碳纤维复合材料：性能、制造方法和利弊

RTM

这种方法用于大批量生产通常最后涂上颜色（不是清漆）的碳纤维复合材料。通常使用钢或铝模具，男性和女性。首先，将干燥的织物放入模具内。然后将模具压在一起，并在模具周围和模具之间提供密封。使用这项技术，树脂注射在高压（10-20 bar）下进行。浸渍和硬化过程需要30-60分钟。高压 RTM 在高达 100-120 巴的压力下进行，整个生产过程仅需 10 分钟。

这种方法的主要优点是表面光滑（两侧）和相对较短的生产周期。而缺点包括用于涂漆的碳纤维复合材料的工艺实施和生产成本高。实际上，这种技术并不能确保碳纤维视觉织物的完美放置，也不能在仅使用透明面漆时突出碳纤维的结构。

这种方法已被道奇公司在 Viper (2005) 的制造过程中用于大批量生产。目前，部分零部件采用这种技术制造，BMW i3 和BMW i8 的车身或BMW M3 和M6 赛车的车顶也是如此。

Light RTM

RTM 和 Light RTM 之间的差异主要与压力有关。在第一种方法的情况下，树脂灌注压力为 20-120 bar，而 Light RTM 仅为 1.2 bar，整个过程使用负压。该工艺可以设计出重量轻的反模，主要是复合模，因此得名“轻”RTM。树脂注入压力约为。1.2 bar，负压为 0.7 bar。

在 1.2 bar 的低负压下在一侧进行树脂注入，在 0.7 bar 的负压下从另一侧进行提取（如树脂注入的情况）。压差导致内部织物浸渍。这种方法很少用于生产碳纤维复合材料，因为与 RTM 相比，它的质量和美观性较差。

预浸料高压釜复合材料

使用高压釜的预浸料法广泛用于生产 F1 赛车、单体、扩散器、前翼以及扰流板的碳复合材料。这项技术确保了碳纤维复合材料的最高质量和美观的外观，但由于使用昂贵的设备 – 高压釜 – 和适度的生产周期（与热压 (HP) 或 RTM 相比），因此成本很高。

高压釜是一种同时产生高压 ~ 8 bar 和高温 ~120-150°C 的设备。这种方法包括使用预浸料，即碳纤维织物，它已经用树脂进行了预浸渍。因此，材料——树脂预浸渍碳纤维织物——以 30-50 米的卷筒形式供应，并保存在冰箱中以防止意外硬化。用树脂预浸渍的碳纤维织物在 >90°C 的高温下硬化，因此它们从冰箱中取出后的使用寿命在环境温度下为 20-40 天，具体取决于材料的类型。在实践中，将预浸料卷从冰箱中取出后，需要等待 2-3 小时，以使材料变软并可以切割。接下来，展开后，将材料放置在绘图仪上，然后根据生产需要进行切割。然后在冰箱中更换剩余的卷筒。该材料可在冰箱中保存 4-8 个月。

预浸料类似于粘性油布。这种材料很容易粘在模具壁上，因此可以形成复杂的形状。插入预浸料层后，模具用薄膜和丁基胶带密封。接下来，使用真空去​​除产品中的空气，对模具进行压制。之后，将包括密封产品在内的模具放入高压釜内，产生高达 8 bar 的压力，将碳预浸料压在模具壁上，以去除空气并确保结构稳固。
最后，通常在 120 度硬化 1-2 小时后，您可以对高压釜减压，关闭加热器并取出成品碳纤维复合材料。

制造预浸料蒸压碳纤维复合材料的优势：

• 在一个生产周期内可能硬化任何数量（例如 50 个相同成型的细节）。
• 复合材料的最高美学外观– 没有气孔和织物编织损坏。
• 可能生产具有复杂形状的细节并使用组合的多部分模具。

制造预浸料蒸压碳纤维复合材料的缺点：

• 设备成本高——高压釜。
• 适度耗时的过程（比灌注树脂短，比热压长）。
• 需要耐高温的模具——通常是昂贵的碳预浸料模具或通过铣削制造的铝制模具。

热压/热成型

这种方法通常用于大批量生产设计简单、尺寸通常较小的产品和零件。
使用这种方法，就像在高压釜的情况下一样，使用碳预浸料。不同之处在于用于确保将预浸料层压在模具上的压力机，而不是高压釜中的气压。两个模具都用热压机压制，提供快速加热。最常见的是热压成型，预浸料的硬化时间很短，只有 5-10 分钟。

热压成型生产碳纤维复合材料的优势：

• 复合材料中高达约 70% 的碳纤维含量，类似于高压釜法。
• 耐高温。
• 生产周期短。

热压成型生产碳纤维复合材料的缺点：

• 生产实施成本高。
• 难以制造具有所谓负角的元素

膀胱成型

胶囊成型技术使用碳预浸料，就像使用热压和高压釜生产碳复合材料一样。

1. 预浸料放置在两个模具（男性和女性）内和膀胱周围。
2. 膀胱放置在模具内，模具关闭并锁定。
3. 在气囊内部进行泵送，以确保获得所需表面质量所需的压力。产生的压力（例如 4 巴）将预浸料推向模具壁以去除任何空气并确保碳复合材料结构的巩固。
4. 模具加热——在压机、烤箱或高压釜内。
5. 复合材料硬化后，压力降低。拆卸后，气囊被移除。膀胱是一种多用途部件。

何时使用气囊成型？该技术用于生产复杂的小直径长部件，例如自行车车架。

碳纤维复合材料 – 优点和缺点

碳纤维复合材料既有优点也有缺点。

碳纤维复合材料的优点：

1. 碳纤维复合材料重量轻– 约。与相同重量的钢和铝相比，重量比铝轻 40-50%，刚度提高 4-5 倍。这种材料广泛用于生产赛车车身零件（F1）、超轻型自行车、钓鱼竿、自动化机器零件、无人机或军用产品。
   重量轻的碳纤维复合材料有助于节省能源，因为较轻的车辆消耗的燃料更少。假设车重减轻10%，油耗降低6-8%。因此，BMW i3 或 i8 等电动汽车采用碳纤维底盘，可增加行驶里程。
2. 碳纤维复合材料具有独特的性能，包括非常低的热膨胀。例如碳纤维复合材料的热膨胀比钢低 5.5 倍，比不锈钢低 8.5 倍，比铝低 11.5 倍。因此，由于热膨胀几乎为零，碳纤维复合材料可用于光学领域——用于生产 3D 扫描仪和用于军事目的，例如制造高精度卫星磁盘。
3. 碳纤维复合材料的另一个优点是与 X 射线辐射的相容性。碳纤维复合材料不会阻挡 X 射线，因此它们被广泛用于生产 X 射线扫描系统。
4. 由于其独特而原始的美学外观，碳纤维复合材料被用于汽车工业和设计目的。实际上，它是一种与高级产品相关的材料，因为它被赛车制造商以及冲浪板、皮划艇、防撞头盔、扬声器、咖啡机和许多其他高级产品的供应商使用。

碳纤维复合材料的缺点：

1. 碳纤维复合材料的最大缺点与其生产成本有关。碳纤维复合材料大多是通过手工放置几层碳纤维织物制成的。整个过程需要时间并产生一些成本。使用的附加材料成本很高，例如碳纤维织物、树脂、预浸料。一平方米的碳预浸料成本约为。30-50 欧元，例如，要制造 2 毫米厚的复合材料，需要 4-5 层。碳纤维复合材料处理后进行 3 轴或 5 轴CNC 碳纤维加工，通常覆盖几层面漆，导致生产成本高。

   当涉及到先进的生产，例如使用高压釜制造碳纤维复合材料时，需要昂贵的设备——例如高压釜的成本约为 100 万。约 500,000 美元。
   因此，最终产品的成本是铝制产品的几倍。

2. 另一个缺点与设计阶段的一些限制有关。并非所有可以通过铝铣削实现的细节都可以使用碳纤维制造，并且某些细节需要以特定方式进行调整。
3. 尽管碳纤维在其性能方面具有许多优势，但请注意，碳复合材料的抗冲击性较差/适中——与钢或铝材料相比，这使其易碎。因此，受到冲击的细节或部件由碳-玻璃纤维复合材料、碳-芳纶复合材料、包括铝蜂窝的碳复合材料或这些材料的组合制成。
4. 碳纤维是一种传导电流的材料，尽管比金属少。
5. 碳纤维内部的金属元件（例如螺纹衬套）必须用树脂或粘合剂隔离，以提供防腐蚀保护。
6. 其他缺点与修复碳纤维复合材料有关——例如损坏的自行车车架。这些部件经常无法修复，或者修复困难且成本高昂。
7. 与金属部件不同，碳纤维复合材料是可燃的，这意味着它们在暴露于明火一段时间后可能会着火。

关于碳纤维复合材料的 9 个秘密：

1. 碳复合材料的强度是钢的 5 倍（重量比重量）。
2. 用于制造 F1 和其他赛车（称为“预浸料”）的碳纤维成本高达 60 美元/米²。
3. 碳纤维复合材料的导电性适中（低于金属）。

4. 碳是黑色，提供独特的图案。任何其他颜色的复合材料可能是假碳纤维——彩色玻璃纤维或凯夫拉尔。
5. 碳纤维是一种非常坚硬的材料，杨氏模量为 230 Gpa（Toray T300，与纤维并列）。杨氏模量越高，材料的刚性越大。高模量（提高强度）的碳纤维通常具有 500-880 GPa 的杨氏模量和 500-880 GPa 的纤维（880 GPa 纤维的示例 – Granoc XN 90 Nippon）。相比之下，钢的杨氏模量通常约为 200 GPa。
6. 碳复合材料表现出低热膨胀——它在高温下膨胀和在低温下收缩比钢和铝等材料要小得多。
7. 碳更能抵抗材料疲劳——由碳纤维制成的元件在重型操作期间提供更大的强度。
8. 碳与其他复合材料一样，使您能够确定元素任何区域的强度——在任何方向上。例如，由碳纤维制成的自行车车架在承受高负载的位置会有多层织物，而在不传递负载的地方会有最少的层数。这种设计优化并减轻了复合材料的重量。
9. 碳纤维也有一些弱点——例如平均冲击强度。如果元件受到冲击（例如 WRC 赛车发动机下方的面板），通常会使用芳纶纤维（称为 Kevlar）。