陸蕾蕾，宋功品

(江陰職業(yè)技術學院環(huán)境與材料工程系，江蘇 江陰 214405)

作為新材料之一的碳纖維材料，擁有非常優(yōu)異的力學性能，該材料具有擇優(yōu)取向的石墨微晶結構，因此碳纖維有著較高的彈性模量和比強度。碳纖維樹脂基復合材料還具有較高的拉伸強度，其疲勞強度的極限可達到拉伸強度極限的75%，因此碳纖維樹脂基復合材料呈現出良好的粘彈性和耐疲勞性。

碳纖維增強樹脂基復合材料(CFRP)一般可以分為兩類：碳纖維增強熱塑性塑料和碳纖維增強熱固性塑料。碳纖維增強熱固性塑料(CFSTP)具有較好的力學性能，體現在較高的低溫和高溫力學性能，另外抗疲勞性和耐腐蝕性能都好，且有較高的比強度和比模量，可以通過改變設計和加工的措施以獲得材料多項特殊技能，從而滿足不同應用的要求。碳纖維增強熱塑性塑料(CFRTP)的韌性好，損傷容限大，耐環(huán)境性能優(yōu)異，在水、光、溶劑和化學藥品存在情況下均有較好耐受性，其耐高溫性能好，可以長期在150 ℃以上溫度條件下工作；其預浸體儲存期長，工藝簡單效率高，成型后的制品裝配自由度大，廢料可回收，在許多工業(yè)領域中都有著廣泛的應用前景。

碳纖維復合材料的加工工藝主要有：手糊工藝、噴射成型工藝、纖維纏繞成型、拉擠成型和模壓成型工藝。其中，模壓成型工藝生產效率高，原料的損失小， 制品的收縮率小且重復性較好，制品的內應力很低，產品翹曲變形也很小，機械性能較穩(wěn)定，容易實現機械化和自動化。模壓成型(又稱壓制成型或壓縮成型)是先將粉狀，粒狀或纖維狀的塑料放入成型溫度下的模具型腔中，然后閉模加壓而使模壓料成型并固化的工藝過程[1-4]。

1 碳纖維增強PVC樹脂基復合材料的生產工藝

用于制備碳纖維增強樹脂基復合材料的模壓成型工藝主要包括配料、混煉、模壓成型和后處理四大工序。生產原料主要有聚氯乙烯、鄰苯二甲酸辛酯、硬脂酸鈣、三鹽基性硫酸鉛、碳纖維或碳纖維平紋布(按重量份計)。具體生產工藝過程見 圖1所示：首先將稱量好的烘干的聚氯乙烯粒料放入混煉機中，加工過程中加入潤滑劑、增塑劑、穩(wěn)定劑等助劑，混煉后將物料放入金屬對模中，通過模壓工藝壓片成型，然后將其放入油壓機中定型，最后對制品進行后處理。

圖1 碳纖維增強樹脂基復合材料的生產工藝流程圖

在混煉工序中，選擇共混工藝對PVC進行改性，主要的混煉工藝參數見表1所示。

表1 混煉工藝參數表

在壓片過程中，將碳纖維平紋布與PVC混煉片疊合放入125 cm×60 cm×3.5 mm 模具和105 cm×80 cm×1 mm 模具中進行壓制。壓片過程中的工藝參數見表 2所示。

表2 壓片工藝參數表

接著將制品放入油壓機，主要是對碳纖維PVC制品進行毛邊處理，最后進入后處理工段將制品放入120 ℃的溫度下干燥4 h以上。

2 模壓成型工藝過程中的參數控制

模壓成型工藝控制的參數主要包括成型溫度、固化時間、牽引張力及牽引速度等。

2.1 模壓溫度控制

模壓溫度受模具溫度、升溫速率、成型固化溫度和保溫時間選擇的影響。模具溫度指材料放入模具型腔時模具的溫度，模具的材質和質量會影響材料放入模具的溫度。通常當壓模材料含量高時，不溶性樹脂含量較低，模具溫度就較低[5]。當很難安裝模具時，溫度需降低，但在室溫下是可控的。提高溫度，縮短生產周期，提高生產效率，通常CF/PVC的模壓溫度為175 ℃，CB/PVC的模壓溫度為180 ℃。

2.2 升溫速度控制

升溫速度與固化樹脂固化速率密切相關，升溫速度不合適對產品質量有影響，CF/PVC的升溫速度一般為4 ℃/min，CB/PVC的升溫速度一般為5 ℃/min。溫度升高過快，會導致樹脂固化不平衡和產品質量下降。溫度過高會影響材料的流動性，使材料模具難以成型，造成浪費；溫度過低，產品停留時間不夠，就會出現不完整的缺陷[6]。要使產品完全固化，不僅要消除內應力，還需要一定的保溫時間。

2.3 成型壓力控制

成型壓力的大小不僅與材料的種類有關系，還與產品的形狀和模具結構有關。不同材料成型壓力不同，聚氯乙烯模塑成型壓力為10～30 MPa(50～300 kg/cm2)，CF/PVC和CB/PVC在壓片過程中壓力都控制在10 MPa。對于厚的產品，成型的壓力是適當增加的。成型壓力的揮發(fā)物可用來克服材料產生的蒸汽壓力，避免產品出現氣滿、分層等缺陷，能減弱結構松散，還可以增加材料的熔體流動性，使材料填充滿模具型腔，產品結構緊湊可提高機械強度[7]。

當在成型過程中施加壓力時，施加壓力時間的長短直接影響產品的質量。壓力、樹脂固化的交聯(lián)反應程度低，材料流動性大，在壓力作用下，材料易侵蝕，成型產品容易產生樹脂凝聚，或局部缺乏膠水，纖維暴露；但壓力太遲，樹脂固化交聯(lián)度大，材料流動性差，不易填充模具，也無法得到理想的產品。

因此，合理選擇壓力時機是必要的。壓力時間的選擇取決于模具材料的類型、成型材料的質量指標、模具的填充溫度和溫度的上升速度。為了達到理想的成型產品，通常需要通過一些測試來確定適當的壓力和壓力時間。

3 碳纖維增強樹脂基復合材料的發(fā)展前景

碳纖維復合材料也有局限性，面臨著諸多挑戰(zhàn)，主要體現在以下幾個方面：(1)碳纖維原料成本太高；(2)產品生產周期過長，加工成本高；(3)產品的研發(fā)投入過大，產品設計復雜；要充分考慮層間結合、鋪層數量、角度、零部件集成方式，材料連接部位力學分布、連接位置及強度均需復雜的設計來確保考慮周全；(4)產品廢料回收困難。

針對國內碳纖維增強樹脂基復合材料技術的現狀，創(chuàng)新開展高性能碳纖維的研發(fā)是發(fā)展重點，建立高性能碳纖維技術和產品體系，突破低成本碳纖維制備關鍵設備和工藝技術，提高低成本碳纖維生產線的產量，產品性能優(yōu)，產品價格有競爭優(yōu)勢，擴大其在軌道交通、航天技術、新能源等戰(zhàn)略性新興產業(yè)的應用。

基于碳纖維增強樹脂基復合產品廢料回收難的問題，發(fā)展高效回收和再利用技術，建立專用回收再利用裝備，實現規(guī)模化回收利用，達到在新能源和交通等領域規(guī)模應用和綠色發(fā)展的目的。

先進完整的復合材料產業(yè)技術體系和工藝裝備才能支撐碳纖維復合材料產業(yè)的快速、規(guī)?；l(fā)展。只有突破碳纖維性能提升和成本控制，實現規(guī)?；a，才能滿足國內碳纖維的需求。把碳纖維增強樹脂基復合材料規(guī)模化低成本應用技術作為突破重點，實現其在多個新興產業(yè)和高端民用領域的規(guī)?；瘧茫拍馨堰@項產業(yè)做強做大[8]。

4 結 論

綜上所述，碳纖維增強樹脂基復合材料的生產絕非一項簡單的技術，而是涉及多方面綜合性知識，技術含量較高，必須具有豐富的專業(yè)知識和實際經驗，熟知模壓成型機理、材料性能、工藝控制，才能制造出更新、更優(yōu)的產品。