През последните години, както в страната, така и в международен план, се появиха нови технологии за формоване на термопластични композитни продукти, подсилени с въглеродни влакна. Тези технологии включват автоматично поставяне на влакна, формоване с ултразвукова бърза консолидация, формоване с лазерна консолидация, втвърдяване с електронен лъч, формоване с помощта на вакуум и 3D печат. Въпреки високата ефективност, ниската цена, ниската консумация на енергия и високата степен на автоматизация, които предлагат тези нови технологии за формоване, традиционните методи все още играят значителна роля поради настоящите технологични ограничения в приложенията на въглеродни влакна.

Термопластичните смоли като PEEK, ПИ и PPS показват силна устойчивост на корозия, устойчивост на повреди, устойчивост на удар и якост на счупване. Те също така омекват и се топят при нагряване, което позволява многократна употреба. Когато се комбинират с въглеродни влакна с висока якост, тези подсилени с въглеродни влакна термопластични композити бързо станаха популярни в космическите, военните и цивилните приложения от висок клас. С течение на времето са разработени различни процеси на формоване за приложения с въглеродни влакна. Саксобран Нов материалCo., ООД, е специализирана в производството на композитни продукти от въглеродни влакна и е сравнила предимствата и недостатъците на няколко широко използвани и зрели метода на формоване.

Процес на формоване в автоклав

Автоклавното формоване използва високотемпературен сгъстен газ в автоклава за нагряване и херметизиране на предварително положени препреги, като ги втвърдява във форма. Този метод се използва широко за интегрално формоване на композитни материали на основата на смола и има значително значение в промишленото производство. Например, 80% от подсилените с въглеродни влакна термопластични композитни структурни части, използвани в самолетния фюзелаж, кормилото, елеваторите, обшивките на крилата и опашните перки, се произвеждат с помощта на формоване в автоклав.

По време на процеса на формоване в автоклав, препрегът е запечатан във вакуумна торба във формата, осигурявайки равномерно налягане от сгъстения въздух във всички посоки. Високоскоростният поток от сгъстен въздух вътре в автоклава осигурява равномерно нагряване по време на етапите на нагряване и охлаждане. Освен това, стабилното налягане и температура в автоклава водят до ниска порьозност и равномерно разпределение на влакната в композитните продукти. Така формованите в автоклав термопластични продукти, подсилени с въглеродни влакна, показват равномерно разпределение на налягането/топлината и стабилно качество, което прави този метод подходящ за производство на големи и сложни структурни части. Недостатъците обаче включват обемистото и сложно оборудване, високата консумация на енергия, значителните инвестиционни и производствени разходи и ниската ефективност.

Процес на формоване чрез компресия

Компресионното формоване включва различни етапи като пластификация на материала, поток за запълване на кухината на формата и втвърдяване на смола. По време на потока на подсиления с въглеродни влакна термопластичен композитен формовъчен материал в кухината на формата, както термопластичната смола, така и подсилващото въглеродно влакно с висока якост трябва да текат, което води до по-високо налягане на формоване в сравнение с други методи. Този процес изисква хидравлична преса, способна да контролира налягането, и високоякостни, високопрецизни, устойчиви на висока температура метални форми. Новият материал на Уси Джишанг обикновено използва методи за автоклавиране и компресионно формоване за производство на подсилени с въглеродни влакна термопластични композитни продукти.

Формованите чрез компресия термопластични продукти, подсилени с въглеродни влакна, показват ниско вътрешно напрежение, минимално изкривяване, гладки повърхности, висока точност на размерите, стабилни механични свойства, ниско свиване и добра повторяемост. Този метод е подходящ за формоване на големи плоски продукти с висока производствена ефективност и възможност за формоване на сложни структури наведнъж, улеснявайки масовото производство, специализацията и автоматизацията. Въпреки това, сложността и високата цена на производството на матрици, дългите цикли на формоване и предизвикателствата при постигането на пълно запълване на матрицата са забележителни недостатъци при приложенията с въглеродни влакна.

Процес на навиване на нишки

Навиването на нишки включва предварително нагряване на импрегнирани със смола непрекъснати въглеродни влакна с висока якост и навиването им върху дорник. Непрекъснато нагряване и прилагане на налягане консолидират препрега в единна структура, образувайки желания компонент слой по слой. Фактори като температура на нагряване, метод на навиване, екструзионна междина, температура на смола и напрежение на навиване на влакна влияят пряко върху качеството на продукта.

В сравнение с процеса на автоклав, навиването на нишките е по-благоприятно за механизирано производство и позволява корекции на якостта на въглеродните влакна чрез промяна на моделите на навиване. Въпреки това, поради неспособността на въглеродните влакна да прилепнат плътно към повърхността на дорника по време на навиване, този метод е неподходящ за производство на части с вдлъбнати или изпъкнали повърхности.

Процес на пултрузия

Пултрузията включва импрегниране на високоякостни въглеродни влакна в смола и издърпването им през матрица, където се оформят и втвърдяват под налягане, образувайки непрекъснати дължини на композитни продукти. Този процес е подходящ за производство на непрекъснати компоненти с постоянно напречно сечение, което означава, че може да произвежда само линейни профили, а не структурни части със сложна форма. Освен това, поради анизотропните свойства на продуктите, тяхната напречна якост е ограничена, което представлява ограничения за приложение в продуктите, подсилени с въглеродни влакна.

За широкомащабно производство на линейни термопластични продукти, подсилени с въглеродни влакна, този процес предлага висока автоматизация, ниска консумация на енергия, високо съдържание на въглеродни влакна, стабилно качество на продукта и ниска консумация на суровини. Това е предпочитан метод за производство на специфични видове продукти.

Нововъзникващи технологии

През последните години в световен мащаб се появиха множество нови технологии за формоване на термопластични композитни продукти, подсилени с въглеродни влакна. Те включват автоматично поставяне на влакна, ултразвукова бърза консолидация, лазерна консолидация, втвърдяване с електронен лъч, формоване с помощта на вакуум и 3D печат. Тези нови технологии предлагат висока ефективност, ниска цена, ниска консумация на енергия и висока степен на автоматизация. Въпреки това, като се има предвид сегашното технологично ниво в Китай, остава значителна празнина в изследванията и практическото приложение в сравнение с развитите страни. За значителен период от време традиционните методи на формоване ще продължат да бъдат от съществено значение за производството на подсилени с въглеродни влакна термопластични композитни структурни части и други продукти в приложения с въглеродни влакна.