隨著汽車行業(yè)對(duì)輕量化和高性能材料的需求不斷增加，碳纖維制品在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。2025年，樹(shù)脂傳遞模塑(RTM)工藝成為碳纖維制品制造的重要技術(shù)手段，特別是在賽車和高性能汽車領(lǐng)域。RTM工藝不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高纖維體積分?jǐn)?shù)，還能有效減輕重量并提高生產(chǎn)效率。然而，夾心材料的選擇對(duì)碳纖維制品的性能有著顯著影響。本文通過(guò)對(duì)聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)泡沫、蜂窩鋁和復(fù)合強(qiáng)芯氈三種夾心材料的對(duì)比分析，探討了它們?cè)赗TM工藝下對(duì)碳纖維制品性能的影響，并提出了優(yōu)化建議。

  一、碳纖維制品的RTM工藝優(yōu)勢(shì)

  《2025-2030年中國(guó)碳纖維制品行業(yè)運(yùn)營(yíng)態(tài)勢(shì)與投資前景調(diào)查研究報(bào)告》RTM工藝作為一種先進(jìn)的碳纖維成型技術(shù)，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。它能夠?qū)崿F(xiàn)高纖維體積分?jǐn)?shù)(可達(dá)60%-80%)，在保證制品強(qiáng)度的同時(shí)有效減輕重量。此外，RTM工藝具備出色的復(fù)雜形狀成型能力，能夠滿足汽車車身多樣化、個(gè)性化的設(shè)計(jì)需求。近年來(lái)，RTM工藝不斷創(chuàng)新發(fā)展，衍生出了真空輔助RTM(VaRTM)和共注射RTM等改進(jìn)型技術(shù)，進(jìn)一步提升了其在碳纖維成型領(lǐng)域的地位。

  二、碳纖維制品的夾心材料選擇

  碳纖維制品市場(chǎng)性能影響分析提到夾心材料在碳纖維復(fù)合材料體系中發(fā)揮著多重關(guān)鍵作用，包括減重、增韌和功能集成等。PMI泡沫、蜂窩鋁和復(fù)合強(qiáng)芯氈作為三種典型的夾心材料，各自展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：

  PMI泡沫：以其低密度、高比強(qiáng)度和良好的耐高溫性能，在航空航天等對(duì)材料性能要求極為嚴(yán)苛的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其閉孔結(jié)構(gòu)能夠有效阻止氣體和液體的滲透，提高材料的隔熱、隔音性能。

  蜂窩鋁：憑借高剛度和獨(dú)特的導(dǎo)電性，在需要電磁屏蔽功能的部件制造中發(fā)揮著重要作用。

  復(fù)合強(qiáng)芯氈：通過(guò)精心設(shè)計(jì)的多層結(jié)構(gòu)，巧妙地實(shí)現(xiàn)了輕量化與成本之間的平衡。

  三、碳纖維制品的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)試

  (一)實(shí)驗(yàn)材料與工藝參數(shù)

  碳纖維：選用T300級(jí)碳纖維織物，面密度為1200g/m2。該級(jí)別碳纖維具有良好的綜合性能，能夠滿足本研究對(duì)碳纖維制品性能的基本要求。

  樹(shù)脂：采用雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂(E-51)搭配甲基納迪克酸酐(MNA)固化劑。這種樹(shù)脂具有良好的粘結(jié)性能、機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠與碳纖維形成牢固的結(jié)合。

  夾心材料選擇：

  PMI泡沫：密度為0.1g/cm3，閉孔結(jié)構(gòu)和高比強(qiáng)度特性使其成為理想的研究對(duì)象。

  蜂窩鋁：密度為2.7g/cm3，用于對(duì)比分析不同夾心材料對(duì)碳纖維制品性能的影響。

  復(fù)合強(qiáng)芯氈：密度為0.4g/cm3，多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)輕量化與成本的平衡。

  (二)RTM工藝參數(shù)

  注射壓力：設(shè)定為0.3±0.1MPa，確保樹(shù)脂能夠充分浸潤(rùn)纖維和夾心材料，同時(shí)避免因壓力過(guò)大導(dǎo)致模具損壞或材料溢出。

  固化制度：采用80°C/2h→120°C/1h→150°C/0.5h的升溫固化程序，使環(huán)氧樹(shù)脂在不同溫度階段逐步發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，充分固化。

  真空度：控制在-0.098bar，有效排除模具內(nèi)的空氣和揮發(fā)性氣體，提高樹(shù)脂的浸潤(rùn)效果，減少制品內(nèi)部的孔隙缺陷。

  (三)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

  鋪層方案：采用正交各向異性鋪層([0°][45°][-45°][90°]n層)，通過(guò)改變鋪層層數(shù)n(3層、6層、9層)，對(duì)比不同層數(shù)對(duì)性能的影響。

  測(cè)試指標(biāo)：

  壓縮強(qiáng)度：依據(jù)ASTM D691標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

  彎曲強(qiáng)度：采用三點(diǎn)彎曲法進(jìn)行測(cè)試。

  沖擊強(qiáng)度：運(yùn)用霍普金森桿法進(jìn)行測(cè)試。

  熱膨脹系數(shù)：測(cè)試不同夾心材料制成的碳纖維制品的熱膨脹系數(shù)，分析其在溫度變化環(huán)境下的尺寸穩(wěn)定性。

  四、碳纖維制品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

  實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，PMI泡沫在三種夾心材料中表現(xiàn)最為出色，成為最優(yōu)選擇。具體結(jié)果如下：

  壓縮強(qiáng)度：PMI泡沫制成的碳纖維制品壓縮強(qiáng)度可達(dá)120±5MPa，蜂窩鋁為180±10MPa，復(fù)合強(qiáng)芯氈為140±6MPa。

  彎曲強(qiáng)度：PMI泡沫的彎曲強(qiáng)度為150±8MPa，蜂窩鋁為170±9MPa，復(fù)合強(qiáng)芯氈為170±9MPa。

  沖擊強(qiáng)度：PMI泡沫的沖擊強(qiáng)度為30±3kJ/m2，蜂窩鋁為25±2kJ/m2，復(fù)合強(qiáng)芯氈為28±3kJ/m2。

  熱膨脹系數(shù)：PMI泡沫的熱膨脹系數(shù)為3.5×10??/°C，與碳纖維(2.5×10??/°C)更為接近，有助于減少熱應(yīng)力導(dǎo)致的界面破壞。

  五、碳纖維制品的結(jié)論與展望

  通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和分析，深入揭示了夾心材料的孔隙結(jié)構(gòu)、熱物理性能等因素對(duì)RTM成型碳纖維制品的綜合影響。PMI泡沫的閉孔結(jié)構(gòu)有利于樹(shù)脂浸潤(rùn)和界面結(jié)合，而蜂窩鋁的孔隙邊緣易產(chǎn)生微裂紋影響性能。熱膨脹系數(shù)的匹配程度對(duì)材料在熱循環(huán)等工況下的性能穩(wěn)定性具有關(guān)鍵作用。這些發(fā)現(xiàn)為深入理解RTM工藝與夾心材料之間的相互作用機(jī)制提供了重要依據(jù)，有助于在未來(lái)的材料研發(fā)和工藝優(yōu)化中，更有針對(duì)性地選擇和設(shè)計(jì)夾心材料，以實(shí)現(xiàn)碳纖維制品性能的最大化提升。

  綜上所述，2025年碳纖維制品在RTM工藝下的性能優(yōu)化取得了顯著進(jìn)展，特別是在夾心材料的選擇和工藝參數(shù)的優(yōu)化方面。未來(lái)，隨著新材料和新工藝的不斷涌現(xiàn)，碳纖維制品有望在汽車制造領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，推動(dòng)行業(yè)向更高水平發(fā)展。

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