NS1477 热塑性碳纤维复合材料中空管材的三维编织制造技术_技术工艺_复材学院

NS1477 热塑性碳纤维复合材料中空管材的三维编织制造技术

日期：2023-02-28 来源：赛奥碳纤维技术浏览：855

在汽车产业飞速发展的同时，汽车材料轻量化也成为汽车发展的必然趋势。轻量化不但可以减轻车身质量、节约能源、降低油耗、减轻污染，也可以降低成本、提高企业竞争力、增加企业利润。有关资料显示：汽车的一般部件质量每减轻1%，可节油1%；运动部件每减轻1%，可节油2%。近年来，各国汽车制造商都致力于探索、应用汽车新材料，在保证汽车综合性能的前提下减小汽车自身质量。所以，汽车轻量化已经成为汽车材料发展的主要方向。

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汽车轻量化的重要手段之一是在保证汽车综合性能的前提下，汽车材料向轻质材料方向发展，包括铝合金材料、高强度钢、镁合金材料、钛合金材料、塑料和复合材料等。

碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）具有轻质高强、高断裂韧性、耐腐蚀、可设计性强、易成形、减振阻尼性能好等一系列优点，既能够满足部件刚强度、轻量化的设计要求，在车辆安全性上也具有明显优势。目前，CFRP已成为继高强钢、铝合金、镁合金、工程塑料和玻璃纤维复合材料（GFRP）后汽车工业领域最具发展潜力的轻量化材料。

至今为止使用的热固性CFRP的问题点

用于飞机机身等的CFRP是在将碳纤维浸渍热固性树脂（加热即固化的树脂：环氧树脂等）。但是，热固性CFRP固化后不能再熔融，所以很难再利用。另外，需要较长的加热固化的时间，所以不适合大量生产。

热塑性碳纤维复合材料(CFRTP)

碳纤维复合材料又可分为热塑性复合材料(CFRTP)以及热固性复合材料，目前的碳纤维复合材料产品中大多数都是使用热固性复合材料。

热塑性树脂的优点是加工成型简便，具有较高的机械能。韧性好、损伤容限大、介电常数良好，同时储存期不受限制、不需低温贮存、成型不需要热压罐等大型专用设备，尤其是它具有良好的可循环性、可回收、可重复利用和不污染环境的特性适应了当今材料环保的发展方向。

常用的热塑性树脂有尼龙、聚缩醛、聚碳酸酯、聚苯乙烯等，加热后会熔融，可再循环利用

迄今为止，热塑性CFRP的推广应用之所以滞后，是因为熔融的热塑性树脂的粘度高，难以浸入到碳纤维之间，容易产生密合性差的问题。但是，近年来随着将碳纤维和热塑性树脂薄膜通过层压加热，可使热塑性树脂充分浸入碳纤维技术的进步，可以直接使用热塑性CFRP板和带状材料。
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图1 热塑性CFRP带材、片材

CFRTP 中空管材的三维编织制造技术

三维编织技术是缠绕纤维的多个纱管相互交错旋转，使纤维相互交错制造中空管材的纤维编织技术。

图2 三维编织生产过程

CFRTP管材的制造流程

（1）使用CFRTP单向预浸带，通过编织成型制造中空管材；
（2）将编织成型的中空管材加热，使之熔融，施加压力的同时进行冷却，最终成型中空管材（图3）。
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图3 成型后的热塑性碳纤维复合材料(CFRTP)管材

CFRTP管材的优点

（1）与金属管材相比，重量大幅度减轻；

（2）因为使用了热塑性树脂，所以通过加热，可以根据用途使截面形状变形，根据需求改变接合所需的形状；
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图4 CFRTP管材的加工多样性

（3）加热后树脂熔融，可以接合。接合时不需要使用粘接剂（热固性CFRP管材/框架需要使用粘接材料接合）；

（4）根据不同用途可将管材与其他部件加热熔融进行接合，用于生产汽车的车架。

面向规模化、实用化的课题

（1）不同壁厚的CFRTP管材的制作及强度评估
（2）管材断面的加热变形冲压
（3）管材与板材、管材与管材之间接合方法的优化
（4）多种断面的三维编织管材的成型及其冲压成型

参考文献

（1）米山猛，熱可塑性炭素繊維複合材料(CFRTP)の中空フレーム，金沢大学、2021

来源：部分素材网络、赛奥碳纤维技术

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