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碳纤维制品加工的前景


  碳纤维被用于航天军工、体育用品、汽车工业产品方面已广为人知,随着碳纤维大丝束的发展及碳纤维价格的下降,一些新的市场正迅速发展。目前碳纤维已被列为国家化纤行业重点扶持的新产品,成为国内新材料行业研发的热点,因此碳纤维复合材料有了很好的发展及应用前景。
  碳纤维是一种纤维状的碳素材料,含碳量在95%以上,通常与树脂、金属、陶瓷等基体结合作为复合材料使用,一般不单独使用,与传统金属材料相 比,碳纤维密度仅为钢材的1/5,而强度可达钢材的7-10倍,其中环氧树脂基碳纤维复合材料被广泛应用于汽车工业、轨道交通、医疗器械、体育器材等高强 度减重结构部件,此外碳纤维材料在石油、冶金、纺织等领域的应用也相当广泛。由于国内技术能力的限制,目前我国高端碳纤维材料仍依赖进口,并形成国内深加 工的现象。目前国内从事碳纤维复合材料制品的生产厂家多达数千家,但是由于产能产量的原因,碳纤维制品仍需大量进口。据相关报道显示,2014年上半年我 国碳纤维及制品进口量为5513.2吨,年进口量在一万吨左右,进口依存度依旧在高位徘徊。
  究其原因,我国碳纤维生产及下游产品制造技术仍落后于美、日及其他欧美等国家。目前,国内碳纤维复合材料的成型工艺主要有手糊成型工艺、缠绕成 型工艺、拉挤成型工艺、树脂传递模塑成型工艺和模压工艺。而树脂传递模塑成型工艺(RTM)是国内碳纤维下游制造企业常用的一种成型工艺,成型后的制件性 能优良,适合年产量在5万套左右的部件。是世界上公认的低成本复合材料成型技术,该技术发展很快,并已在汽车工业上广泛采用。如无锡威盛新材料科技有限公 司为中国中车集团制造的一款工字形碳纤维结构部件。该结构件长780mm,腰高42mm,腰厚6mm,腿宽52mm,经检测强度远超原工字钢,且重量仅为 750g,有效减重达62%,该部件具有耐酸碱等腐蚀、密度小、寿命长等优点,为列车轻量化发展产生较大经济效益。据悉,常州今创集团的相关列车结构部件 也已在该公司进行研发试样阶段。
  此外,真空袋压也是碳纤维复合材料制品生产的工艺之一,该工艺的主要优点是采用普通湿法铺层技术,通常可获得高碳纤维含量的复合材料,环氧树脂 可较好地浸渍碳纤维。主要缺点是额外的工艺过程增加了劳动力和成本,并且要求操作人员有较高的技术水平,生产效率不高。手糊成型工艺,它是依次在模具型腔 表面涂布或铺迭脱模剂、胶衣、粘度适中的环氧树脂(胶衣凝胶后涂覆)和碳纤维,手持辊子或刷子使环氧树脂浸渍碳纤维,并驱除气泡,压实基层。铺层操作反复 多次,直到达到制品的设计厚度。该工艺的主要优点是可室温成型,设备投资少,模具折旧费低,可制造大型制品。主要缺点是属于劳动密集型生产,制品质量由工 人技术熟练程度决定,手糊用树脂分子量低,通常可能较分子量高的树脂有害于人的健康和安全。
  碳纤维复合材料产品的制造技术涉及材料、设计和工艺三方面,这三方面互相影响,不可缺少。国内碳纤维材料经过近40年的研究、应用及发展,虽然 取得了长足的进步,但是由于成本及回收等因素,发展进度仍令人堪忧。从目前来看,除了成本因素外,碳纤维复合材料的生产和制造均不同于传统金属,无论是结 构设计、材料选择还是工艺制造均缺乏经验和数据积累,也缺少新的设计标准。另外,只有彻底解决了回收利用问题,碳纤维复合材料才可能降低造价及广泛利用。
  随着碳纤维制备技术、碳纤维表面处理技术的进一步发展,环氧树脂/碳纤维复合材料的综合性能还将会得到提高,并将极大地推动环氧树脂/碳纤维复 合材料的发展,并有效地拓宽环氧树脂/碳纤维复合材料的应用领域。目前,国家已在战略层面上加强了对碳纤维产业的重视和扶持,并构建平台,大力开展产学研 合作模式以推动上游生产工艺改良和下游制造与应用。