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碳纖維管材的質(zhì)量由哪些工藝要素決定？

碳纖維管材的質(zhì)量良莠不齊，有的甚至是魚(yú)目混珠，有的管材僅是外包覆3k碳纖維，內(nèi)部卻混雜了玻纖的成分，直接影響了管材的質(zhì)量，并為后續(xù)的應(yīng)用設(shè)備和生產(chǎn)帶來(lái)了嚴(yán)重的安全隱患和不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。以下就是影響到碳纖維管材質(zhì)量的幾個(gè)工藝因素，以供咨鑒。

工藝的區(qū)別

碳纖維管材一般采用拉擠、纏繞、卷制等方式制成，這幾種工藝各有利弊：拉擠成型容易實(shí)現(xiàn)纖維的連續(xù)性，但不能實(shí)現(xiàn)纖維角度的任意變化；纏繞工藝能夠按產(chǎn)品的受力狀況設(shè)計(jì)纏繞規(guī)律，能充分發(fā)揮出纖維的強(qiáng)度，更大限度地保證了管材所要求的結(jié)構(gòu)性能，但是纏繞成型適應(yīng)性小，不能纏任意結(jié)構(gòu)形式的制品，特別是表面有凹的制品，因?yàn)槔p繞時(shí)，纖維不能緊貼芯模表面而架空；卷制工藝機(jī)械自動(dòng)化程度高，管材成品在強(qiáng)度上比拉擠工藝要高，外觀也能做出3k編織紋路，適用的范圍更廣，相對(duì)來(lái)說(shuō)成本也要高一些。

原材料的選擇

既然碳纖維管材的強(qiáng)度是由其中的碳纖維材料決定的，因此，用于碳纖維管材制造的碳纖維材料本身的質(zhì)量尤為重要。來(lái)自于日本東麗、臺(tái)塑等世界一流碳纖維生產(chǎn)商的產(chǎn)品質(zhì)量還是比較可靠的，不同系列的碳纖維碳紗在力學(xué)性能和成本上差別也很大，最終決定了碳纖維管的性能和價(jià)格。除此之外，樹(shù)脂的選擇也不容忽視，樹(shù)脂的主要作用是把碳纖維粘在一起，分配碳纖維間的載荷，保護(hù)碳纖維不受環(huán)境影響，樹(shù)脂基體的選擇必須遵循固化方便、粘附力強(qiáng)、收縮性低、力學(xué)性能好等原則。

芯模的材質(zhì)

不同材料制成的芯模對(duì)管材的表面精度及性能有一定的影響。有些低端的碳纖維管生產(chǎn)采用聚乙烯醇-砂、木-玻璃鋼等材料制作纏繞芯模，但是這些材料或是難耐150℃以上的固化溫度，或是工藝水平過(guò)于粗糙，難以制作出高質(zhì)量的碳纖維管。相比較而言，鋼和硬鋁是兩種較為常用的芯模材料，鋼的密度和硬度都比硬鋁大，但鋼的熱膨脹系數(shù)不及硬鋁。高性能碳管需要在高溫下進(jìn)行固化，環(huán)氧樹(shù)脂體系的固化溫度也可達(dá)170℃。在此種情況下，硬鋁熱膨脹產(chǎn)生的固化內(nèi)壓，能很好地提高碳管的密度和力學(xué)性能。

芯模的設(shè)計(jì)

除了芯模本身材料外，其筒身部分設(shè)計(jì)與碳纖維管的長(zhǎng)度也有直接聯(lián)系。如果碳纖維管長(zhǎng)度較短，芯模的筒身部分可以制成等直徑，如果管材長(zhǎng)度要求比較長(zhǎng)，在機(jī)床的加工精度及脫模等因素的制約下，等直徑的長(zhǎng)筒身應(yīng)用困難，因此，采用帶錐度的芯模筒身較為適宜。另外，在已知產(chǎn)品長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上再加長(zhǎng)10-20mm,便于后續(xù)的機(jī)械加工操作。對(duì)于長(zhǎng)度與直徑比值較大的碳纖維管來(lái)說(shuō)，采用兩段芯模對(duì)接和螺旋纏繞的方式，減小其直徑的波動(dòng)范圍，可縮小碳纖維管兩段內(nèi)外徑差距。

纏繞的設(shè)計(jì)參數(shù)

纏繞成型中，纏繞厚度、纏繞角度以及纏繞角度的順序?qū)μ祭w維管的性能都有較大的影響。例如，當(dāng)碳纖維管材應(yīng)用于傳動(dòng)軸之類產(chǎn)品時(shí)，在橫截面上要產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，與軸向呈0°的鋪層可以減小橫截面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；±45°鋪層有利于提高軸的抗扭性能；90°方向鋪層在初始扭轉(zhuǎn)狀態(tài)可起到抵抗切應(yīng)力的作用，當(dāng)扭矩較大時(shí)承扭能力下降，但是纏繞工藝不能纏繞0°鋪層，所以增加接近±45°和接近90°鋪層角度的比例，都有利于提高碳纖維管材的抗扭強(qiáng)度。同樣，纏繞的厚度和纏繞角度的順序?qū)μ祭w維管材的性能影響也有相關(guān)的變化規(guī)律可循。

脫模的技術(shù)要點(diǎn)

為了便于脫模，一般會(huì)在纏繞之前就在芯模的表面涂刷脫模劑，但是在高性能碳纖維管的制造中，有機(jī)類脫模劑在固化過(guò)程中易滲入樹(shù)脂中，對(duì)管材成品造成傷害，影響到管材的性能。為避免這種情況，選擇含氟的脫模劑能有效減少缺陷的產(chǎn)生。芯模需要反復(fù)使用，如果在脫模時(shí)使用車加工或鉗工的方式去除封頭，會(huì)對(duì)芯模表面造成損傷，遇到這種情況需利用耐高溫膠黏劑補(bǔ)平傷口或采用焊接的方式，再磨削到位，否則會(huì)直接影響到下一批碳纖管的制品質(zhì)量。

從理論上講，碳纖維管材比傳統(tǒng)金屬管材具有更多的性能優(yōu)勢(shì)，如強(qiáng)度高、耐腐蝕、熱膨脹系數(shù)小、抗蠕變、自潤(rùn)滑、耐疲勞、使用壽命長(zhǎng)，還能吸能抗震，最關(guān)鍵的是其密度小質(zhì)量輕，能比同樣的鋼制管材減重80％以上。但是從應(yīng)用情況看，碳纖維管材能否真正體現(xiàn)出以上的性能優(yōu)勢(shì)，還是由實(shí)際生產(chǎn)中的諸多技術(shù)因素決定的。