由模压成型基本原理分析可知,模压过程可分为粘流凝胶和硬固3个阶段,从工艺角度来看最主要的是粘流与凝胶阶段。模压成型过程中一般要求硬固阶段时间长些,这样可使交联程度甚为均匀,固化度高,以保证制品达到设计要求的力学、物理性能。由整个模压工艺过程可见,它是在一定外界 条件、温度、压力和时间下进行的。 其中温度的影响尤为重要,所以在碳纤维管模压成型工艺过程中,温度、压力和保温时间是控制制品研制质量的主要工艺参数。现将有关内容分述如下。
1.温度对制品性能的影响
温度的作用主要是促进碳纤维管中树脂基体固化反应和使固化反应完全。从表面现象看,温度增高使树脂基体粘度发生变化。起始阶段树脂基体粘度变小易于流动,随着温度的升高粘度会逐渐增大,达到难于流动程度,直至树脂基体失去流动性,变成不熔不溶的状态。
从物质结构上看,温度的作用主要是增加了分子热运动和分子之间的反应能力。也就是说,树脂基体开始加热时,由于分子结构主要是支链或不带支链的线性结构,分子链可以自由运动,而加热后会使分子活动能增大。因此分子链上各基团较容易进行反应。随着反应不断进行,链与链之间开始交联,分子链增长到一定的粘度即产生凝胶现象,凝胶后的分子运动受到很大约束。
为促进固化反应,必须提高温度,增加分子活动能力,但尚未反应的基团继续交联,这就逐渐形成了网状和体型分子结构,即基本达到了固化。为了使固化反应完全,可进一步提高温度 ,增加交联密度,其工艺过程通常又称后固化。由此可见,固化过程中提高温度是热能的输人,起到增加分子链或链节的活动能力的作用。实践表明,固化过程中不太可能所有基团100%都参加反应,达到完全固化程度。经诸多碳纤维管分析结果表明,一般达到85%左右固化程度的制品,是能够达到设计使用要求的性能。
2.压力对制品性能的影响
在碳纤维管的模压成型中,施加压力时机主要是从工艺试验中摸索出来的。其中加压时间是-一个很重要的工艺参数。如过早加压,由于树脂基体粘度低、易流失,使增强材料不能充分浸润,在制品内部会引起孔隙;但如果加压时机过迟,加压时树脂基体交联程度过高,流动性变差,压力难以促使预浸料流动,甚至会起不到使碳纤维管结构致密的作用,同样还会使制品内部产生空隙。只有当树脂基体交联适中、粘度恰当,即容易在热压下流动而同时又能与纤维-一起流动, 才是最好的加压时机。它应该是在树脂基体激烈反应放出大量气体之前。在环氧648/BE.MEA树脂基体材料通过工艺试验后,对于不同的制品所选择的压力大小和加压时机等工艺参数,已制定了相应固化工艺参数经实施后效果甚好。
3.保温时间对制品性能的影响
保温时间是指模压成型工艺过程中保持温度和压力的时间。其目的是使制品中预浸料充分固化并消除内应力。保温时间不足,制品不能充分固化,制品的力学性能颇低,且易产生翘曲变形。适当增加保温时间,一般可使制品收缩率减少,耐热性能提高。力学性也会随之增大。然而过分延长保温时间反而会使制品某些力学性能下降,过多浪费电能。故我们应当在不影响制品质量的原则下尽量缩短保温时间,能起到提高生产效率的作用。模压成型工艺过程中保温时间取决于预浸料的类型制品形状.厚度模具构造预热排气、压力和温度等因素。
由上述内容的分析可见模压成型工艺过程中温度、压力和保温时间3个工艺参数并不是孤立的,而是相互联系,相互制约的,制订工艺规程时必须全面考虑。根据我们承担模压制品实践表明,在选择工艺参数时必须根据制品结构特点、模具构造等因素经过较充分的工艺试验,才能制订出工艺状态稳定的工艺文件和研制出性能符合设计要求的碳纤维管。
除此之外,在模压成型工艺过程中,挥发份含量对预浸料的流动影响颇大。挥发份含量大,模压时预浸料流动性大,过高的挥发份含量会使预浸料的流动性过大而引起树脂基体流失,最终碳纤维管会产生气泡、表面不平整等缺陷。但挥发份过低又会使预浸料流动性降低造成成型困难。因此在模压成型工艺过程中要选择挥发份含量适中的预浸料也是保证碳纤维管质量的因素之一。
为了确保碳/环氧复合材料模压成型制品质量,要用复合材料成型工艺基础理论来指导工艺文件制订,并把这些基础理论应用在实际生产过程中,是整个型号研制的重要环节,也是产品质量的重要保证。与此同时,通过必要的工艺试验,可以提前暴露出各种工艺技术问题,以采取相应措施解决问题,使制品工艺状态稳定,质量得到有效控制。