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NS1477 熱塑性碳纖維復(fù)合材料中空管材的三維編織制造技術(shù)

日期：2023-02-28 來源：賽奧碳纖維技術(shù) 瀏覽：858

 在汽車產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的同時(shí)，汽車材料輕量化也成為汽車發(fā)展的必然趨勢(shì)。輕量化不但可以減輕車身質(zhì)量、節(jié)約能源、降低油耗、減輕污染，也可以降低成本、提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、增加企業(yè)利潤(rùn)。有關(guān)資料顯示：汽車的一般部件質(zhì)量每減輕1%，可節(jié)油1%；運(yùn)動(dòng)部件每減輕1%，可節(jié)油2%。近年來，各國汽車制造商都致力于探索、應(yīng)用汽車新材料，在保證汽車綜合性能的前提下減小汽車自身質(zhì)量。所以，汽車輕量化已經(jīng)成為汽車材料發(fā)展的主要方向。

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汽車輕量化的重要手段之一是在保證汽車綜合性能的前提下，汽車材料向輕質(zhì)材料方向發(fā)展，包括鋁合金材料、高強(qiáng)度鋼、鎂合金材料、鈦合金材料、塑料和復(fù)合材料等。

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）具有輕質(zhì)高強(qiáng)、高斷裂韌性、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、易成形、減振阻尼性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)，既能夠滿足部件剛強(qiáng)度、輕量化的設(shè)計(jì)要求，在車輛安全性上也具有明顯優(yōu)勢(shì)。目前，CFRP已成為繼高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料和玻璃纖維復(fù)合材料（GFRP）后汽車工業(yè)領(lǐng)域最具發(fā)展?jié)摿Φ妮p量化材料。

 至今為止使用的熱固性CFRP的問題點(diǎn) 

用于飛機(jī)機(jī)身等的CFRP是在將碳纖維浸漬熱固性樹脂（加熱即固化的樹脂：環(huán)氧樹脂等）。但是，熱固性CFRP固化后不能再熔融，所以很難再利用。另外，需要較長(zhǎng)的加熱固化的時(shí)間，所以不適合大量生產(chǎn)。

      熱塑性碳纖維復(fù)合材料(CFRTP)     

碳纖維復(fù)合材料又可分為熱塑性復(fù)合材料(CFRTP)以及熱固性復(fù)合材料，目前的碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品中大多數(shù)都是使用熱固性復(fù)合材料。

熱塑性樹脂的優(yōu)點(diǎn)是加工成型簡(jiǎn)便，具有較高的機(jī)械能。韌性好、損傷容限大、介電常數(shù)良好，同時(shí)儲(chǔ)存期不受限制、不需低溫貯存、成型不需要熱壓罐等大型專用設(shè)備，尤其是它具有良好的可循環(huán)性、可回收、可重復(fù)利用和不污染環(huán)境的特性適應(yīng)了當(dāng)今材料環(huán)保的發(fā)展方向。

常用的熱塑性樹脂有尼龍、聚縮醛、聚碳酸酯、聚苯乙烯等，加熱后會(huì)熔融，可再循環(huán)利用

迄今為止，熱塑性CFRP的推廣應(yīng)用之所以滯后，是因?yàn)槿廴诘臒崴苄詷渲恼扯雀撸y以浸入到碳纖維之間，容易產(chǎn)生密合性差的問題。但是，近年來隨著將碳纖維和熱塑性樹脂薄膜通過層壓加熱，可使熱塑性樹脂充分浸入碳纖維技術(shù)的進(jìn)步，可以直接使用熱塑性CFRP板和帶狀材料。
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圖1 熱塑性CFRP帶材、片材

   CFRTP 中空管材的三維編織制造技術(shù)   

三維編織技術(shù)是纏繞纖維的多個(gè)紗管相互交錯(cuò)旋轉(zhuǎn)，使纖維相互交錯(cuò)制造中空管材的纖維編織技術(shù)。
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圖2 三維編織生產(chǎn)過程

CFRTP管材的制造流程
   （1）使用CFRTP單向預(yù)浸帶，通過編織成型制造中空管材；
   （2）將編織成型的中空管材加熱，使之熔融，施加壓力的同時(shí)進(jìn)行冷卻，最終成型中空管材（圖3）。
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圖3 成型后的熱塑性碳纖維復(fù)合材料(CFRTP)管材

CFRTP管材的優(yōu)點(diǎn)
   （1）與金屬管材相比，重量大幅度減輕；   
   （2）因?yàn)槭褂昧藷崴苄詷渲酝ㄟ^加熱，可以根據(jù)用途使截面形狀變形，根據(jù)需求改變接合所需的形狀；
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圖4 CFRTP管材的加工多樣性

   （3）加熱后樹脂熔融，可以接合。接合時(shí)不需要使用粘接劑（熱固性CFRP管材/框架需要使用粘接材料接合）；
   （4）根據(jù)不同用途可將管材與其他部件加熱熔融進(jìn)行接合，用于生產(chǎn)汽車的車架。

      面向規(guī)模化、實(shí)用化的課題     

（1）不同壁厚的CFRTP管材的制作及強(qiáng)度評(píng)估
（2）管材斷面的加熱變形沖壓
（3）管材與板材、管材與管材之間接合方法的優(yōu)化
（4）多種斷面的三維編織管材的成型及其沖壓成型
參考文獻(xiàn)
（1）米山 猛，熱可塑性炭素繊維複合材料(CFRTP)の中空フレーム，金沢大學(xué)、2021
來源：部分素材網(wǎng)絡(luò) 、賽奧碳纖維技術(shù)

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