高温碳纤维成型的新工艺

·36·玻璃钢2011年第1期高温碳纤维成型的新工艺李抒编译（上海玻璃钢研究院有限公司，上海201404）摘要新兴企业RocTool公司已经在Cage系统®工艺上赢得了声誉。现在RocTool正推出其昀新补充的3iTech®技术，一种将感应器集成在模具中的新型感应加热工艺。Cage系统因快速加热模具表面而闻名，而3iTech集成内部感应技术则开启了加工复合材料的其他可能性，因为它能够在20℃-400℃的温度下，加工包含碳纤维的热固性和热塑性材料。对这种新型加热和冷却工艺，RocTool的思路继续集中在两个不可分的要素上：①电磁感应迅速加热模具；②控制局部温度。2001年，当RocTool开始开发前卫的加热和冷却技术时，它显得有点与众不同，它试图用加热再冷却一个模具来加工材料的优点说服塑料和复合材料部门。随后大约在2007-2008年，该领域有了彻底改观。现在，在主要领域内，大多数主要树脂和设备制造商们对加热和冷却技术已经开展研发，或者制定了工序标准。RocTool起初并未直接选择电磁感应。公司早先试验了大量的可选方式，包括焦耳效应、高频率和微波加热等方法。感应相比其他所知的技术，如压缩热传递液体（水、油、蒸汽）或筒形加热器等，是迅速加热模具昀安全和昀有效的工业方案。感应可通过两种不同途径来加热一个模具：①CageSystem®—外部感应加热线圈，对模具表面直接加热；②3iTech®—内部感应加热线圈，采用预埋在模具表面下的钢层加热（图1）。3iTech®工艺通过热传导利用集成在模具内部的感应器来加热模具表面。它可以简单地定义为一个“超级”筒型加热器的三维网络，具有以下特征：图1用于热压工艺的3iTech®模具图·37·（1）感应器网络：①三维相通；②可延伸至相当的长度（达数平方米）；③可传输高强度的电力（达数十万千瓦）；④可在高温下运作（达400℃以上）；（2）模腔的热阻是零，因为能量直接通过感应施加在包围感应器网络的模腔表面之上。操控这种感应工艺可以对非常薄的金属层（通常为几十分之一毫米）输入高强度的电力（每平方厘米20-30千瓦）以启动快速可控的升温，同时限制着任何惯性效应。13iTech及其衍生技术的介绍3iTech®的基本原理在于创造一个埋有感应加热线圈的模腔网络（图2）。利用电磁感应加热模腔表面，使模具表面各处可以获得一个均匀的升温，从而优化所需的加热时间和能量。图23iTech®环路图模腔到模具表面之间的距离，亦可称作“热辐射的弯月面”，可通过两种方法来优化：钢的导热率和弯月面的长度。许多3iTech®的衍生技术和组合技术是根据那些目标工艺（RTM、热压、塑料注射、真空袋压、管制造）、在给定温度、加热时间和保压时间下进行加工的材料以及所涉及部件形状的复杂性来提出的。所要求的3iTech®配置（图3）也存在差异，例如你要在400℃下加热一个模具2-10分钟，或是在120℃下加热5-15秒。同样，其效果也将会随着模腔的形状变化（圆形或方形）以及所用感应器的形状变化（圆形、方形或长方形）而有所不同。感应器甚至可以是弯的，通常对于铜丝而言，也可以存在实心的十字交叉部分或是空心的以便于冷却，或任何随意的形状以便能铺设成高度三维的网络。模具模腔感应器·38·图33iTech®原理的横截面RocTool和Indumold®技术发明者KIMW公司，似乎预先就确定达成一项协议。RocTool开发出一种方案更偏向用于加工高熔点材料，包括复合材料（直径6-15毫米的管型感应器，可冷却，距离模具表面10-15毫米），而KIMW的Indumold技术专门用于塑料注射模型，涉及一个由小型感应加热线圈形成的网络，集成在距离模具表面非常近的地方（没有冷却感应器，直径3-6毫米，距离模具表面3-5毫米）。这两种方案是互补的，向RocTool提供了可直接应用于所有复合材料和塑料工艺领域的全套系列方案（图4）。图4Gigaset（德国）使用内部感应加热法制造的部件，省去了焊接和涂层这种工艺的优点是它在惯性效应之外利用了其他机理，使得模具加热系统更加智能化。例如：分离了模具移动和固定部分的加热，或将模具的限定区域局部加热到要求的温度。23iTech®模具的结构参数一个3iTech®模具产品要加工出许多模腔来装入感应加热线圈，就这方面而言是独一无二的。如果这个模腔网络是二维平面，就可以使用机械或钻孔方法来制造。而对于一个高度三维的网络，唯一起作用的办法就是通过三维加工制造一个嵌入模具。只要它和感应模式相容，任何标准的模具材料都可使用，从铝到镍基合金如因瓦合金，以及所有种类的钢，包括不锈钢。为了在指定的操作温度下获得优化操作，对模具材料的选择被作为昀后阶段的考虑。但是，如果一种材料能极好的符合以下标准就更好了：·39·①高导热率；②对热加工环境具有较好的力学抗性；③良好的电磁性能（磁性材料）；④低成本；⑤世界各地盛产。根据目标加工工艺的变化，使用不同的冷却装置。通常，一秒钟冷却线路被安装在感应网络之后，当加工高熔点的材料如PPS或PEEK时，冷却线路在加热之前就排空，以便使热损失昀小化并防止冷水环线与加温到400℃的模具有接触（图5）。图5碳纤维手机壳生产周期：3分钟；能量消耗：5Kva/分钟。温度从60℃到230℃相反，当加热时间和（或）塑料注射的温度很低，就要持续控制整个冷循环。另一种更有效的衍生技术在于根据是否处于冷却或加热阶段，使水在感应器周围循环流动。总之，所有类型的冷却方法（图6）都可以和温度控制线路集成在一起：①位于加热网络之后（标准设计）；②与加热网络平列（设计用来优化冷却效果）；③在加热网络之前（强化冷却效果）。图6有限元分析-3iTech®树脂传递成型模具冷却网络加热网络·40·关于热和机械的应力，热力学研究已能做到综合所有这些想法来确保模具设计的优化。模具设计将着眼于热膨胀方面，热膨胀会引发热疲劳，而热疲劳可通过一些办法进行控制，如对模具的指定区域进行加热，选择更为合适的钢，或使用更加合适的涂层。33iTech®用于不同复合材料工艺上与标准加热工序相比：差异、优势及局限3.1部件的RTM成型与标准工序的差异：（1）可能获得不同的临界温度；（2）可低温注入高温固化，加快固化周期；（3）移除不需要冷却装置或冷却模的部件。优势：极大缩减了周期时间（对一些环氧或PU树脂缩减了大约3分钟）；提高了部件的表面质量；显著降低了产品成本。局限：对于非常大的部件（超过4-5平方米），仅在中等电力下很难达到只有几秒钟的加热时间。3.2不经片压的热塑性和热固性预浸料件的生产3iTech®工艺的主要优势在于其碳纤维成型能力，包括在高温度下。对于热塑性塑料，它可以直接从柔软的织物开始而不需要预先加固的片材。与热固性材料标准工艺的差异：可达到温度界限，加快固化过程。与热塑性材料标准工艺的差异：使用柔软的织物，无需预热材料，转移到冷模。优势：显著减少了周期时间和部件成本。由于航空工业设备制造商们要使用大量的模具，航空工业将会发觉除了成本外的另一个优势。因为这些模具几乎瞬间就可被加热，模具的开始时间和潜在的变化是决定性的因素。局限：这项技术不适合大型部件，并且相关的产量必须足够大，将这项技术添加到生产线中才合理。图7是对一个复合材料框架成型模具进行加热的模拟。图7有限元分析-3iTech®热压模具·41·图8（a）图展示了用PA-12/碳纤维制造的一个部件，用时2分钟（为一个完整周期，包括加热、保压和冷却的时间）。（b）图展示了同一部件使用环氧/碳纤维制造，用时4分钟，包括2分钟的固化时间。图8PA12/CF框架（a）EP/CF框架（b）3.3管材和中空部件的生产与标准工艺的差异：加热、保压和冷却一个周期中完成，在生产过程中无需任何操作模具。优势：部件的周期时间和成本具有优势，减少了能源消耗。局限：由于周期时间非常短，该工艺不适合小批量。图9展示了容纳4根感应器的4个感应加热模腔，均匀地分布在模具要求加热的圆柱体四周。图9有限元分析-3iTech®管状模具一个冷却网络分布在感应器网络四周，在该例中，共有六条水道均匀的分布在模具加热槽周围。铸模的程序如下：气囊和复合材料放置到位，清空冷却水道以优化加热时间，加热阶段开始。在温度提升和温度驻留以协助热量充分注入后，冷却阶段启动。图10是一份用PA-12/碳纤维制造管材的生产周期表，用时3分半。冷却网络冷却步骤加热步骤冷却步骤·42·图103iTech®在管材加工应用中的完整周期时间图11展示了一段刚从模具中抽取出的PA-12/碳纤维管，生产用时3分半。同一模具曾用于制造相同的PPS/CF部件，温度上升到330℃，5分钟的时间周期，从而为航空工业中众多高温中空结构的应用创造了无限可能。图11PA12/CF管材4总结与展望自2000年创建至今，为了向制造商们提供大量用于加工复合材料的生产工艺，RocTool已汇聚了一个（感应、热力、材料）专家团队。这些工艺以专利和专有技术许可的形式出售。公司的目标是通过显著降低零部件的生产时间和成本来促进复合材料更加广泛的发展。迄今为止，其首个工艺CageSystem®（一种电流在模具表面之上流通的感应工艺），在零部件的批量生产上已非常普及，但却无法批量生产碳纤维部件，由于碳纤维具有传导性，·43·因而与之接触的模具表面必须要绝缘。新型3iTech®工艺则完全兼容碳纤维，因为电磁感应发生在模具内部，表面并没有电流流通。当初RocTool对该项新工艺的两个开发目标是：①根据其构造的情况，在2-5分钟的时间内大批量生产碳纤维复合材料零部件；②在高温和低温下生产复合材料，使市场上所有系列的材料能被加工，从80-200℃的热固性树脂到高达400℃的PPS、PEI或PEEK。下一个技术步骤将主要在于优化效率以及温度在模具表面的分布方式。将开发另一个领域，使3iTech®技术适用于市场上的大型部件，包括非热压罐工艺制造的部件。（《JECComposites》June/July2010，No.58：62-66）新能源：风电发展有保障海上风电贡献加大风电发展速度趋缓。随着亚洲市场（中国和印度）、北美市场（美国和加拿大）风电的加速发展，欧盟的市场地位迅速下降。截止到2010年底，欧盟新增风电装机和累计风电装机分别占全球的25.96%和43.36%，均达到历史新低。2010年欧盟新增风电装机9,295MW，同比下降11.36%。我们认为风电新增装机下滑的主要原因是风电投资商对经济发展的担心以及对风电并网能力的担忧。德、西依然是主力，法、英、意奋起直追。截止2010年底，德国和西班牙累计风电装机合计占欧盟比为56.82%，新增装机占欧盟的32.37%，仍然是欧盟风电发展的主力。但法国、意大利和英国异军突起，2010年三家新增装机合计占欧盟市场份额的32.23%，与德、西基本持平。海上风电成为亮点。2010年欧洲新增海上风电并网容量达883MW（占欧盟新增风电装机的9.5%），同比增长51.72%；累计安装海上风机1136台，合计并网容量为2,964MW，同比增长24.43%。从海上风电累计市场份额看，英国保持领先地位，而丹麦、德国和比利时的海上风电在2010年均有大幅增长。根据欧洲风能协会的预计：到2011年将新增海上风电并网容量1000MW-1500MW，2015年海上风电装机容量将达到8000万KW。可再生能源发展迅速，风电发展仍有保障。2010年，欧盟新增可再生能源装机为22.7GW，同时增长31.2%，占欧盟新增电力装机的41%，而1995年该比例为14%。在可再生能源电力装机中，风电贡献突出：2010年风电新增装机占欧盟新增电力装机比例为16.8%；2010年风电累计装机占欧盟整个电力装机比例为9.6%。2010年风电占欧盟整个电力消费比例为5.3%，而根据欧盟制定的2020年能源行动计划，风电占整个欧盟电力消费的比例达到14%，因此，未来10年欧洲风电的发展仍将获得政策上的保障。（凤凰网财经）