與大多數(shù)金屬材料相比,碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度(單位重量的強(qiáng)度)更高,雖然碳纖維復(fù)合材料單位重量的前期成本高于大多數(shù)金屬,但碳纖維復(fù)合材料的總生命周期成本較低。碳纖維常見(jiàn)應(yīng)用方式及成本控制如下:
碳纖維預(yù)浸料
碳纖維預(yù)浸料是一種典型的航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。預(yù)浸料是用環(huán)氧樹(shù)脂或其他樹(shù)脂預(yù)浸的單向碳纖維板。這些預(yù)浸料在室溫下是柔韌的,并且隨著溫度的升高變得更加柔韌。
在高溫下,環(huán)氧樹(shù)脂固化并硬化成剛性,形成結(jié)構(gòu)的最終形狀。由于預(yù)浸料在固化溫度以下的柔韌性,可以將這些層片堆疊并彼此疊置,然后將層壓板固化。熱塑性基體材料也可用,這些也可以形成預(yù)浸料。
使用熱塑性樹(shù)脂也可以加工預(yù)浸料,但不同的是熱塑性材料不會(huì)固化,在高溫冷卻時(shí)會(huì)結(jié)晶,使其變得堅(jiān)硬。如果再加熱熱塑性復(fù)合材料,可以重新形成或修復(fù)材料,而環(huán)氧樹(shù)脂基體系一旦固化,它們?nèi)匀皇莿傂缘摹?/div>
還需要注意的是,環(huán)氧樹(shù)脂基預(yù)浸料在使用前需要保存在冷凍室中,因?yàn)樵谑覝叵鹿袒矔?huì)緩慢進(jìn)行。環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料在冰箱中有保質(zhì)期,超過(guò)保質(zhì)期就不能使用。
熱塑性材料則不受此限制,因?yàn)樗鼈冊(cè)谑褂们翱梢栽谑覝叵聝?chǔ)存。熱塑性塑料通常比環(huán)氧樹(shù)脂更貴,但環(huán)氧基復(fù)合材料需要額外的運(yùn)輸和儲(chǔ)存成本。根據(jù)使用情況和制造方法,與環(huán)氧樹(shù)脂基系統(tǒng)相比,熱塑性復(fù)合材料的總生產(chǎn)成本可能更高或更低。
層合板加工工藝
為了制造復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu),需要一個(gè)工具表面,在該工具上面放置各個(gè)預(yù)浸料層,而且工具加工成本很高。鋼制模具也可能導(dǎo)致問(wèn)題,因?yàn)殇摰呐蛎浰俣冗h(yuǎn)遠(yuǎn)高于復(fù)合材料,因此,在加熱到固化溫度時(shí),這種熱膨脹失配可能導(dǎo)致復(fù)合材料的翹曲問(wèn)題。
為此,復(fù)合材料行業(yè)開(kāi)發(fā)出了易于加工、具有與復(fù)合材料相似的熱膨脹性、在反復(fù)的加熱和冷卻循環(huán)下能很好支撐的復(fù)合模具材料。與機(jī)械加工的鋼制模具相比,復(fù)合材料模具具有更高的投資回報(bào)率,因此這對(duì)于較小的批量生產(chǎn)而言更具吸引力。
層壓板通常采用手工鋪層工藝制造。切割預(yù)浸料層后,將其放置并堆放在工具表面上。手工疊放提供了很大的靈活性,在原型設(shè)計(jì)階段非常有用,但對(duì)生產(chǎn)操作來(lái)說(shuō)效率非常低。
自動(dòng)化鋪層
在過(guò)去的二十年中,自動(dòng)化疊層設(shè)備已經(jīng)被開(kāi)發(fā)并廣泛應(yīng)用于航空航天生產(chǎn)。一些設(shè)備制造商已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了自動(dòng)膠帶鋪放(ATL)和自動(dòng)纖維鋪放(AFP)設(shè)備。這些基本上是機(jī)器人系統(tǒng),將膠帶或纖維拖放到工具表面。這些機(jī)器比手糊系統(tǒng)快得多,需要的人力更少,而且更具可重復(fù)性。
計(jì)算機(jī)軟件可用于將層壓板配置的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)文件轉(zhuǎn)換為機(jī)器編程,以運(yùn)行AFP/ATL機(jī)器,其方式與計(jì)算機(jī)輔助加工(CAM)軟件目前用于加工零件的方式相同。
其他自動(dòng)化系統(tǒng)可用于拉擠復(fù)合材料梁、纖維纏繞、熱成型、簾布層切割和纖維貼片放置等。所有這些系統(tǒng)都通過(guò)以可靠且可重復(fù)的方式顯著降低了勞動(dòng)力成本并提高了生產(chǎn)量,從而降低了復(fù)合結(jié)構(gòu)制造的總體成本。
直接加工工藝
直接加工方法是另一種利用復(fù)合材料的材料特性,同時(shí)降低零件生產(chǎn)成本的方法。其中一種方法是將樹(shù)脂注入干燥的層壓板或織物上。在這里,不是用樹(shù)脂預(yù)浸漬纖維板,而是將纖維結(jié)構(gòu)放置在工具中,然后將樹(shù)脂注入結(jié)構(gòu)中。
可以使用上面帶有少量塑料的纖維帶和織物,這樣它們就可以在樹(shù)脂注入之前粘在相鄰的層上以將結(jié)構(gòu)固定在一起。然后將模具封閉在纖維預(yù)制件上,樹(shù)脂在樹(shù)脂傳遞模塑(RTM)過(guò)程中在壓力下注入工具,或使用真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑(VARTM)過(guò)程拉入工具。RTM和VARTM均在高溫下進(jìn)行,以幫助樹(shù)脂流入預(yù)制件。一旦樹(shù)脂完全浸透了預(yù)成型物,它就被固化以硬化結(jié)構(gòu)。
該工藝也可用于熱塑性基體材料,其中熱塑性材料在冷卻時(shí)變硬,但如果需要,可重新加熱進(jìn)行改造。直接加工處理方法可以通過(guò)消除整個(gè)過(guò)程中的一些步驟來(lái)顯著降低成本。干纖維預(yù)制件通常比鋪設(shè)預(yù)浸料層壓板的成本更低。預(yù)制件還可以結(jié)合編織、織物或縫合,在結(jié)構(gòu)中創(chuàng)建更多的三維纖維結(jié)構(gòu)。灌注和固化過(guò)程可以一步完成,節(jié)省時(shí)間和成本。
短切碳纖維注塑成型
短切纖維也可以包含在用于注塑成型的熱塑性材料中。傳統(tǒng)的注塑塑料和設(shè)備可用于大批量、低成本的生產(chǎn)。在熱塑性塑料中加入短切纖維,可以為注塑件提供附加的剛度和強(qiáng)度,從而降低注塑件的整體重量,滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)要求。注塑模具的成本可能很高,并且纖維會(huì)增加模具的磨損,因此僅適用于大批量應(yīng)用。
增材制造(3D打印)技術(shù)
增材制造是另一種可以降低總體結(jié)構(gòu)成本的技術(shù)。增材制造涉及一層一層建立結(jié)構(gòu)的制造過(guò)程,可以說(shuō)復(fù)合材料是原始的增材制造工藝,在該工藝中,通過(guò)手工鋪層來(lái)形成結(jié)構(gòu)。這些年來(lái),已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種增材制造技術(shù)和方法,并且企業(yè)正在積極探索和實(shí)施該技術(shù)。
AFP/ATL工藝顯然是復(fù)合層壓板結(jié)構(gòu)的增材制造方法。這些過(guò)程將繼續(xù)使用更復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行完善,以創(chuàng)建具有連續(xù)纖維的復(fù)雜三維幾何形狀。另外,將短切纖維摻入現(xiàn)有的增材制造方法中以產(chǎn)生復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。
熔融沉積建模(FDM)和選擇性激光燒結(jié)(SLS)都具有摻入短切碳纖維的能力,從而使部件比僅使用塑料的部件更硬、更堅(jiān)固、重量更輕。這些方法特別適用于托架、風(fēng)道和手柄,在這種情況下無(wú)需工具即可創(chuàng)建復(fù)雜形狀的功能具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)。