碳纤维环氧体系拉挤工艺研究

碳纤维复合材料作为国家战略性新型材料一直广受关注，从军工到民用，渗透到我们生活中的各个角落。根据日本东丽的碳纤维分级来说，碳纤维分为T300～T1000不等，越往上碳纤维等级越高。其中每个等级又分为1K、3K、6K、12K、24K、48K、60K、80K，K代表1000，也就是说1k代表每一束碳纤维中有1000根单丝，80k代表每一束碳纤维中有80000根单丝。

一般来说，12k以下被统称为小丝束碳纤维，又被称作“航空航天级”碳纤维，12k以上被称为大丝束碳纤维，或者是工业级碳纤维。本文所介绍的拉挤复合材料由于尺寸较大，故而选择大丝束碳纤维。

2　引纱与浸胶
 

置于轴架上的连续碳纤维通过导向和排列装置引出,送至树脂浸渍单元,导向装置的设计要求是使碳纤维从轴架到口模保持平直,对所有纤维束施加的力相等,避免因纤维束间张力的变化导致拉挤制品扭曲变形。浸渍操作中,首先在树脂浸渍槽中精确地量入热固性树脂和固化剂等,将树脂、固化剂与脱模剂按一定质量比混合,搅拌均匀注入树脂浸渍槽。一般树脂厂家都会给出指导性的配比，其中少量的内脱模剂必不可少，防止在热固成型过程中堵塞模具。

在整个浸渍过程中，纤维浸润要完全，不应存在干纤维，干纤维的存在会导致拉挤物产生缺陷，控制碳纤维浸润程度的一个重要工艺参数是树脂体系的粘度，该粘度称为初始粘度，其大小不仅与树脂本身有关，而且与添加剂、温度有关。除了初始粘度以外，碳纤维浸润效果还与浸润时间、浸润时树脂的温度和浸渍槽中碳纤维的工作状态有关，一般来说，给定了初始粘度，碳纤维工作状态正常，浸渍时间延长，树脂温度升高，均可以改善纤维浸润程度。

在这一过程中，还要注意以下几点：

（1）由于大丝束碳纤维中每束碳纤维较多，要时刻注意树脂对碳纤维单丝的浸润情况，不仅碳纤维丝束表面要有较好的浸润，还要保证碳纤维丝束内部也都能够浸润充分，否则会造成内部缺陷，影响最终产品的性能。

（2）树脂的粘度要保持在一定的范围，室内温度要控制好，如果天气温度过低的话，可以考虑胶槽加温，以保证树脂能够随着碳纤维顺利地进入模具口，不会被挤出来，也不会堵塞。

3　加热固化 
 

一般来说，拉挤过程分为三个加热区域。首先是预热区，作用是为下一区域反应做准备；其次是凝胶区，在这个区域中，树脂发生固化交联并产生相变，从粘稠态转变为凝胶态；最后是恒温区，防止温度骤变使得复合材料产生裂纹。口模区域的温度控制关系到拉挤生产速率和制品的质量。温度控制的关键是使物料固化速率与型材牵引速度一致，同时，还要保证加热均匀，物料各处固化速率尽量一致。口模处通常采用板式或筒式接触加热器。目前，高频预热和高频固化解决了快速固化的问题。对于不同类型的树脂，三个区域的温度各不相同，总体来说，其中的规律为依次增大。另一方面，针对不同尺寸的复合材料，三个区域的温度也有所变化，比如尺寸大、较厚的拉挤杆件，固化温度要高于树脂的固化温度，因为温度是从复合材料的表面向内传递，这样才能使得里面的树脂完全固化，和碳纤维很好地结合在一起。

4　牵引
 

拉挤成型通常使用夹持牵引装置，该装置有两副内部形状与制件相匹配的家具，拉挤物处于夹具中间，夹具靠压缩空气上下启闭，该夹具安装在支撑座上，液压油缸驱动夹持装置作往复运动，为了不损伤拉挤物的表面，夹具与拉挤物接触常衬以聚氨酯材料。牵引装置的线速度与模具温度和树脂体系配合，以保证模具内部有良好的固化反应。生产不同的产品，应选择不同的牵引速度，因此，要求牵引装置速度可以调节。

5　后固化
 

拉挤工艺的控制还应该考虑后固化的问题，对于大型制件尤为重要。因此不论连续成型加工中速度多慢，也很难产生像间歇生产那样的固化状态。拉挤成型后期固化简单方式是安装一个加热固化室，而更多采用的是在一个分离的加热室，用来后固化，保证固化程度。