碳纤维复合材料是继高强钢、铝合金、镁合金、工程塑料之后最具发展潜力的高性能材料之一,其轻量化效果尤为突出。采用碳纤维复合材料制作的工业结构零部件具有质轻高强、高断裂韧性、可设计性强、一体化程度高等多方面优点。

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目前,国内碳纤维工业结构零部件难以实现大规模量产的主要原因在于:碳纤维复合材料工业结构零部件的开发缺乏有力的体系支撑,而且,碳纤维构件加工周期长、工艺流程复杂,量产对制造商的管理和技术水平要求都比较高。

也就是说,碳纤维工业零部件的轻量化和高性能优势必须要借助于先进的制造工艺来实现。例如,碳纤维的铺层设计就是碳纤维零部件制造商工艺技术水平对零部件结构和性能影响的直接体现。

在碳纤维预浸材料的铺层设计中,国内的碳纤维零部件制造商智上新材料主要是依据零部件实际应用的受力方向来确定,常用的纤维铺设角度0°方向是为了调整复合材料的抗压性能,90°方向是为了调整复合材料的泊松比,±45°方向是为了调整材料抗剪性能。因为碳纤维的各向异性表征在纤维轴线方面的性能最优,所以碳纤维的铺设方向要尽量与构件承载的外界载荷方向一致。

在含台阶零部件的铺层时,为了避免厚度突变引起应力集中,要对各层台阶差和宽度进行控制,且结构表层必须采用连续铺层避免台阶处分层破坏。针对零部件需要承受冲击载荷处的区域,采用±45°方向的碳纤维预浸料铺设来扩散外界冲击载荷,并采用0°铺层来承受局部冲击载荷。

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除了预浸料铺层设计外,成型工艺也能体现碳纤维零部件制造商的技术水平。智上新材料一般会根据零部件的外观特征和具体应用需求选择模压成型或者热压罐成型方式。模压成型是将碳纤维预浸料在特定的模具中铺放,经过一定时间的高温保压后固化。使用这种成型工艺生产的零部件形状精度高,适用于中、小型零部件的成型。而热压罐成型工艺更适用于大型复杂的零部件成型,即将预浸料铺于模具的表面,通过热压罐中的温度和压力作用使树脂基体熔融流动后固化成型。

碳纤维复合材料本身具有的优异性能、灵活的可设计性和显著的轻量化效果,使之在高端设备和工业结构件上的价值得到推崇。但是,由于碳纤维复合材料原材料成本价格高、制造工艺复杂和应用经验的有限,导致碳纤维工业结构零部件在批量化大范围应用进程中存在相当多的阻碍。为尽快实现碳纤维复合材料在工业结构零部件构件上的量产化深入应用,智上新材料从工艺方案优化、经验积累,以及连续碳纤维增强热塑性复合材料研发等方面持续投入,全面推进碳纤维零部件的应用和发展。

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