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碳纖維管加工與應用研究
摘要：本文對碳纖維管材的性能、加工方法和應用進行碳纖維復合材料方面的書籍了全面的介紹碳纖維復合材料方面的書籍，說明碳纖維管材在民用和軍用領(lǐng)域的重要意義碳纖維復合材料方面的書籍，有助于相關(guān)行業(yè)對本類產(chǎn)品做進一步的了解，推進碳纖維管材在更大范圍內(nèi)得到應用。
關(guān)鍵詞：碳纖維管材 制作方法 應用
1.概述
碳纖維管又稱碳素纖維管，也稱碳管、碳纖管，這種材料是用碳纖維復合材料預浸入苯乙稀基聚脂樹脂經(jīng)加熱固化拉擠纏繞做成的，碳纖維具有高強度、低密度、壽命長等特性，簡單的說，比鋁輕，比鋼硬，是良好的民用、軍用材料。近年來，碳纖維復合材料方面的書籍我國在碳纖維方面的研究和利用也在突飛猛進地發(fā)展，碳纖維管作為應用最早、最廣泛的碳纖維制品已被許多行業(yè)所接受，這些行業(yè)在積極主動使用碳纖維管作為原有金屬制品的替代品，以期獲得產(chǎn)品質(zhì)量的提升。本文就針對碳纖維管的優(yōu)勢、加工方法及應用做一個綜合性的論述。
2.碳纖維管材的優(yōu)點
2.1重量輕、強度高。
碳纖維管材密度小、重量輕，其比重僅是鋼材的四分之一，但是其抗拉強度很高，可達到3000MPa以上，是鋼材的6-12倍，是塑料制品的幾十倍。碳纖維管材輕質(zhì)高強的特性，使其在運輸和施工安裝都具有顯著的優(yōu)勢。
2.2耐腐蝕、抗老化，使用壽命長。
碳纖維材料能耐酸、堿、鹽、部分有機溶劑及其它腐蝕性侵蝕，在防腐蝕領(lǐng)域有其它金屬無法比擬的優(yōu)越性，除此之外，其還有較好的耐水性和抗老化性，因此無論在腐蝕性的環(huán)境、惡劣的氣候還是潮濕的環(huán)境中，碳纖維管材的使用壽命都可達到25年以上。
2.3表面光滑美觀，可設計性強。
碳纖維管材是采用碳纖維復合材料預浸入苯乙稀基聚脂樹脂經(jīng)加熱固化拉擠（纏撓）而成。在制作過程中，可以通過不同的模具生產(chǎn)出各種型材，如：不同規(guī)格的碳纖維圓管，不同規(guī)格的方管，不同規(guī)格的片材，以及其它不規(guī)則異型材，具有一定的設計性。經(jīng)過打磨噴漆，其表面顯得光滑美觀，在制作過程中也可以包3K進行表面包裝美化。
3.碳纖維管材的規(guī)格
碳纖維管材的型號規(guī)格多樣，按成型工藝不同可以分為拉擠管和纏繞管；按紋路不同可以分為平紋、斜紋和純黑；按表面處理不同可分為亮光、啞光；按形狀不同可以分方管、圓管和異形管，其中異型管包括橢圓管、工字管、半圓型管等。一般的碳纖維管材的直徑有10mm-800mm，長度最長可達10m。拉擠空心管1-25mm，壁厚0.5-5mm，拉擠實心管（棒）直徑0.5-30mm，編制空心管直徑1.0-70mm，壁厚0.5-5mm。
4.碳纖維管材的制作方法
4.1內(nèi)芯模具的制作。
內(nèi)芯模具要根據(jù)客戶對管材規(guī)格的要求進行制作，因為纖維纏繞時受到壓緊力，要求其集合形狀基本保持不變，因而在芯模原材料的選擇上，最好選擇具有良好剛性的金屬材料，如鋼和硬鋁，鋼的密度比硬鋁大，其硬度也比硬鋁大，但鋼的熱膨脹系數(shù)不及硬鋁。而高性能碳管制品是在高溫下進行固化的，如果采用硬鋁芯模，可通過硬鋁熱膨脹產(chǎn)生的固化內(nèi)壓，提高碳管的密度和力學性能。所以在高性能碳管的纏繞工藝中，芯模宜選用金屬材料，而硬鋁則是首選材料。
芯模的封頭設計盡量使用扁橢球式，這種形狀可以保持筒身部分纏繞均勻，無堆積現(xiàn)象，防止出現(xiàn)“滑移“和“架空“現(xiàn)象。芯模的筒身部分可以制成等直徑，但是如果制品長度很長，同時考慮到機床的加工精度以及脫模等條件的限制，等直徑的筒身部分在應用中也許會存在困難，但是如果采取帶錐度的芯模就可以解決這個問題，實驗證明，1:1500-3500的錐度加工芯模筒身比較適宜。對較長的制品，制作芯模時可考慮分段對接芯模，以確保制品尺寸穩(wěn)定。
通常在纏繞之前要在芯膜表面涂刷脫模劑，以便于之后的脫模，但是對于高性能碳管，有機類脫模劑在固化過程中易滲入樹脂中，造成制品缺陷，影響制品性能。如果在芯模表面涂覆一層含氟的脫模劑，就可以消除這種缺陷。
4.2根據(jù)規(guī)格要求，設計纖維層疊方式。
首先確定要做的板材厚度，按照厚度算出需要的層數(shù)，然后按照0°、45°、90°、-45°的順序疊層，然后模壓成型。
4.3將纖維層卷到內(nèi)芯模具， opp卷制包裹。
4.3.1碳纖維管的加工成型方法主要涉及以下三種：纏繞成型法，將碳纖維單絲纏繞在碳纖維軸上，特別適用于制作圓柱體和空心器皿；擠拉成型法，先將碳纖維完全浸潤，通過擠拉除去樹脂和空氣，然后在爐子里固化成型，這種方法簡單，適用于制備棒狀、管狀零件等；真空袋熱壓法，在模具上疊層，并覆上耐熱薄膜，利用柔軟的口袋向疊層施加壓力，并在熱壓罐中固化。
4.3.2在碳纖維管的實際加工過程中，最基本的加工成型方法是纏繞法，這種方法易于實現(xiàn)機械化、自動化，比起其他方法，具有勞動條件好、勞動強度低、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)成本低等特點，所以應用十分廣泛。具體方式又稱為濕法纏繞，即將浸膠后的碳纖維集束，在一定張力控制下直接纏繞在芯膜上的工藝方法。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。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。纏繞線型的方法是保證碳纖維纏繞產(chǎn)品質(zhì)量的重要前提，管道的使用情況不同，纏繞線型也不同，具體線型有環(huán)向纏繞、縱向平面纏繞和螺旋纏繞三種。
4.3.3纏繞成型法的基本操作過程是：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。在輥筒上不施加壓力，將引布先在涂有脫模劑的管芯上包繞一圈，然后放下壓輥，將引頭布在熱輥，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。
4.4烘烤硬化，去OPP，脫芯。
將定型好的卷料從卷繞機取出，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，這個過程也叫固化脫模。在脫模過程中，車加工或鉗工去除封頭，再脫下制品，這有可能損及芯模表面，影響芯模的反復使用，可以利用耐高溫膠粘劑補平或者焊接再磨削到位。
4.5 兩端切去不光滑平整的部分，經(jīng)過多道工序進行打磨、拋光。
初步完成的碳纖維管還需要進一步加工，首先根據(jù)成品的規(guī)格，將半成品的兩端多余部分去除，形成統(tǒng)一整齊的切面，然后經(jīng)過專業(yè)打磨機和人工手工打磨、拋光，才能形成光滑而有光澤的表面。
5.碳纖維管的連接方法：
碳纖維管的連接方式有以下幾種：
最常用的是用環(huán)氧樹脂來連接，連接成功后如果管子里面一般會有殘留的樹脂，可以用丙酮清洗干凈。
其次，利用碳纖維管自身的結(jié)構(gòu)來連接也比較常見。用碳鈦復合接頭在碳纖維管成型的過程中進行復合連接，不過，在連接的時候必須要考慮好受力的方式和連接件的結(jié)構(gòu)。
另外，還可以用鉆孔連接，只不過碳纖維管的強度大，硬度高，鉆孔很不容易，不小心就會導致管子裂開，所以對操作水平有較高的要求。
碳纖維管也可以用粘膠的方式連接，相對比較簡單，要是使用機械方式就很困難，因為碳纖維產(chǎn)品本身的強度和硬度，很難找到比它性能好的加工工具，即便有也非常昂貴，而且磨損比較快。
6.碳纖維管的應用
碳纖維管材的應用范圍非常廣泛，其輕而強的力學特性和耐疲勞性，使其適用于航空、航天、建筑、機械設備、軍工、體育休閑等結(jié)構(gòu)材料；其耐腐蝕、耐熱、垂直度好（±0.2mm）、機械強度高的特性，使產(chǎn)品適用于線路板印刷設備的傳動軸及醫(yī)療器械等；其強度高、抗老化，防紫外線、機械性能好的特性，適用于帳蓬、建筑建材、蚊帳、球袋、箱包、窗簾、廣告展架、雨傘、風帆、健身器材、箭桿、球桿、高爾夫練習網(wǎng)、旗桿開關(guān)插銷、水上運動器具等。碳纖維套管的保護線材、阻燃、增加線材強度等特性，近年來也頗受智能化領(lǐng)域的青睞。
7.碳纖維管的選擇
用于碳纖維管生產(chǎn)方面的碳纖維含量多少，直接決定其力學性能表現(xiàn)和價值。在選擇碳纖維管的時候，除了要關(guān)注碳纖維管中的碳纖維含量，也要重視用于生產(chǎn)碳纖維管的復合材料成分，不同的添加成分對產(chǎn)品的性能有不同的影響。但是最關(guān)鍵的一點，因為碳纖維復合材料屬于高新材料，整個行業(yè)特別是民用這一領(lǐng)域起步比國外要落后二三十年，國內(nèi)無論是碳纖維生產(chǎn)商還是加工制造廠家都數(shù)量有限，隨著這個行業(yè)的興起，很多小作坊式的加工商也躋身行列，造成了技術(shù)水平層次不齊，產(chǎn)品質(zhì)量缺乏保證等問題。因而，在碳纖維管材的選擇和訂制方面，本文綜合行業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)，羅列出該類型產(chǎn)品有一定影響力和品牌信譽的生產(chǎn)廠家，以供咨鑒。
7.1無錫威盛新材料科技有限公司（簡稱：威盛新材），是一家研發(fā)、制造碳纖維零部件的專業(yè)制造商，該公司擁有4000多平方的生產(chǎn)車間，配備大型熱壓機、熱壓罐、液壓成型臺、CNC高速銑床等多種設備，采用臺灣及日本等國際一流品牌原材料，產(chǎn)品通過美國UL、SGS以及ISO9001:2008等相關(guān)認證，產(chǎn)品常年出口歐美等國家。
7.2略
7.3略
8.碳纖維管的使用注意事項
碳纖維管雖然具有質(zhì)輕、堅實、抗拉、強度高等突出優(yōu)勢，但是在具體應用中也有一定的局限性，首先其制作依靠模具成型，難于更改尺寸，因而無法適應多尺寸多款式的訂單，現(xiàn)在的加工廠家還是依靠大批量訂做式訂單。在使用中，很多消費者發(fā)現(xiàn)碳纖維產(chǎn)品放置在陽光下會逐漸變白，因此碳纖維管材最好不要放置在陽光下，盡量貯藏在避光處。除此之外，因為碳纖維管具有一定的導電性能，因此使用時必須特別注意防電，禁止使用在需要絕緣的設備上。
9.結(jié)語
碳纖維管材憑借其優(yōu)良的性能在多個行業(yè)擁有廣泛的應用前景，但是這種優(yōu)良性能依靠的是有可靠保證的的原材料以及精湛的加工工藝，不是所有貼上“碳纖維”三個字的產(chǎn)品都能帶來所期望的質(zhì)量。所有正在或者準備使用碳纖維管材的廠家都需要具備相關(guān)的基礎知識，才能對碳纖維管材進行有效甄別，為自身的產(chǎn)品帶來質(zhì)的飛躍。
參考文獻
【1】《高性能碳纖維管纏繞芯模設計應用的幾點體會》，王建華、居建國、甄華生，《全國復合材料學術(shù)會議》，1998年。
【2】《碳纖維復合材料數(shù)控加工研究》，龔清洪、林勇、夏雪梅、楚王偉，《機械設計與制造》，2008.12。
【3】《碳纖維復合材料的孔加工》，張萬軍、劉永奇、錢秀松，《纖維復合材料》，2005.3
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