康隆(Cannon)Afros公司開發(fā)了一項(xiàng)新技術(shù)，可生產(chǎn)內(nèi)部預(yù)置了金屬嵌件的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)中空結(jié)構(gòu)部件。這項(xiàng)技術(shù)采用了高壓注入樹脂工藝，在適當(dāng)?shù)木酆蠝囟认?，通過有差別的加壓，使用一種高阻的低熔點(diǎn)可導(dǎo)出金屬芯材來進(jìn)行生產(chǎn)。

總體而言，不規(guī)則形狀的或內(nèi)部放置了嵌入件的中空結(jié)構(gòu)的HP-RTM(高壓樹脂傳遞模塑成型)復(fù)合材料部件，其外面可以是一層碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)，內(nèi)部則是一個(gè)可導(dǎo)出的金屬芯材。

這項(xiàng)技術(shù)的專利還在申請(qǐng)之中，與此同時(shí)，已經(jīng)可以以此進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)了。

歷史的發(fā)展

近年來，碳纖維復(fù)合材料的浸潤(rùn)工藝發(fā)展很快，這是因?yàn)閷汃R公司需要以一種高效且重復(fù)性好的方式生產(chǎn)數(shù)以萬計(jì)的復(fù)合材料部件，并以此制造出非常輕的電動(dòng)汽車，以滿足大城市的人們乘車出行的需要。

寶馬公司及其復(fù)合材料部件供應(yīng)商因此投入巨額資金，開發(fā)高壓樹脂傳遞模塑成型(HP-RTM)工藝。

這項(xiàng)工藝是用高壓將樹脂注入模具內(nèi)，來對(duì)纖維進(jìn)行浸潤(rùn)。

可快速固化成型的聚氨酯或環(huán)氧樹脂原料，先經(jīng)過精確計(jì)量，再通過一個(gè)裝在模具上的混合頭進(jìn)行高壓混合。

如此，模具的型腔即是模塑成型部件的外形。所以，通常是生產(chǎn)有一定形狀的三維片狀結(jié)構(gòu)的部件，而不是那種類似中空結(jié)構(gòu)的部件，因?yàn)槿绻共考庑乌呄蛑锌盏男螤?，纖維很容易產(chǎn)生皺褶。

樹脂充滿模具型腔并浸潤(rùn)模腔內(nèi)的碳纖維片材，這里的碳纖維片材可以是幾層碳纖維織物疊放在一起的片材，模具的合模噸位有幾千噸(400～4000t)。

從閉合的模具內(nèi)抽出所有的空氣，在模腔和纖維織物疊材內(nèi)都形成真空。

然后，樹脂經(jīng)高壓混合頭注入模具型腔內(nèi)，再在纖維織物的紋理間流動(dòng)直至完全浸潤(rùn)所有的纖維片材。

為避免最終的產(chǎn)品中有氣泡，會(huì)適量多注一點(diǎn)樹脂，以使其從模具的接縫處流出來。

樹脂會(huì)從混合頭的注入口進(jìn)入模內(nèi)，克服流動(dòng)阻力，逐漸充滿模腔，直至完全浸潤(rùn)纖維織物的紋理。

樹脂在模腔內(nèi)擴(kuò)散時(shí)，可監(jiān)測(cè)樹脂在注入口附近的壓力逐漸升高到一定的值，以前樹脂在充滿模腔時(shí)，這個(gè)壓力的峰值通常是80～100 bar，最近一些客戶已經(jīng)用到的壓力峰值為130bar，所以他們會(huì)要求壓力峰值到200bar。

最終的壓力值總是會(huì)更高，原因之一是樹脂的反應(yīng)時(shí)間一直在縮短，現(xiàn)在每100s(以前是每5～6min)就能提取一件產(chǎn)品。

其二是壓力峰值更高，模塑件的樹脂可以更緊實(shí)，因此復(fù)合材料中樹脂的量已經(jīng)達(dá)到40%～45%左右。這個(gè)樹脂比例已經(jīng)可與用熱壓罐加工預(yù)浸料生產(chǎn)的航空復(fù)合材料部件的樹脂比例相媲美了。

需解決的問題

因此，為了能用高壓樹脂傳遞模塑成型(HP-RTM)工藝生產(chǎn)高品質(zhì)的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)結(jié)構(gòu)件，必須要在碳纖維疊材的表面施加至少80bar的單位壓力。

如果是一個(gè)片狀結(jié)構(gòu)的碳纖維疊材，可以用一個(gè)足夠噸位的壓機(jī)壓緊模具的上下模，以保證達(dá)到碳纖維疊材表面需要的壓力。

然而，如果要生產(chǎn)中空結(jié)構(gòu)的部件，則需要增強(qiáng)它的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度同時(shí)又不增加太多重量，一種方法是先做出一個(gè)部件的兩半，然后再粘合在一起;另一種方法是在中空的位置放一個(gè)輕質(zhì)芯材或一個(gè)可導(dǎo)出的重的芯材用于承壓，以避免把中空的部件壓扁。

輕質(zhì)芯材(為輕木或泡沫)不能被導(dǎo)出來，承壓也不能超過15～20bars。

或者可以用一種硬的多孔礫巖做可導(dǎo)出的芯材，最終部件模塑成型后，礫巖可在水中分解并溶解。

分解后的礫巖粉末，可以通過在碳纖維復(fù)合材料的表面鉆的小孔排出來。但即使是這種“礫巖”，承壓也不能超過30bars。

還有一種辦法是用那種軟的充滿了液體的承壓袋，用以抵抗液體樹脂的壓力(液體承壓袋是脆性的，還容易變形，體積不能大，否則不便于取出)。

厚的液體承壓袋會(huì)以要求的峰值壓力做預(yù)加壓，但可能會(huì)因?yàn)樘囟鴽]辦法從模塑的部件中取出，或是很難從不規(guī)則的中空內(nèi)腔里取出，而且液體承壓袋也難以去到空腔內(nèi)狹小的邊角。

康隆(Cannon)Afros的解決方案

采用一個(gè)金屬芯材，其外形可與最終的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)中空結(jié)構(gòu)件的內(nèi)腔形狀完全一致，最終碳纖部件制作完成后，再導(dǎo)出金屬芯材。

這種芯材還便于容納金屬嵌入件或在鑄造中嵌入定位銷。

可以用一種低共熔點(diǎn)的合金制造這種金屬芯材，其熔點(diǎn)溫度也低于一般碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)結(jié)構(gòu)樹脂所能承受的溫度(通常固化溫度大約在130～140℃，能承受再高30℃的溫度而不損傷最終部件)。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有幾種金屬合金的熔點(diǎn)是從略高于室溫開始，直到250℃。

將金屬合金倒入一個(gè)模具中，模具內(nèi)可預(yù)先固定上嵌入件。

為避免氣泡、收縮和粘連等問題，模具會(huì)預(yù)先加熱到接近共熔合金的熔點(diǎn)溫度。在模內(nèi)涂上一層脫模粉，模具有開孔并帶有提取銷和密封墊，可避免出現(xiàn)過多的毛邊或金屬熔液浪費(fèi)。

金屬芯材一成型，即馬上脫模、去毛邊并清除脫模粉，檢查嵌入件的位置正確，同時(shí)確保芯材的表面和內(nèi)部沒有氣泡。

先依次在高壓樹脂傳遞模塑成型(HP-RTM)的模具內(nèi)正確地鋪上幾層纖維片材，再把芯材放進(jìn)HP-RTM的模具內(nèi)，然后用纖維疊材包裹好芯材。

需要注意的是，纖維是有導(dǎo)向的(放置方向正確，可以讓部件有更好的支撐)，纖維疊材需進(jìn)行預(yù)成型，使其成為適合放進(jìn)模具的形狀。

芯材壓在下面的纖維疊材上，上面也鋪有纖維疊材。然后，HP-RTM的模具合模，此時(shí)檢查模具的真空密封性，加壓推入樹脂浸潤(rùn)纖維的外表面。

先將模具預(yù)熱至樹脂固化溫度(大約130℃)，再高壓注入樹脂，需要至少一個(gè)傳感器在模腔注入口附近以監(jiān)測(cè)擴(kuò)散壓力，也可以在外圍的幾個(gè)點(diǎn)上加裝傳感器來監(jiān)測(cè)擴(kuò)散壓力，還可以加裝一些電容式傳感器以探測(cè)樹脂是否已流到部件的邊角或薄的位置，確保樹脂充滿整個(gè)模腔。

一旦達(dá)到需要的峰值壓力(210 bar)，混合頭關(guān)閉，進(jìn)入再循環(huán)模式。等固化時(shí)間結(jié)束后，壓機(jī)打開再取出部件。

之后，有兩種生產(chǎn)方式可供選擇：

第一種生產(chǎn)方式是再加熱，把部件放入一個(gè)模板護(hù)架內(nèi)，再送進(jìn)加熱爐內(nèi)，通過輻射或感應(yīng)將芯材和空氣加熱至共熔合金的熔化溫度。熔化的低共熔合金通過預(yù)先鉆的小孔從模板護(hù)架內(nèi)排出來，形成中空式復(fù)合材料部件的內(nèi)部空腔，嵌入件會(huì)留在需要的位置，使其成為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)的一部分。

第二種生產(chǎn)方式是將部件冷卻，讓金屬芯材留在部件內(nèi)，金屬芯材在后面的機(jī)械加工過程中可起到增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的作用。硬的金屬芯材更利于整個(gè)部件的放置以及對(duì)部件進(jìn)行切割和去毛邊的操作，因?yàn)樵跈C(jī)加工時(shí)，金屬芯材可降低振動(dòng)并避免部件變形。待機(jī)加工完成后，經(jīng)檢查合格的部件，再將其放入一個(gè)模板護(hù)架內(nèi)，送進(jìn)加熱爐內(nèi)熔化低共熔合金芯材，使其能夠從小孔中完全排出來。

此外，低共熔合金的熔化溫度(135～220℃)低，必要的話可使部件旋轉(zhuǎn)，即可排空所有的低共熔合金，即使部件邊角位置的低共熔合金液體也可以完全排出來。

而如果空腔是用承壓袋或其他材料填充的，則承壓的材料可能無法到達(dá)邊角位置，或無法完全排出。

熔化的低共熔合金液體排出后，可以使其流進(jìn)熱熔爐下面的一個(gè)儲(chǔ)存罐中進(jìn)行回收，最后倒回低共熔合金的坩堝中以循環(huán)使用。

還可以用這項(xiàng)技術(shù)生產(chǎn)大型部件的空腔芯材，以替代原來的多孔礫巖芯材。雖然多孔礫巖的失蠟法模塑工藝可以抵抗很高的溫度，但其抗壓性能差(多孔礫巖最后可通過振動(dòng)破碎或水溶法被排出)。

總之，中空結(jié)構(gòu)的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)部件可以用于很多領(lǐng)域，像機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)部件、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、形狀不規(guī)則的結(jié)構(gòu)件、非圓柱形的罐體以及液體和壓縮氣體的儲(chǔ)罐等。