碳纖維管材的質量由哪些工藝要素決定？

碳纖維管材的質量良莠不齊，有的甚至是魚目混珠，有的管材僅是外包覆3k碳纖維，內部卻混雜了玻纖的成分，直接影響了管材的質量，并為后續的應用設備和生產帶來了嚴重的安全隱患和不可估量的經濟損失。以下就是影響到碳纖維管材質量的幾個工藝因素，以供咨鑒。

工藝的區別

碳纖維管材一般采用拉擠、纏繞、卷制等方式制成，這幾種工藝各有利弊：拉擠成型容易實現纖維的連續性，但不能實現纖維角度的任意變化；纏繞工藝能夠按產品的受力狀況設計纏繞規律，能充分發揮出纖維的強度，更大限度地保證了管材所要求的結構性能，但是纏繞成型適應性小，不能纏任意結構形式的制品，特別是表面有凹的制品，因為纏繞時，纖維不能緊貼芯模表面而架空；卷制工藝機械自動化程度高，管材成品在強度上比拉擠工藝要高，外觀也能做出3k編織紋路，適用的范圍更廣，相對來說成本也要高一些。

原材料的選擇

既然碳纖維管材的強度是由其中的碳纖維材料決定的，因此，用于碳纖維管材制造的碳纖維材料本身的質量尤為重要。來自于日本東麗、臺塑等世界一流碳纖維生產商的產品質量還是比較可靠的，不同系列的碳纖維碳紗在力學性能和成本上差別也很大，最終決定了碳纖維管的性能和價格。除此之外，樹脂的選擇也不容忽視，樹脂的主要作用是把碳纖維粘在一起，分配碳纖維間的載荷，保護碳纖維不受環境影響，樹脂基體的選擇必須遵循固化方便、粘附力強、收縮性低、力學性能好等原則。

芯模的材質

不同材料制成的芯模對管材的表面精度及性能有一定的影響。有些低端的碳纖維管生產采用聚乙烯醇-砂、木-玻璃鋼等材料制作纏繞芯模，但是這些材料或是難耐150℃以上的固化溫度，或是工藝水平過于粗糙，難以制作出高質量的碳纖維管。相比較而言，鋼和硬鋁是兩種較為常用的芯模材料，鋼的密度和硬度都比硬鋁大，但鋼的熱膨脹系數不及硬鋁。高性能碳管需要在高溫下進行固化，環氧樹脂體系的固化溫度也可達170℃。在此種情況下，硬鋁熱膨脹產生的固化內壓，能很好地提高碳管的密度和力學性能。

芯模的設計

除了芯模本身材料外，其筒身部分設計與碳纖維管的長度也有直接聯系。如果碳纖維管長度較短，芯模的筒身部分可以制成等直徑，如果管材長度要求比較長，在機床的加工精度及脫模等因素的制約下，等直徑的長筒身應用困難，因此，采用帶錐度的芯模筒身較為適宜。另外，在已知產品長度的基礎上再加長10-20mm,便于后續的機械加工操作。對于長度與直徑比值較大的碳纖維管來說，采用兩段芯模對接和螺旋纏繞的方式，減小其直徑的波動范圍，可縮小碳纖維管兩段內外徑差距。

纏繞的設計參數

纏繞成型中，纏繞厚度、纏繞角度以及纏繞角度的順序對碳纖維管的性能都有較大的影響。例如，當碳纖維管材應用于傳動軸之類產品時，在橫截面上要產生相對運動，與軸向呈0°的鋪層可以減小橫截面間的相對運動；±45°鋪層有利于提高軸的抗扭性能；90°方向鋪層在初始扭轉狀態可起到抵抗切應力的作用，當扭矩較大時承扭能力下降，但是纏繞工藝不能纏繞0°鋪層，所以增加接近±45°和接近90°鋪層角度的比例，都有利于提高碳纖維管材的抗扭強度。同樣，纏繞的厚度和纏繞角度的順序對碳纖維管材的性能影響也有相關的變化規律可循。

脫模的技術要點

為了便于脫模，一般會在纏繞之前就在芯模的表面涂刷脫模劑，但是在高性能碳纖維管的制造中，有機類脫模劑在固化過程中易滲入樹脂中，對管材成品造成傷害，影響到管材的性能。為避免這種情況，選擇含氟的脫模劑能有效減少缺陷的產生。芯模需要反復使用，如果在脫模時使用車加工或鉗工的方式去除封頭，會對芯模表面造成損傷，遇到這種情況需利用耐高溫膠黏劑補平傷口或采用焊接的方式，再磨削到位，否則會直接影響到下一批碳纖管的制品質量。

從理論上講，碳纖維管材比傳統金屬管材具有更多的性能優勢，如強度高、耐腐蝕、熱膨脹系數小、抗蠕變、自潤滑、耐疲勞、使用壽命長，還能吸能抗震，最關鍵的是其密度小質量輕，能比同樣的鋼制管材減重80％以上。但是從應用情況看，碳纖維管材能否真正體現出以上的性能優勢，還是由實際生產中的諸多技術因素決定的。