康隆(Cannon)Afros公司開發了一項新技術，可生產內部預置了金屬嵌件的碳纖維增強復合材料(CFRP)中空結構部件。這項技術采用了高壓注入樹脂工藝，在適當的聚合溫度下，通過有差別的加壓，使用一種高阻的低熔點可導出金屬芯材來進行生產。

 

       總體而言，不規則形狀的或內部放置了嵌入件的中空結構的HP-RTM(高壓樹脂傳遞模塑成型)復合材料部件，其外面可以是一層碳纖維增強復合材料(CFRP)，內部則是一個可導出的金屬芯材。

 

        這項技術的專利還在申請之中，與此同時，已經可以以此進行工業化生產了。

 

 

       近年來，碳纖維復合材料的浸潤工藝發展很快，這是因為寶馬公司需要以一種高效且重復性好的方式生產數以萬計的復合材料部件，并以此制造出非常輕的電動汽車，以滿足大城市的人們乘車出行的需要。

 

        寶馬公司及其復合材料部件供應商因此投入巨額資金，開發高壓樹脂傳遞模塑成型(HP-RTM)工藝。

 

        這項工藝是用高壓將樹脂注入模具內，來對纖維進行浸潤。

 

        可快速固化成型的聚氨酯或環氧樹脂原料，先經過精確計量，再通過一個裝在模具上的混合頭進行高壓混合。

 

        如此，模具的型腔即是模塑成型部件的外形。所以，通常是生產有一定形狀的三維片狀結構的部件，而不是那種類似中空結構的部件，因為如果要使部件外形趨向中空的形狀，纖維很容易產生皺褶。

 

        樹脂充滿模具型腔并浸潤模腔內的碳纖維片材，這里的碳纖維片材可以是幾層碳纖維織物疊放在一起的片材，模具的合模噸位有幾千噸(400～4000t)。

 

        從閉合的模具內抽出所有的空氣，在模腔和纖維織物疊材內都形成真空。

 

        然后，樹脂經高壓混合頭注入模具型腔內，再在纖維織物的紋理間流動直至完全浸潤所有的纖維片材。

 

        為避免最終的產品中有氣泡，會適量多注一點樹脂，以使其從模具的接縫處流出來。

 

        樹脂會從混合頭的注入口進入模內，克服流動阻力，逐漸充滿模腔，直至完全浸潤纖維織物的紋理。

 

        樹脂在模腔內擴散時，可監測樹脂在注入口附近的壓力逐漸升高到一定的值，以前樹脂在充滿模腔時，這個壓力的峰值通常是80～100 bar，最近一些客戶已經用到的壓力峰值為130bar，所以他們會要求壓力峰值到200bar。

 

       最終的壓力值總是會更高，原因之一是樹脂的反應時間一直在縮短，現在每100s(以前是每5～6min)就能提取一件產品。

 

       其二是壓力峰值更高，模塑件的樹脂可以更緊實，因此復合材料中樹脂的量已經達到40%～45%左右。這個樹脂比例已經可與用熱壓罐加工預浸料生產的航空復合材料部件的樹脂比例相媲美了。

 

 

 

        因此，為了能用高壓樹脂傳遞模塑成型(HP-RTM)工藝生產高品質的碳纖維增強復合材料(CFRP)結構件，必須要在碳纖維疊材的表面施加至少80bar的單位壓力。

 

        如果是一個片狀結構的碳纖維疊材，可以用一個足夠噸位的壓機壓緊模具的上下模，以保證達到碳纖維疊材表面需要的壓力。

 

        然而，如果要生產中空結構的部件，則需要增強它的結構強度同時又不增加太多重量，一種方法是先做出一個部件的兩半，然后再粘合在一起;另一種方法是在中空的位置放一個輕質芯材或一個可導出的重的芯材用于承壓，以避免把中空的部件壓扁。

 

       輕質芯材(為輕木或泡沫)不能被導出來，承壓也不能超過15～20bars。

 

       或者可以用一種硬的多孔礫巖做可導出的芯材，最終部件模塑成型后，礫巖可在水中分解并溶解。

 

       分解后的礫巖粉末，可以通過在碳纖維復合材料的表面鉆的小孔排出來。但即使是這種“礫巖”，承壓也不能超過30bars。

 

       還有一種辦法是用那種軟的充滿了液體的承壓袋，用以抵抗液體樹脂的壓力(液體承壓袋是脆性的，還容易變形，體積不能大，否則不便于取出)。

 

       厚的液體承壓袋會以要求的峰值壓力做預加壓，但可能會因為太重而沒辦法從模塑的部件中取出，或是很難從不規則的中空內腔里取出，而且液體承壓袋也難以去到空腔內狹小的邊角。

 

 

 

        采用一個金屬芯材，其外形可與最終的碳纖維增強復合材料(CFRP)中空結構件的內腔形狀完全一致，最終碳纖部件制作完成后，再導出金屬芯材。

 

        這種芯材還便于容納金屬嵌入件或在鑄造中嵌入定位銷。

 

        可以用一種低共熔點的合金制造這種金屬芯材，其熔點溫度也低于一般碳纖維增強復合材料(CFRP)結構樹脂所能承受的溫度(通常固化溫度大約在130～140℃，能承受再高30℃的溫度而不損傷最終部件)。

 

        已經發現有幾種金屬合金的熔點是從略高于室溫開始，直到250℃。

 

        將金屬合金倒入一個模具中，模具內可預先固定上嵌入件。

 

        為避免氣泡、收縮和粘連等問題，模具會預先加熱到接近共熔合金的熔點溫度。在模內涂上一層脫模粉，模具有開孔并帶有提取銷和密封墊，可避免出現過多的毛邊或金屬熔液浪費。

 

        金屬芯材一成型，即馬上脫模、去毛邊并清除脫模粉，檢查嵌入件的位置正確，同時確保芯材的表面和內部沒有氣泡。

 

        先依次在高壓樹脂傳遞模塑成型(HP-RTM)的模具內正確地鋪上幾層纖維片材，再把芯材放進HP-RTM的模具內，然后用纖維疊材包裹好芯材。

 

        需要注意的是，纖維是有導向的(放置方向正確，可以讓部件有更好的支撐)，纖維疊材需進行預成型，使其成為適合放進模具的形狀。

 

        芯材壓在下面的纖維疊材上，上面也鋪有纖維疊材。然后，HP-RTM的模具合模，此時檢查模具的真空密封性，加壓推入樹脂浸潤纖維的外表面。

 

        先將模具預熱至樹脂固化溫度(大約130℃)，再高壓注入樹脂，需要至少一個傳感器在模腔注入口附近以監測擴散壓力，也可以在外圍的幾個點上加裝傳感器來監測擴散壓力，還可以加裝一些電容式傳感器以探測樹脂是否已流到部件的邊角或薄的位置，確保樹脂充滿整個模腔。

 

        一旦達到需要的峰值壓力(210 bar)，混合頭關閉，進入再循環模式。等固化時間結束后，壓機打開再取出部件。

 

之后，有兩種生產方式可供選擇：

 

       第一種生產方式是再加熱，把部件放入一個模板護架內，再送進加熱爐內，通過輻射或感應將芯材和空氣加熱至共熔合金的熔化溫度。熔化的低共熔合金通過預先鉆的小孔從模板護架內排出來，形成中空式復合材料部件的內部空腔，嵌入件會留在需要的位置，使其成為碳纖維增強復合材料(CFRP)的一部分。

 

       第二種生產方式是將部件冷卻，讓金屬芯材留在部件內，金屬芯材在后面的機械加工過程中可起到增強結構的作用。硬的金屬芯材更利于整個部件的放置以及對部件進行切割和去毛邊的操作，因為在機加工時，金屬芯材可降低振動并避免部件變形。待機加工完成后，經檢查合格的部件，再將其放入一個模板護架內，送進加熱爐內熔化低共熔合金芯材，使其能夠從小孔中完全排出來。

 

       此外，低共熔合金的熔化溫度(135～220℃)低，必要的話可使部件旋轉，即可排空所有的低共熔合金，即使部件邊角位置的低共熔合金液體也可以完全排出來。

 

       而如果空腔是用承壓袋或其他材料填充的，則承壓的材料可能無法到達邊角位置，或無法完全排出。

 

       熔化的低共熔合金液體排出后，可以使其流進熱熔爐下面的一個儲存罐中進行回收，最后倒回低共熔合金的坩堝中以循環使用。

 

       還可以用這項技術生產大型部件的空腔芯材，以替代原來的多孔礫巖芯材。雖然多孔礫巖的失蠟法模塑工藝可以抵抗很高的溫度，但其抗壓性能差(多孔礫巖最后可通過振動破碎或水溶法被排出)。

 

       總之，中空結構的碳纖維增強復合材料(CFRP)部件可以用于很多領域，像機械手的運動部件、傳動機構、形狀不規則的結構件、非圓柱形的罐體以及液體和壓縮氣體的儲罐等。