碳纤维复合材料加工方法

碳纤维复合材料加工方法

        随着各行业对材料轻量化和卓越性能的追求，碳纤维及其复合材料的应用越来越广泛，目前还没有大批量应用的原因主要是成本和生产效率的问题。而成本主要是材料成本和批量化成型加工成本，如何高速、高效大批量生产高质量、低成本的碳纤维复合材料，减少材料浪费，已经成为业内的共识。

1.车削加工         车削是在碳纤维增强复合材料(CFRP )加工中应用最多的方法也是最基础的方法，通常适用于圆柱表面预定公差的实现。

适合车削可以应用的刀具主要材料为：硬质合金或陶瓷以及聚晶金刚石。加工工艺中进刀速率，所切深度，和切削的速度都会影响工件成品表面质量和道具损坏程度，这也是进行技术优化的目标方向。2.铣削加工         铣削通常是对成品工件再加工的一种加工方式，要求的加工精度较高，对复杂工件粗加工后的修缮性的铣削过程。在加工过程中，同样端铣刀和CFRP 之间要进行复杂的相互作用，造成 CFRP 工件存在没切断的纤维纱线以及分层现象。

为减少和避免类似缺陷产生，只要在加工前期，科学预测切削力和轴分层和未切断的纤维纱线毛边的现象时有发生的大小，控制加工工艺参数设置，将有效减少了毛刺毛边的产生。         主要的工艺参数，如纤维取向、轴向和切向进给速度、切削速度等，都会对工件表面粗糙度产生显著影响。铣削加工的技术要求：反复实验纤维取向，轴向和切向进给速度，形成最佳参数，进行铣削加工。

3.钻孔加工         工件要求螺栓或铆接装配时需钻孔操作，在CFRP 钻孔过程中仍然存在一定问题：材料的离层现象，刀具的严重损耗以及孔内壁的质量问题。经实验分析，设置的切削参数、钻头的几何形态以及切削的质量对上诉产生的问题均产生明显影响。通常把损伤区最大直径和孔径比率称为损伤因子，也是表示分层现象的程度，分层因子越大，表示分层问题越为严重。

        通过实验可以推理，切削过程中推力和分层现象产生也有相互关系，推削力的大小也可表示分层程度。基于相同的钻孔材料，不同于其他加工方式，钻孔加工中切削速率不会给切削力产生很大影响。         在同一切削参数下，与麻花钻头相比，参数对复合型特殊钻头分层影响较低。

对于特殊几何特征的钻头，较大的进给速度和钻头直径可以减少分层，并且不同直径比钻孔切削力会随着直径比的减小而增大，随着进给速度的增大而增大。 4.磨削加工         通常在船舶制造，航天工业领域，对 CFRP 的工件质量要求更为苛刻。工件精度和质量都要求在较高加工方式下进行，而磨削加工的施工工艺恰恰符合其制造要求。磨削加工件精度要求十分严格，需对已经粗加工的工件进行细磨加工。

磨削加工          CFRP 要比金属困难和复杂得多，国内外学者也进行了相关研究，设计了一种杯形砂轮，在其内部提供冷却液对CFRP 进行磨削加工，比较了干式磨削、外部冷却液磨削和内部冷却液磨削3种加工方式，结果显示 ：内部冷却液磨削方式加工过程中，附着于砂轮上的基体树脂明显减少，砂轮中的磨粒能更有效地磨削纤维且在材料表面不会产生层离或毛刺现象。这种砂轮内部提供冷却液的方法展示出了更强的冷却效果，能显著降低磨削温度，同时有利于切屑的排出。5.超声振动加工技术         超声振动加工机理是建立在传统加工过程中刀具和工件相对运动的基础上的，然后在对两者施加一定的超声振动，从而生产出性能更优越的复合型材料。该技术属于对传统技术的优化和辅助，较传统加工方式，技术更加先进，成品工件表面质量更加细腻，同时也降低裂纹产生的现象，节省了加工成本。

有效减低了CFRP增强复合材料的加工难度，超声波的应用，彻底改善了材料去除机理，降低工具和工件相互的摩擦力，减少了工具加工时间，增强了刀具作用力，提高了加工效率，减少了刀具磨损，使工件加工的精度和质量更先进。主要有超声振动钻孔加工、超声振动磨削加工、超声振动铣削加工，超声振动切削加工。 (1)超声振动钻孔加工         超声振动钻孔加工是一种非传统的加工方法，在高效钻削加工复合材料方面具有很大发展潜能，其主要优点包括：减小切削力和力矩;提高加工表面质量，减少毛刺;避免分层现象发生等。         有学者研究以金刚石磨粒旋转超声振动钻孔加工 CFRP，旋转超声钻孔加工如图 3 所示。

对 CFRP的机理分析表明：CFRP 的材料去除机理更适用于脆性断裂而不是塑性变形，建立切削力模型用于预测加工参数和加工环境对切削力影响的关系，并通过试验验证了该力学模型的准确性。 (2)超声振动磨削加工 超声振动磨削加工结合了金刚石磨削加工材料去除机理和具有超声加工特点的复合式磨削加工技术。其优点主要有：可产生切削力减小和切屑减薄的效果;改善工件表面精度和形状精度;提高材料去除率，延长工具的寿命;提高脆性与延性域发生转变的临界切削深度，实现脆性材料的延性域加工。

碳纤维复合材料成型方法及工艺

复合材料加工工艺是在同一基础上根据不同材料的特性及应用目的而不断衍生发展的。碳纤维复合材料在发挥质轻、强度大的基础上，也会根据应用对象的差异而采用不同的成型工艺，从而尽可能地发挥出碳纤维所具有的特殊性能。

下面小编针对适用于碳纤维复合材料的成型工艺及其应用以及碳纤维复合材料的成型方法。

希望能够给大家带来帮助。一、碳纤维复合材料的成型方法1、模压法。这种方法是将早已预浸树脂的的碳纤维材料放入金属模具中，加压后使多余的胶液溢出来，然后高温固化成型，脱膜后成品就出来了，这种方法最适合用来制作汽车零件。22、手糊压层法。

将浸过胶后的碳纤维片剪形叠层，或是以便铺层一边刷上树脂，再热压成型。这个方法可以随便选择纤维的方向、大小和厚度，被广泛使用。注意的是铺层后的形状要小于模具的形状，这样纤维在模具内受压时就不会挠曲。

33、真空袋热压法。在模具山叠层，并覆上耐热薄膜，利用柔软的口袋向叠层施加压力，并在热压灌中固化。44、缠绕成型法。

将碳纤维单丝缠绕在碳纤维轴上，特别适用于制作圆柱体和空心器皿。55、挤拉成型法。先将碳纤维完全浸润，通过挤拉除去树脂和空气，然后在炉子里固化成型。

这种方法简单，适用于制备棒状、管状零件。二、碳纤维复合材料成型工艺1.手糊成型：在模具工作面上涂敷脱模剂、胶衣，将剪裁好的碳纤维预浸布铺设到模具工作面上，刷涂或喷涂树脂体系胶液，达到需要的厚度后，成型固化、脱模。在制备技术高度发达的今天，手糊工艺仍以工艺简便、投资低廉、适用面广等优势在石油化工容器、贮槽、汽车壳体等许多领域广泛应用。其缺点是质地疏松、密度低，制品强度不高，而且主要依赖于人工，质量不稳定，生产效率很低。

2.喷射成型：属于手糊工艺低压成型中的一类，使用短切纤维和树脂经过喷枪混合后，压缩空气喷洒在模具上，达到预定厚度后，再手工用橡胶锟按压，然后固化成型。为改进手糊成型而创造的一种半机械化成型工艺，在工作效率方面有一定程度的提高，用以制造汽车车身、船身、浴缸、储罐的过渡层。3.层压成型：将逐层铺叠的预浸料放置于上下平板模之间加压加温固化，这种工艺可以直接继承木胶合板的生产方法和设备，并根据树脂的流变性能，进行改进与完善。层压成型工艺主要用来生产各种规格、不同用途的复合材料板材。

具有机械化和自动化程度高、产品质量稳定等特点，但是设备一次性投资大。4.缠绕成型：将经过树脂胶液浸渍的连续纤维或布带按一定规律缠绕到芯模上，然后固化、脱模成为复合材料制品的工艺。碳纤维缠绕成型可充分发挥其高比强度、高比模量以及低密度的特点，可用于制造圆柱体、球体及某些正曲率回转体或筒形碳纤维制品。5.拉挤成型：将浸渍树脂胶液的连续碳纤维丝束、带或布等，在牵引力的作用下，通过挤压模具成型、固化，连续不断地生产长度不限的型材。

拉挤成型是复合材料成型工艺中的一种特殊工艺，其优点是生产过程可完全实现自动化控制，生产效率高。拉挤成型制品中纤维质量分数可高达80%，浸胶在张力下进行，能充分发挥增强材料的作用，产品强度高，其制成品纵、横向强度可任意调整，可以满足制品的不同力学性能要求。该工艺适合于生产各种截面形状的型材，如工字型、角型、槽型、异型截面管材以及上述截面构成的组合截面型材。

6.液态成型：将液态单体合成为高分子聚合物，再从聚合物固化反应为复合材料的过程改为直接在模具中同时一次完成，既减少了工艺过程中的能量消耗，又缩短了模塑周期(只需约2分钟便可完成一件制品)。但这种工艺的应用，必须以精确的管道输送和计量以及温度压力自动控制为基础，属于高分子材料和近代高新科学技术的交叉范畴，目前的应用还不是很广。7.真空热压罐：将单层预浸料按预定方向铺叠成的复合材料坯料放在热压罐内，在一定温度和压力下完成固化过程。

热压罐是一种能承受和调控一定温度、压力范围的专用压力容器。坯料被铺放在附有脱模剂的模具表面，然后依次用多孔防粘布(膜)、吸胶毡、透气毡覆盖，并密封于真空袋内，再放入热压罐中。加温固化前先将袋抽真空，除去空气和挥发物，然后按不同树脂的固化制度升温、加压、固化。固化制度的制定与执行是保证热压罐成型制件质量的关键。

该种成型工艺适用于制造飞机舱门、整流罩、机载雷达罩，支架、机翼、尾翼等产品。8.真空导入：简称VIP，在模具上铺“干”碳纤维复合材料，然后铺真空袋，并抽出体系中的真空，在模具腔中形成一个负压，利用真空产生的压力把不饱和树脂通过预铺的管路压入纤维层中，让树脂浸润增强材料，最后充满整个模具，制品固化后，揭去真空袋材料，从模具上得到所需的制品。该工艺在1950年就出现了专利记录，但在近几年才得到发展。

在真空环境下树脂浸润碳纤，制品中产生的气泡极少，制品的强度更高、质量更轻，产品质量比较稳定，而且降低了树脂的损耗，仅用一面模具就可以得到两面光滑平整的制品，能较好地控制产品厚度。一般应用于船艇工业中的方向舵、雷达屏蔽罩，风电能源中的叶片、机舱罩，汽车工业中的各类车顶、挡风板、车厢等。总结：随着碳纤维复合材料应用的深入和发展，碳纤维复合材料的成型方式也在不断地以新的形式出现，但是碳纤维复合材料的诸种成型工艺并非按照更新淘汰的方式存在的，在实际应用中，往往是多种工艺并存，实现不同条件、不同情况下的最好效应。同时碳纤维重量比铝轻，强度却高于钢，又有耐腐蚀、耐高温、模量高等优点，被称为“新兴材料之王”。

碳纤维的产品在很多领域都有应用。希望以上的这些知识能够帮到大家，祝大家生活愉快。

碳纤维复合材料加工特性表现为?

1、刀具磨损情况严重、寿命较低 碳纤维具有高强度和高硬度(HRC53-65)，作为切削硬质点直接与刀具刃口发生剧烈的摩擦，造成刀其磨损，未及时排出的切屑挤压填充在切削区域，与刀具表面发生研磨作用，加速刀具磨损。基体的剪切、纤维的断裂，及切削刃与切屑和己加工表面之间的摩擦都会伴随切削热的产生，而碳纤维增强复合材料的导热性差，切削热主要集中在刀具切削刃附近，烧蚀刀具表层材料，降低刀具的切削性能，因而对刀具的切削性能要求很高。

2、碳纤维增强复合材料产生分层、撕裂、毛边等缺陷 碳纤维增强复合材料的层间结合强度低，加工过程中垂直铺层方向的切削力如若超过层间结合强度就会引起分层缺陷，即使徽小的分层也可能导致整个零件的报废。

碳纤维增强复合材料最外层在加工时处于自由状态，是层间破坏最集中的部位.钻孔时，在轴向力的作用下，最外层材料发生变形和退让，从而引起材料的分层、撕裂和隆起。加工自由表面的纤维在没有被切断的悄况下容易被拉出墓体形成毛边。 3、产生残余应力 由于碳纤维和基体树脂的热胀系数相差较大，在较高切削热的作用下，工件容易产生残余应力，影响加工表面的尺寸精度和表面粗糙度。 4、粉尘污染严重 加工碳纤维增强复合材料过程中，如若使用水性切削液，会对材料本身产生不利的影响，因此，碳纤维增强复合材料的加工多采用千式切削。

黑色粉末状的切屑粉尘，以一种不均匀，无规则的运动状态飘散到周围的空间中。碳纤维粉尘刺激人体皮肤和呼吸道，不利于操作人员的健康，而导电的切屑易使机床电路发生短路故障。

碳纤维复合材料成型工艺

        碳纤维复合材料虽然性能优异，但因为成本和批量化生产效率的问题，迟迟没有大规模应用。如何高速、高效大批量生产高质量、低成本的碳纤维复合材料，并提高材料利用率，是业界人士的共同目标。

        碳纤维复合材料在发挥其轻质高强的基础上，会根据应用对象的差异采用不同的成型工艺，从而尽可能地发挥出碳纤维所具有的特殊性能。

成型工艺改进、优化的目的主要是提高效率和制品质量，从而降低整体的加工成本。 （1）手糊成型工艺--湿法铺层成型法； （2）喷射成型工艺； （3）树脂传递模塑成型技术（RTM技术）； （4）袋压法（压力袋法）成型； （5）真空袋压成型； （6）热压罐成型技术； （7）液压釜法成型技术； （8）热膨胀模塑法成型技术； （9）夹层结构成型技术； （10）模压料生产工艺； （11）ZMC模压料注射技术； （12）模压成型工艺； （13）层合板生产技术； （14）卷制管成型技术； （15）纤维缠绕制品成型技术； （16）连续制板生产工艺； （17）浇铸成型技术； （18）拉挤成型工艺； （19）连续缠绕制管工艺； （20）编织复合材料制造技术； （21）热塑性片状模塑料制造技术及冷模冲压成型工艺； （22）注射成型工艺； （23）挤出成型工艺； （24）离心浇铸制管成型工艺； （25）其它成型技术。          随着碳纤维复合材料应用的深入和发展，碳纤维复合材料的成型方式也在不断地以新的形式出现，但是碳纤维复合材料的诸种成型工艺并非按照更新淘汰的方式存在的，在实际应用中，往往是多种工艺并存，实现不同条件、不同情况下的最好效应。相信在未来几年碳纤维复合材料成型速度会不断提高，或许一分钟内成型将不会是空谈。

        在模具工作面上涂敷脱模剂、胶衣，将剪裁好的碳纤维预浸布铺设到模具工作面上，刷涂或喷涂树脂体系胶液，达到需要的厚度后，成型固化、脱模。在制备技术高度发达的今天，手糊工艺仍以工艺简便、投资低廉、适用面广等优势在石油化工容器、贮槽、汽车壳体等许多领域广泛应用。其缺点是质地疏松、密度低，制品强度不高，而且主要依赖于人工，质量不稳定，生产效率很低。

         属于手糊工艺低压成型中的一类，使用短切纤维和树脂经过喷枪混合后，压缩空气喷洒在模具上，达到预定厚度后，再手工用橡胶锟按压，然后固化成型。为改进手糊成型而创造的一种半机械化成型工艺，在工作效率方面有一定程度的提高，但依然满足不了大批量生产，用以制造汽车车身、船身、浴缸、储罐的过渡层。        将逐层铺叠的预浸料放置于上下平板模之间加压加温固化，这种工艺可以直接继承木胶合板的生产方法和设备，并根据树脂的流变性能，进行改进与完善。

层压成型工艺主要用来生产各种规格、不同用途的复合材料板材。具有机械化和自动化程度高、产品质量稳定等特点，但是设备一次性投资大。         将经过树脂胶液浸渍的连续纤维或布带按一定规律缠绕到芯模上，然后固化、脱模成为复合材料制品的工艺。

碳纤维缠绕成型可充分发挥其高比强度、高比模量以及低密度的特点，制品结构单一，可用于制造圆柱体、球体及某些正曲率回转体或筒形碳纤维制品。         将浸渍树脂胶液的连续碳纤维丝束、带或布等，在牵引力的作用下，通过挤压模具成型、固化，连续不断地生产长度不限的型材。拉挤成型是复合材料成型工艺中的一种特殊工艺，其优点是生产过程可完全实现自动化控制，生产效率高。拉挤成型制品中纤维质量分数可高达80%，浸胶在张力下进行，能充分发挥增强材料的作用，产品强度高，其制成品纵、横向强度可任意调整，可以满足制品的不同力学性能要求。

该工艺适合于生产各种截面形状的型材，如工字型、角型、槽型、异型截面管材以及上述截面构成的组合截面型材，碳纤维复合芯导线主要采用这种成型工艺。        将液态单体合成为高分子聚合物，再从聚合物固化反应为复合材料的过程改为直接在模具中同时一次完成，既减少了工艺过程中的能量消耗，又缩短了模塑周期（只需约2分钟便可完成一件制品）。但这种工艺的应用，必须以精确的管道输送和计量以及温度压力自动控制为基础，属于高分子材料和近代高新科学技术的交叉范畴，目前的应用还不是很广。液态成型主要包括：RTM成型工艺、RFI成型、VARI成型。

         树脂膜渗透(RFI)成型工艺示意图如下。主要优点是模具比RTM工艺模具简单，树脂沿厚度方向流动，更容易浸润纤维，没有预浸料，成本较低。但所得制品尺寸精度和表面质量不如RTM工艺，空隙含量较高，效率也稍微低一些，适合生产大平面或简单曲面的零件。         真空辅助成型工艺(VARI)的示意图如下，这种方法的优点是原材料利用率高，制件修整加工量少，不需要预浸料，成本较低，适用于常温或温度不高的大型壁板结构件生产。

但缺点和RFI成型工艺相似。            将单层预浸料按预定方向铺叠成的复合材料坯料放在热压罐内，在一定温度和压力下完成固化过程。热压罐是一种能承受和调控一定温度、压力范围的专用压力容器。

坯料被铺放在附有脱模剂的模具表面，然后依次用多孔防粘布(膜)、吸胶毡、透气毡覆盖，并密封于真空袋内，再放入热压罐中。加温固化前先将袋抽真空，除去空气和挥发物，然后按不同树脂的固化制度升温、加压、固化。固化制度的制定与执行是保证热压罐成型制件质量的关键。

该种成型工艺适用于制造飞机舱门、整流罩、机载雷达罩，支架、机翼、尾翼等产品。 这种方法使用较多，主要优点是： （1）制品尺寸稳定，重复性好； （2）纤维体积含量高（60%-65%）； （3）力学性能可靠； （4）几乎可成型所有的材料； （5）可固化不同厚度的层合版； （6）可制造复杂曲面的零件。 但也存在以下不足： （1）制件大小受热压罐尺寸限制； （2）周期长、生产效率低； （3）耗能高，运行成本高。        简称VIP， 在模具上铺“干”碳纤维复合材料，然后铺真空袋，并抽出体系中的真空，在模具腔中形成一个负压，利用真空产生的压力把不饱和树脂通过预铺的管路压入纤维层中，让树脂浸润增强材料，最后充满整个模具，制品固化后，揭去真空袋材料，从模具上得到所需的制品。

该工艺在1950年就出现了专利记录，但在近几年才得到发展。在真空环境下树脂浸润碳纤，制品中产生的气泡极少，制品的强度更高、质量更轻，产品质量比较稳定，而且降低了树脂的损耗，仅用一面模具就可以得到两面光滑平整的制品，能较好地控制产品厚度。一般应用于船艇工业中的方向舵、雷达屏蔽罩，风电能源中的叶片、机舱罩，汽车工业中的各类车顶、挡风板、车厢等。

        将碳纤维预浸料置于上下模之间，合模将模具置于液压成型台上，经过一定时间的高温高压使树脂固化后，取下碳纤维制品。这种成型技术具有高效、制件质量好、尺寸精度高、受环境影响小等优点，适用于批量化、强度高的复合材料制件的成型。但前期模具制造复杂，投入高，制件大小受压机尺寸的限制。 预浸料基材的成型工艺         另外片状模塑料（Sheet Molding Compound，SMC）模压成型工艺、长碳纤维增强热塑性材料（Long Carbon Fiber Reinforced Thermolplastics，CF-LFT）注塑成型工艺也得到了广泛应用。

        SMC由树脂糊浸渍纤维或短切纤维毡，两面覆盖聚乙烯薄膜而制成的片状模压料，属于预浸毡料范围。SMC成型效 率高、产品的表面光洁度好、外形尺寸稳定性好，且成型周期短、成本低，适合大批量生产，适合生产截面变化不太大的薄壁制品，在GFRP汽车部件生产领域已得到广泛应用。目前，在车用CFRP成型工艺方面，SMC主要用于片状短切纤维复合材料的生产，由于纤维的非连续性，制品强度不高，且强度具有面内各向同性特点。

而碳纤维在树脂糊中的润湿性是SMC工艺面临的重要课题，通过对碳纤维进行必要的表面处理，并采用适当的润湿分散剂能够有效提高碳纤维在树脂糊中的润湿性和均匀性。碳纤维SMC也在汽车工业领域获得了不少应用。 SMC的参考工艺流程         模压工艺在欧美虽然已经有相当长的应用历史，但是在国内�。

碳纤维如何加工

现代碳纤维产业化的途径是前体纤维碳化工艺。用这三种原纤维生产碳纤维的工艺包括稳定化处理（200-400摄氏度的空气，或用耐火试剂进行化学处理）、碳化（400-1400摄氏度，氮）和石墨化（1800摄氏度以上，在氩气氛中）。

为了提高碳纤维与复合材料基体的结合性能，需要进行表面处理、上浆和干燥等工艺。

另一种制造碳纤维的方法是气相生长。在催化剂存在下，甲烷和氢气的混合物在1000度时可以发生反应。生产最大长度为50cm的不连续短碳纤维。其结构不同于聚丙烯腈基或沥青基碳纤维。

易石墨化，力学性能好，导电率高，形成层间化合物。扩展资料：碳纤维的发展：20世纪90年代初，高性能和超高性能碳纤维问世。预计未来的工作将致力于改进工艺、扩大生产、降低成本和开发应用程序。

一些特殊的碳纤维，如抗氧化碳纤维（提高复合材料的使用温度）、低纤维碳纤维（制作0.035mm超薄预浸带）。高导热性和低电阻碳纤维（满足屏蔽电磁和射频干扰，并释放多余热量）、低热膨胀系数碳纤维（用于卫星天线系统、镜子等）、中空碳纤维（用于飞机制造）工业上，提高复合材料、核反应堆高温过滤介质的冲击韧性）。随着科学和工程的发展，生物大分子血清和血浆介质的分离和活性炭纤维将得到极大的发展。

在不久的将来，气相生长碳纤维的连续生产将取得显著进展，工业化的日期也不会太远。