合材料的高要求。碳纤维复合材料的应用会使产品更轻量化、会增加使用寿命、减少维护成本,从而达到更轻便、更节能、更环保、从而降低全寿命成本的目的。

  在碳纤维复合材料业界,常会听到这样的经典句式:设计是先导、材料是基础、工艺是关键、试验是保障。这四句话,说明了在碳纤维复合材料的研发中四个必要环节的作用及相互关联性,四个环节,相互依存,缺一不可。

  一、设计是先导:设计的先导作用体现在集成上,设计师在综合考虑使用环境、载荷、寿命、可修复性、功能性等因素的基础上还要兼顾制造的可行性、成熟度、可检验性,另外就是要考虑成本,民用产品更是要考虑成本的可接受性。树脂基碳纤维复合材料与金属材料不同,没有那么多设计数据可选,它首先在航空航天领域应用,积累的大量设计数据(包括材料的许用值、A级值、B级值等)多为内部使用,即便公开材料数据的材料体系,材料价格民品也很难接受,民用部门需要按照自己的选材积累数据,数据的离散系数还会比较大,这是一个很耗费时间与金钱的过程;设计师还要对树脂基碳纤维复合材料的成型过程有所了解,它不是象金属那样可以铸、锻、焊或机加生产出来的,而是在成型过程中才把纤维与树脂复合形成了碳纤维复合材料,特别是热固性树脂,这个过程是不可逆的,做成什么样就是什么样,所以要制定制品合格的判据,什么样的制品需要接受什么样的检查检验,多大的缺陷在多大的范围不能超过多少,什么样的允许修理,什么样的就得报废,允许的制件外观、贴模度、厚度公差、零件被加工的精度等等都需要设计师对每一个零件一一作出规定。

  树脂基碳纤维复合材料与金属不同还在于它的各项异性,这个特点既是优点也是不足,好的方面是设计师可以发挥想象将材料的特点尽情用到极致,比如纤维的拉伸方向,材料性能就会很好,设计师还需要克服材料的弱项,这往往就是木盆的短板,需要特别加以注意;碳纤维复合材料的结构还可以很丰富,比如纯层合结构,蜂窝(泡沫)夹层结构,可以是一层蜂窝两层面板的A夹层、也可以是两层蜂窝三层面板的C夹层,面板的材质可选(纤维与树脂的不同组合),蜂窝的材质、壁厚、高度、密度、孔格尺寸及形状等都可以根据需要进行选择与优化,这些给了设计师极大的选择余地,但也由此增加了碳纤维复合材料的设计难度;还有,树脂基碳纤维复合材料的耐温性与金属不可同日而语,需要耐受高温的部件需要选择能承受高温的树脂体系,否则只能放弃选择碳纤维复合材料制品。碳纤维复合材料制品的设计师之前多年多是军工系统培养的,现在民品需求多了,懂碳纤维复合材料设计的人才就显得十分缺乏,需要在岗的各行各业的设计师们改变观念,从头学起,积累经验,这会是一个较长的过程,需要不断学习、实践,结合问题找差距,螺旋式提升,军工企业的设计师也是这么一步步摸索着发展过来的。

  二、材料是基础:材料是基础其实很好理解,材料工作者就是要根据市场需要研发出符合用户需求的材料体系(纤维及树脂),摆上货架,供客户选择。材料的制造商应该提供材料的标准,这其中材料的基本性能,出厂检验的项目、标准及合格判据,标准状态下的使用方法,供应的状态及包装,产品的运输、储存方式等等都应有所交代。

  碳纤维复合材料中树脂基体不同,纤维(或织物)不同,材料的性能就不同。在碳纤维复合材料生产过程中,一些材料是构成制件的,还有一些只起辅助作用,只在成型过程使用,并不用在制品本身上,如:真空袋、密封胶条、透气毡等等,我们称之为辅助材料,这些辅助材料的成本往往也不价廉,需要在制造成本中一并考虑。材料的配套性也很重要,涂层、密封、粘接剂等,它们与主材的相容性需要验证,耐温等级、固化温度要相近,附着力等需要提出指标。热塑性碳纤维复合材料由于成型时间短、可多次成型、修复性好,正在成为比热固性碳纤维复合材料增长速度快的一大类新材料,配套的工艺及设备也在不断的出现。材料的供应商一定要经得起质量考验,能长期提供保质保量、性能稳定、性价比高的材料及售后服务才能称之为好的供应商。

  三、工艺是关键:只有通过成型工艺才能将纤维与树脂复合起来构成碳纤维复合材料,也正是在这个过程中给制品赋形、使树脂基体完成固化,达到预期的强度。碳纤维复合材料成型颠覆了金属成型的传统工艺,一种是层合而成,比如预浸料铺叠后的真空袋、模压、热压罐成型等,再有就是液体成型,将树脂注入铺有纤维的闭合模具中浸透纤维后固化获得制品。碳纤维复合材料可以通过整体化设计成型出复杂型面的制品,减少连接件和由此带来的重量、人工成本的增加,从而达到减重和降低成本的目的。 

  在碳纤维复合材料总成本中制造成本约占60%~70%,降低制造成本就成为碳纤维复合材料扩大应用领域的重头戏。降低成本必须要有批量的概念,否则没有意义。模具、工装、制造过程中必要的场地、人工、能源及检测都是成本构成的因素,后期的机加、装配、涂装也必须到位,修理也应在考虑的范畴内,这些环节缺一不可,只有控制好每一个环节,才能把好的制品质量进行传递,最终获得符合技术要求的制件。越来越多的制造设备及控制装置为碳纤维复合材料的批量生产做出了重要贡献。碳纤维复合材料制造的过程就是满足设计要求的过程,而使用要求的达到是通过设计满足的。

  四、试验是保障:检测的环节很多,材料性能评价需要,工艺参数摸索需要,产品的最终检验也必不可少。一个碳纤维复合材料产品是否达到了设计要求光目视检查还很不够,有的还需要测试“随炉件”的力学性能和进行内部结构的无损检测,需要进行尺寸(含厚度方向)、贴模度等检测,为了考核设计、材料、工艺的可行性和可靠性,有的还需用制品(或装配件)进行各类功能考核,如静力试验、疲劳试验、雷击试验、鸟撞试验、电性能检验等等。如果是军用材料,还须进行材料的各类环境试验,如:盐雾、湿热、高低温交变、耐有机溶剂、耐霉菌、老化等等,通过这些考验的材料才能用在相关的型号产品上。正是有了这么多、这么复杂的检测环节,才保障了碳纤维复合材料制件的质量,证明之前的各个过程的正确性。

  碳纤维复合材料行业是一个综合性很强的行业,需要一段时间的发展、磨合,它需要的配套技术与行业很多,大家必须要目标一致,协同发展。碳纤维复合材料是我们国家产品更新换代的一类重要材料,我们有幸成为国内的先行者,要想让更多的人了解碳纤维复合材料、学会设计、使用碳纤维复合材料,还需要更多的人为碳纤维复合材料的科普做贡献,只有更多的人熟悉碳纤维复合材料,才会有更多的人把这个行业做大,在做大的基础上,才能将这个行业逐渐推向成熟,从而做强。我们期待碳纤维复合材料行业的跨越发展,期待碳纤维复合材料行业为我们国家的发展和人民的福祉做出更大贡献!