Làm thế nào bạn có thể duy trì mức hiệu suất cao khi chế tạo các bộ phận bằng sợi carbon theo yêu cầu?

2025-09-09 09:50:30

Mục tiêu của việc xử lý vật liệu tổng hợp sợi carbon thành các bộ phận công nghiệp khác nhau là tận dụng các đặc tính cơ học cao vốn có của vật liệu cho các ngành và lĩnh vực khác nhau. Tuy nhiên, việc xử lý các sản phẩm sợi carbon không phải là một công việc đơn giản. Việc lựa chọn công nghệ xử lý phù hợp và chú ý đến từng chi tiết trong từng bước sản xuất có thể tối đa hóa việc duy trì hiệu suất cao vốn có.

Việc gia công và sản xuất các bộ phận bằng sợi carbon hiệu suất cao đòi hỏi phải quản lý tỉ mỉ toàn bộ quy trình, từ lựa chọn vật liệu, thiết kế quy trình, kiểm soát quy trình cho đến xử lý sau. Câu nói “chi tiết quyết định thành công hay thất bại” đặc biệt đúng khi gia công các bộ phận bằng sợi carbon. Một sai sót nhỏ có thể làm giảm đáng kể hiệu suất tổng thể của một bộ phận bằng sợi carbon. Để đạt được các bộ phận bằng sợi carbon hiệu suất cao, hãy xem xét các bước chính và các điểm kỹ thuật sau.

1. Lựa chọn nguyên liệu sơ cấp và thứ cấp

Loại sợi carbon: Chọn mô đun cao (như M40J), độ bền cao (như T800) hoặc sợi có độ giãn dài cao (như T1000) dựa trên yêu cầu hiệu suất. Mô đun cao và sợi có độ bền cao thường được sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ, trong khi thiết bị thể thao có thể ưu tiên hiệu quả chi phí.

Các loại ma trận nhựa: Nhựa epoxy đa dụng, bismaleimide nhiệt độ cao (BMI), polyetheretherketone nhiệt dẻo (PEEK), v.v. Ngoài ra, đặc tính thấm ướt và đóng rắn của sợi phải phù hợp.

Kiểm soát Prereg: Đảm bảo hàm lượng nhựa (dung sai ± 2%) và hàm lượng dễ bay hơi (<1%) để tránh hấp thụ độ ẩm trong quá trình bảo quản hoặc hết hạn.

Chất giải phóng: Chọn chất chịu nhiệt độ cao (chẳng hạn như lớp phủ polytetrafluoroethylene) hoặc chất giải phóng bán vĩnh viễn để tránh ô nhiễm còn sót lại.

Vật liệu lõi và lớp xen kẽ: Lõi tổ ong (Nomex) và lõi xốp (PET) cần sấy khô trước để tránh bong bóng trong quá trình đóng rắn.

2. Thiết kế khuôn và bố trí

Thiết kế bố trí: Đối với các góc bố trí, sử dụng bố trí đẳng hướng để cân bằng tính dị hướng với 0° (hướng chịu tải chính), ±45° (khả năng chống cắt) và 90° (gia cố ngang). Đối với độ dày lớp lót, sử dụng lớp lót dạng bậc thang hoặc độ dốc để tránh sự tập trung ứng suất do độ dày không đồng đều. Phân tích phần tử hữu hạn (FEA) cũng có thể được sử dụng để mô phỏng sự phân bố biến dạng khi chịu tải và tối ưu hóa trình tự bố trí (ví dụ: sử dụng ±45° cho khả năng chống va đập ở lớp ngoài).

Thiết kế khuôn: Xem xét đầy đủ hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu khuôn (thép, nhôm, vật liệu composite), đảm bảo gần với hệ số giãn nở nhiệt của thành phần sợi carbon để tránh biến dạng trong quá trình đúc. Thiết kế đường phân khuôn cũng cần được xem xét để đảm bảo quá trình tháo khuôn diễn ra suôn sẻ. Nên sử dụng khuôn dạng mô-đun hoặc khuôn mềm silicon cho các bề mặt cong phức tạp.

3. Lựa chọn và kiểm soát quá trình đúc

Một. Quy trình đúc chính thống

Đúc bằng nồi hấp (Cấp hàng không vũ trụ): Xử lý dưới áp suất cao (0,5-0,7 MPa) và nhiệt độ cao (120-180°C), dẫn đến độ xốp <1% và hàm lượng thể tích sợi là 60% -65%.

Đúc chuyển nhựa (RTM) (Phụ tùng ô tô): Phun khuôn kín với tốc độ phun được kiểm soát (để tránh các điểm khô) và áp suất (0,3-0,6 MPa), phù hợp với các kết cấu phức tạp.

Cuộn dây tóc màng (Bình chịu áp, ống): Kiểm soát chính xác độ căng của sợi (20-50 N) và góc cuộn (cuộn xoắn ốc ± 55°).

In 3D (Tạo mẫu nhanh): Đối với in nhựa nhiệt dẻo gia cố bằng sợi carbon (ví dụ: PA-CF), độ bền liên kết giữa các lớp là rất quan trọng.

b. Kiểm soát thông số quy trình

Đường cong bảo dưỡng: Sử dụng thang nhiệt độ từng bước (ví dụ: xử lý trước 80°C → xử lý chính 120°C → xử lý sau 180°C) để tránh hiện tượng trùng hợp nhựa và tập trung ứng suất bên trong.

Chân không: Duy trì tối thiểu -0,095 MPa để đảm bảo đủ nhựa thấm vào và đẩy hết bọt khí ra ngoài.

Tính đồng nhất về áp suất: Duy trì độ dốc áp suất <5% trong nồi hấp để tránh tình trạng nén dưới mức cục bộ.

4. Xử lý sau và xử lý bề mặt

Một. Gia công

Cắt: Sử dụng dụng cụ cắt tia nước (áp suất 400 MPa) hoặc dụng cụ phủ kim cương để ngăn chặn sự phân tách sợi.

Khoan: Sử dụng mũi khoan kim cương đa tinh thể (PCD), tốc độ 2000-5000 vòng/phút và tốc độ tiến dao 0,01-0,05 mm/vòng. Đánh bóng: Sử dụng giấy nhám silicon cacbua (180-400 grit) để đánh bóng dần dần nhằm tránh mài mòn sợi quá mức.

b. Xử lý bề mặt

Lớp phủ: Lớp phủ polyurethane chịu nhiệt độ cao (phụ tùng ô tô), lớp phủ chống tia cực tím (thiết bị ngoài trời).

Kim loại hóa: Lớp phủ chân không (nhôm, niken) để tăng cường hiệu suất dẫn điện hoặc che chắn điện từ.

5. Công nghệ tối ưu hóa hiệu suất cao

Một. Cải tiến giao diện

Xử lý bề mặt sợi: Xử lý hoặc hồ bằng plasma (epoxy silane) để cải thiện liên kết sợi-nhựa.

Sửa đổi nano: Thêm ống nano carbon (0,5-2 wt%) hoặc graphene để tăng cường độ bền và độ dẫn điện giữa các lớp.

b. Đổi mới cơ cấu

Cán lai: Pha trộn sợi carbon với Kevlar hoặc sợi thủy tinh để cân bằng chi phí và khả năng chống va đập.

Đúc tích hợp: Đồng xử lý và nhúng các khớp kim loại (các bộ phận nhúng bằng hợp kim titan) để tránh làm suy yếu khớp cơ học.