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碳纤维卷管成型工艺及应用

浏览次数: 日期:2016年7月18日 09:52

  碳纤维(CF)是纤维状的碳素材料,含碳量在90% 以上,它是利用各种有机纤维在惰性气体中、高温状态下碳化而制得。具有十分优异的力学性能。特别是在2000℃以上高温惰性环境中,是唯一强度不下降的物质。碳纤维和碳纤维增强复合材料(CFRP)做为21 世纪的新材料,其高强度、高弹性模量和低比重性能,在汽车上迅速得到广泛的应用,无论是在车辆外观钣件、引擎舱内集气箱、车室内门板或是饰板等,皆可以看到碳纤维的出现。专家指出,在未来5年内碳纤维将引起汽车工业革命性的变革。

  碳纤维卷管成型工艺是用碳纤维预浸料在卷管机上热卷成型的一种复合材料制品成型方法。

  其原理是采用卷管机上的热辊,使预浸料软化,熔化预浸料上面的树脂胶粘剂。在一定张力下,在辊的旋转操作过程中,利用辊和心轴之间的摩擦,将预浸料连续卷到管芯上,直至所要求的厚度,然后通过冷辊冷却定型,从卷绕机取出,在固化炉中固化。管材固化后,去除芯模型,即可以得到复合材料缠绕管材。根据成型工艺中预浸料的上料方法,可分为手动上料法和连续机械方法。其基本过程是:首先,清理辊筒,然后热辊加热到设定温度,调整预浸料张力。在滚筒上不施加压力,将引布先在涂有脱模剂的管芯上包绕1圈,然后放下压辊,将印头布在热辊,同时将预浸料拉出来,贴在加热部分头布,与引头布相搭接。引头布的长度约为800~1200mm,视管径而定,引头布与胶布的搭接长度,一般为150~250mm。在卷制厚壁管时,在正常运行时,将芯模的旋转速度适当加快,靠近壁厚度设计放慢速度,以达到设计厚度,切断胶布。然后在保持压辊压力的情况下,继续使芯模旋转1~2圈。最后提升压辊,测量管坯外径,合格后,从卷管机上取出,送入固化炉中固化成型。

  1、 座椅加热垫

  碳纤维汽车座椅加热垫是碳纤维加热应用于汽车工业的一个突破,碳纤维加热元技术在汽车配套市场变得越来越受欢迎, 它将会完全替代传统的座椅加热系统。目前几乎全球所有汽车制造厂商的高档、豪华轿车都配备了这种座椅加热装置,比如奔驰、宝马、奥迪、大众、本田、日产等等。碳纤维热载荷碳纤维是一种比较高效能的导热材料,热效率高达96%, 并在加热垫中均

  匀密布, 保证热量在座椅加热区域均匀释放,碳纤维线及温度分布均匀,又确保了加热垫长期 使用保持座椅表面皮革平整完好。不产生纹路痕迹、不产生局部变色。温度超出设定区间则自动断电,不能满足温度要求时自动通电调节温度。碳纤维适宜人体吸收的红外线波长,具有促进健康的 保健作用,可以充分减少驾乘疲劳,增加舒适度。

  2、汽车车身、底盘

  由于碳纤维增强聚合物基复合材料有足够的强度和刚度,其适于制造汽车车身、底盘等主要结构件的最轻材料。预计碳纤维复合材料的应用可使汽车车身、底盘减轻重量40%~60%,相当于钢结构重量的1/3~1/6。英国材料系统实验室曾对碳纤维复合材料减重效果进行研究,结果表明碳纤维增强聚合物材料车身重量仅为172kg,而钢制车身重量为368kg,减重约50%。并且当生产量在2 万辆以下时,采用RTM 工艺生产复合材料车身成本要低于钢制车身。东丽确立了使用碳纤维强化塑料(CFRP)、在10min 内成形汽车底盘(前地板)的技术。但由于碳纤维成本过高,碳纤维复合材料在汽车中的应用有限,仅在一些F1赛车、高级轿车、小批量车型上有所应用,如B M W公司的Z-9、Z-22 的车身,M3 系列车顶蓬和车身,G M 公司的Ultralite车身,福特公司的GT40车身、保时捷911 GT3承载式车身等。

  3、 轮毂

  德国的知名轮毂制造专家W H E E L S A N D M O R E 推出的“Megalight-Forged-Series”轮毂系列,采取两片式设计,外环为碳纤维材质打造,内毂为轻量化的合金,搭配不锈钢制的螺丝,较一般同尺码的轮毂可轻上40成左右;以20 寸的轮毂为例,Megalight-Forged-Series轮圈仅有6kg,较一般大约18kg的重量相较,轻了一大截。20 寸的Megalight-Forged-Series 一组轮毂要价2 万欧元,约21.86 万人民币;目前共有18~23寸尺码可供选择。英国Kahm 公司使用CFRP 制得的R X - X 型高级轿车专用车轮,重量仅为6kg,可高速行驶,并可最大限度地降低车轮的径向惯性力。由英国DYMAG 公司开发的世界最轻碳纤维/ 镁车轮由碳纤维轮网和镁刹车盘两部分组成,并用镀钛的特殊硬件连接起来。

  4、燃料贮罐

  采用CFRP 可以在满足该要求的条件下实现压力容器的轻量化。随着环保汽车(Eco-car)的开发,以氢为燃料的燃料电池汽车使用CFRP 材料制作燃料贮罐已为市场所接受。依据日本能源厅燃料电池研讨会信息,2020 年日本将有500万台汽车使用燃料电池。美国福特汽车Hummer H2H 越野车也开始使用氢燃料电池,预计2015年氢燃料电池汽车将会达到一定的市场规模。

  5、刹车片

  碳纤维还因为其环保、耐磨的特点而应用在刹车片上,但含有碳纤维复合材料的产品都格外贵,所以目前这种刹车片还主要应用在高档轿车上。碳纤维制动盘被广泛用于竞赛用汽车上,例如F1赛车上。它能够在50m的距离内将汽车的速度从300km/h降低到50km/h,此时制动盘的温度会升高到900℃以上,制动盘会因为吸收大量的热能而变红。碳纤维制动盘能够承受2500 ℃的高温,而且具有非常优秀的制动稳定性。虽然碳纤维制动盘具有性能卓越的减速性能,但是目前在量产的汽车上使用碳纤维制动盘却并不实际,因为碳纤维制动盘的性能在温度达到800℃以上时才能够达到最好。也就是说,必须在行驶了数公里之后,汽车的制动装置才能进入最佳工作状态,这对于大多数只是短途行驶的车辆并不适用。另外,碳纤维制动盘的磨损速度很快,制造成本也非常高。

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