碳纤维复合材料柔性连续抽油杆生产工艺

碳纤维复合材料柔性连续抽油杆生产工艺
碳纤维复合材料柔性连续抽油杆生产工艺

碳纤维复合材料柔性连续抽油杆生产工艺

?拉挤成型于1951年首次在美国注册专利,60年代发展很慢,70-80年代进入快速发展阶段。我国起步则较晚,直到90年代随着拉挤专用树脂技术的引进生产才进入快速发展时期。目前,引进及国产拉挤生产线已超过200条。我国发展拉挤与欧美形式相似:先开发形状简单的棒材,然后随着化工防腐、电力、采矿等行业的发展与需求,开发了型材制品,目前这些技术已经比较成熟。

拉挤工艺是一种连续生产复合材料型材的方法,它是将纱架上的无捻玻璃纤维粗纱和其他连续增强材料、聚脂表面毡等进行树脂浸渍,然后通过保持一定截面形状的成型模具,并使其在模内固化成型后连续出模,由此形成拉挤制品的一种自动化生产工艺。

利用拉挤工艺生产的产品其拉伸强度高于普通钢材。表面的富树脂层又使其具有良好的防腐性,故在具有腐蚀性的环境的工程中是取代钢材的最佳产品,广泛应用于交通运输、电工、电气、电气绝缘、化工、矿山、海洋、船艇、腐蚀性环境及生活、民用各个领域。

拉挤成型工艺形式很多,分类方法也很多。如间歇式和连续式,立式和卧式,湿法和干法,履带式牵引和夹持式牵引,模内固化和模内凝胶模外固化,加热方式有电加热、红外加热、高频加热、微波加热或组合式加热等。

拉挤成型典型工艺流程为:

玻璃纤维粗纱排布——浸胶——预成型——挤压模塑及固化——牵引——切割——制品

注射拉挤成型工艺流程图

拉挤成型设备组成

1、增强材料传送系统:如纱架、毡铺展装置、纱孔等。

2、树脂浸渍:直槽浸渍法最常用,在整个浸渍过程中,纤维和毡排列应十

分整齐。

3、预成型:浸渍过的增强材料穿过预成型装置,以连续方式谨慎地传递,

以便确保它们的相对位置,逐渐接近制品的最终形状,并挤出多余的树脂,然后再进入模具,进行成型固化。

4、模具:模具是在系统确定的条件下进行设计的。根据树脂固化放热曲线

及物料与模具的摩擦性能,将模具分成三个不同的加热区,其温度由树脂系统的性能确定。模具是拉挤成型工艺中最关键的部分,典型模具的长度

范围在0.6~1.2m之间。

5、牵引装置:牵引装置本身可以是一个履带型拉出器或两个往复运动的夹

持装置,以便确保连续运动。

6、切割装置:型材由一个自动同步移动的切割锯按需要的长度切割。

成型模具的作用是实现坯料的压实、成型和固化。模具截面尺寸应考虑树脂的成型收缩率。模具长度与固化速度、模具温度、制品尺寸、拉挤速度、增强材料性质等有关,一般为600~1200mm。模腔光洁度要高以减少摩擦力,延长使用寿命,易于脱模。通常用电加热,对高性能复合材料采用微波加热。模具人口处需有冷却装置,以防胶液过早固化。浸胶工序主要掌握胶液相对密度(黏度)和浸渍时间。其要求和影响因素与预浸料相同。

固化成型工序主要掌握成型温度、模具温度分布、物料通过模具的时间(拉挤速度),这是拉挤成型工艺的关键工序。在拉挤成型过程中,预浸料穿过模具时产生一系列物理的、化学的和物理化学的复杂变化,迄今仍不很清楚。大体上讲按照预浸料通过模具时的状态,可把模具分成三个区域。增强材料以等速穿过模具,而树脂则不同。在模具入口处树脂的行为近似牛顿流体,树脂与模具内壁表面处的黏滞阻力减缓了树脂的前进速度,并随离模具内表面距离的增加,逐渐恢复到与纤维相当的水平。

预浸料在前进过程中,树脂受热发生交联反应,黏度降低,黏滞阻力增加,并开始凝胶,进入凝胶区。逐渐变硬,收缩并与模具脱离。树脂与纤维一起以相同的速度均匀向前移动。在固化区受热继续固化,并保证出模时达到规定的固化度。固化温度通常大于胶液放热峰的峰值,并使温度、凝胶时间和牵引速度相匹配。预热区温度应较低,温度分布的控制应使固化放热峰出现在模具中部靠后些,

脱离点控制在模具中部。三段的温差控制在20~30℃,温度梯度不宜过大。还应考虑固化反应放热的影响。通常三个区域分别用三对加热系统来控温。

牵引力是保证制品顺利出模的关键。牵引力的大小取决于产品与模具间的界面剪应力。剪应力随牵引速度的增加而降低,并在模具的入口处、中部和出口处出现三个峰值。人口处的峰值是由该处树脂的黏滞阻力产生的。其大小取决于树脂黏性流体的性质、入口处温度及填料含量。在模具内树脂黏度随温度升高而降低,剪应力下降。随着固化反应的进行,黏度及剪应力增加。第二个峰值与脱离点相对应,并随牵引速度的增加,大幅度降低。第三个峰值在出口处,是制品固化后与模具内壁摩擦而产生的,其值较小。牵引力在工艺控制中很重要。要使制品表面光洁,则要求脱离点处的剪应力(第二个峰值)小,并且尽早脱离模具。牵引力的变化反应了制品在模具中的反应状态,并与纤维含量、制品形状和尺寸、脱模剂、温度、牵引速度等有关。

主要原材料

拉挤成型玻璃钢用主要原材料:

树脂基体

拉挤成型玻璃钢主要采用不饱和聚酯树脂和乙烯基酯树脂,其他树脂也用酚醛树脂、环氧树脂、甲基丙烯酸等树脂。近年来由于酚醛树脂具有防火性等优点,现在国外已开发出适合拉挤成型玻璃钢用的酚醛树脂,称第二代酚醛树脂,已推广使用。除热固性树脂外,根据需要也选用热塑性树脂。

纤维增强材料

拉挤成型玻璃钢所用的纤维增强材料,主要是E玻璃纤维无捻粗纱居多,根据制品需要也可选用C玻璃纤维、S玻璃纤维、T玻璃纤维、AR玻璃纤维等。

此外,为了特殊用途制品的需要也可选用碳纤维、芳纶纤维、聚酯纤维、维尼纶等合成纤维。为了提高中空制品的横向强度,还可采用连续纤维毡、布、带等作为增强材料。

辅助材料

(1)引发剂

引发剂的特性通常用活性氧含量、临界温度、半衰期来表示。

目前常用的引发剂有:

MEKP(过氧化甲乙酮)

TBPB(过氧化苯甲酸叔丁酯)

BPO(过氧化苯甲酰)

Lm-P(拉挤专用固化剂)

TBPO(过氧化异辛酸叔丁酯)

BPPD(过氧化二碳酸二苯氧乙基酯)

P-16[过氧化二碳酸双(4—叔丁基环已酯]

实际应用中很少有用单组分的,通常都是双组分或三组分按不同的临界温度搭配使用。

(2)环氧树脂固化剂

常用的有酸酐类、叔胺、咪唑类固化剂。

(3)着色剂

拉挤中的着色剂一般以颜料糊的形式出现。

(4)填料

填料可以降低制品的收缩率,提高制品的尺寸稳定性、表面光洁度、平滑

性以及平光性或无光性等;有效的调节树脂粘度;可满足不同性能要求,提高耐磨性、改善导电性及导热性等,大多数填料能提高材料冲击强度及压缩强度,但不能提高拉伸强度;可提高颜料的着色效果;某些填料具有极好的光稳定性和耐化学腐蚀性;可降低成本。选择填料的粒度最好要有个梯度,以达到最佳,的使用效果。现在也有对填料进行表面处理来加大用量。

(5)脱模剂

脱模剂具有极低的表面自由能,能均匀浸湿模具表面,达到脱模效果。优良的脱模效果是保证拉挤成型工艺顺利进行的主要条件。

早期的拉挤成型工艺是用外脱模剂,常用的有硅油等。但用量很大且制品表面质量不理想,现已采用内脱模剂。

内脱模剂是将其直接加入到树脂中,在一定加工温度条件下,从树脂基体渗出扩散到固化制品表面,在模具和制品之间形成一层隔离膜,起到脱模作用。

内脱模剂一般有磷酸酯、卵磷酸、硬脂酸盐类、三乙醇胺油等。其中以硬脂酸锌的脱模效果较好。在拉挤生产中,人们通常更愿意使用在常温下为液体状的内脱模剂。目前市售的内脱模剂多为伯胺、仲胺和有机磷酸酯与酯肪酸的共聚体的混合物。

脱模剂使用中注意的问题

由于大多数液体状内脱模剂都是酸性的,所以在使用中要注意以下问题:

1、在使用对酸敏感的颜料时会导致颜色变化;

2、在使用碱性填料时,如碳酸钙,酸性脱模剂会与之起反应,引起混合料的粘度增加,但不会影响脱模效果;

3、如果填料为氢氧化铝,酸性脱模剂除了会使混合料的粘度增加外,还会

在混合料固化过程中放出水份,导致气泡、裂纹等问题。

通常,内脱模剂的起始用量为树脂量的1%,有效添加范围是基于树脂重量的0.75-2%。应根据实际情况适当调整。

1、薄壁的简单型材,用量可以适当少些,比如0.8%或更少;

2、厚壁或形状复杂的型材需要多加一些。

3、在高填料体系内,应提高内脱模剂的添加量,但内脱模剂添加量过多,会延迟固化。

4、在拉挤生产中,如果阻力过大又找不到原因时,就需要适当增加脱模剂用量。在使用时应注意加料顺序,在混合时应在加入固化剂、填料和其它树脂添加剂之前,将内脱模剂加树脂体系中并混合均匀。这样可以达到最佳的脱模效果。优点

1、典型拉挤速度0.5-2m/min,效率高,适于批量生产,制造长尺寸制品;

2、树脂含量可精确控制;

3、由于纤维呈纵向,且体种比可较高(40%-80%),因而型材轴向结构特性

可非常好;

4、主要用无捻粗纱增强,原材料成本低,多种增强材料组合使用,可调节

制品力学性能;

5、制品质量稳定,外观平滑。

缺点

1、模具费用较高;

2、一般限于生产恒定横截面的制品

拉挤成型制品应用

拉挤成型制品包括各种杆棒、平板、空心管及型材,应用范围非常广泛,包括以下几个方面:

1、电气市场

这是拉挤玻璃钢应用最早的个市场,目前成功开发应用的产品有:电缆桥架、梯架、支架、绝缘梯、变压器隔离棒、电机槽楔、路灯柱、电铁第三轨护板、光纤电缆芯材等。在这个市场中还有许多值得我们进一步开发的产品。

2、化工、防腐市场

化工防腐是拉挤玻璃钢的一大用户,成功应用的有:玻璃钢抽油杆、冷却塔支架、海上采油设备平台、行走格栅、楼梯扶手及支架、各种化学腐蚀环境下的结构支架、水处理厂盖板等。

3、消费娱乐市场

这是一个潜力巨大的市场,目前开发应用的有:钓鱼竿、帐篷杆、雨伞骨架、旗杆、工具手柄、灯柱、栏杆、扶手、楼梯、无线电天线、游艇码头、园林工具及附件。

4、建筑市场

在建筑市场拉挤玻璃钢己渗入传统材料的市场,如:门窗、混凝土模板、脚手架、楼梯扶手、房屋隔间墙板、筋材、装饰材料等。值得注意的是筋材和装饰材料将有很大的上升空间。

5、道路交通市场

成功应用的有:高速公路两侧隔离栏、道路标志牌、人行天桥、隔音壁、冷藏车构件等。

5 拉挤成型的工艺设备及工艺流程

拉挤成型工艺形式很多,分类方法也很多。如间歇式和连续式,立体和卧式,湿法和干法,履带式牵引和加持式牵引,模内固化和模内凝胶模外固化,加热方式有电加热、红外加热、高频加热、微波加热或组合式加热等。

首先讨论热固性塑料的拉挤成型方法的简单过程是:首先使碳纤维增强塑料(CF)连续经过树脂浸渍槽,然后通过加热成型、口模固化成为各种形状的型材或制品,生产过程简单、连续、适应性强,易于实现自动化,从而实现了快速、连续地生产碳纤维增强塑料制品的愿望。 5.1 热固性塑料拉挤成型工艺热固性塑料拉挤成型工艺过程如下流程所示,所使用的设备主要包括碳纤维供给装置、树脂浸渍槽、预成型装置,加热成型口摸,拉拔装置、切割装置等。纤维供给——纤维导向——树脂浸渍——预成型——拉挤成型——牵引——切割——拉挤成型制品。

碳纤维储放在轴架上,由导引装置拉出,而后进入树脂浸渍槽进行树脂浸渍,也可直接进入口模,在口模内靠压力作用迫使树脂与纤维结台。前一种方法碳纤维的浸渍比较完全,生产线速度快,成本低,产品厚度不受限制;后一种方法的优点是碳纤维易于控制,产品的表面光洁度好。碳纤维浸渍树脂后进入预

成型口模,使其排列整齐,溢出过剩的树脂。继而,浸渍的碳纤维进入加热口模固化成型,再经拉拔装置牵引,按需切割成最终的型材或制品。 5.1.1碳纤维的供给、排列与浸渍

置于轴架上的连续碳纤维通过导向和排列装置引出,送至树脂浸渍单元,导向装置的设计要求是使碳纤维从轴架到口模保持平直,对所有纤维束施加的力相等,避免因纤维束问张力的变化导致拉挤制品扭曲变形。浸渍操作中,首先在树脂浸渍槽中精确地量入热固性树脂和固化剂等,以后要保证投料速度与消耗速度相等。在整个浸渍过程中,纤维润湿要完全,不应存在干纤维,干纤维的存在会导致拉挤物产生缺陷。控制碳纤维润湿程度的一个重要工艺参数是树脂体系的粘度,该粘度称为初始粘度( μ ) ,μ的大小不仅与树脂本身有关,而且与添加剂、温度等有关。除初始粘度外,碳纤维浸润效果还与浸润时间(t)、浸润时树脂的温度(T) 和浸渍槽中碳纤维的工作状态( ω) 有关。一般来说,给定了初始粘度,碳纤维工作状态正常( 导向装置使纤维排列整齐),浸渍时间延长( 生产线速度慢或浸渍槽较大),树脂温度升高,均可改善纤维浸润程度。

从理论上讲,在工作温度下,树脂体系的粘度应控制在0.2 ~1.2 P a·s 范围内,超过1.2 P a·s 时,在预成型口模内会产生粘性拖拽,进入成型口模后所产生的压力会损伤碳纤维。相反,当初始粘度小千0.2P a·s时,碳纤维到达口模处不能夹带足够的树脂使口模内不能形成成型所需的压力,致使制品内部和表面产生气孔,影响制品的质量。因此必须将粘度调至适宜值,树脂体系牯度过低时,可通过调节浸渍槽的温度使其达到最佳值。

5.1.2成型口模区域的温度和压力控制

5.1.2.1拉挤成型温度

口模区域的温度控制关系到拉挤生产速率和制品的质量。温度控制的关键是使物料固化速率与型材的牵引速度一致,同时,还要保证加热均匀,物料各处固化速率尽量一致。口模处通常采用板式或筒式接触加热器,目前的高频预热和高频固化解决了快速固化的问题。

经树脂浸渍后的碳纤维进入口模后开始固化成型,如果物料与口模温度相差很大,在与口模壁接触的制件表面会首先形成一层固化层,而制件内部固化较慢,致使拉挤物内外同化不一致。造成制品表面和内部缺陷。解决这一问题可采取预热工艺,即在碳纤维浸渍树脂后进行预热,减小物料与成型口模的温差。另外,在成型一些厚壁制品对,还应降低成型口模的出口温度来降低制品的出口温度,以减步制品内部应力,避免制品出理裂缝。

5.1.2.2拉挤压力

一般来说,拉挤成型的口模压力( 阻力) 大小主要受口模表面形状和几何结构尺寸、入口效应、液相热膨胀以及凝胶固化时的膨胀和收缩等因素的制约。生产中,常用压力传感器测定口模压力,或用拉引力代替加工压力。由所测定的压力数据调整工艺条件,及判断生产正常与否,如拉引阻力在加工过程中不断增加,其原因可归结如下:( 1 ) 口模内部堵塞;( 2 ) 输入物料过多( 如纤维或织物过多过厚) ;( 3 ) 由于化学反应或温度的作用引起固化物性质发生了变化等,一般实际生产中测定的固化期问口模压力为2~l 0 MPa。 5.1.3拉挤物的牵引拉挤成型通常使用往复式夹持牵引装置。该装置一般有两付内部形状与制件相匹配的夹具,拉挤物处于夹具中间,夹具靠压缩空气上下启闭,该夹具安装在支撑座上,液压油缸驱动夹持装置作往复运动。为了不损伤拉挤物的表面,夹具与拉挤物接触处常衬以聚氯酯材料。

牵引装置所产生的线速度要与口壤温度和树脂体系配合,以保证口模内部有良好的固化反应。生产不同的产品,应选择不同的牵引速度,因此,要求牵引装置速度可调,一般牵引力为104~105N( 1~10t ) ,生产线速度为1~100 m/h。

拉挤成型工艺的控制除上述三千方面外,还应注意后期固化问题,对于大型制件更为重要。因为不论连续成型加工中速度多么慢,也很难产生像间歇生产那样的固化状态。拉挤成型后期固化的筒单方法是在口模后安装一个加热固化室,而更多采用的是在一个分离的加热室中问歇进行。大型制件的固化过程需要24h,只有缓慢升温,达到完全固化,才能消赊制件内部缺陷提高其内在质量。

5.2 热塑型拉挤成型的工艺流程

玻璃纤维粗纱排布――浸胶――预成型――挤压模塑及固化――牵引――切割――制品。工艺流程图如图4和图5。

(1)纤维区

以E玻纤为主,和较高性能的S玻纤及碳纤维。纤维的形态主要有粗纱,短切毡,及表面毡,平面织物等。

排纱是将安装在纱架上的增强材料从纱筒上引出并均匀整齐排布的过程。排纱系统包括如纱架、毡铺展装置、缠绕机或编织机等。增强材料输送排纱时,为了排纱平整,一般采用旋转芯轴,纤维从纱筒外壁引出的,这样可避免扭转现象。如采用纤维从纱筒内壁引出的,纱筒固定会使纱发生扭曲不利于玻璃纤维的整齐排布。图6为排纱架。

(2) 浸渍区

浸渍是将排布整齐的增强纤维均匀浸渍上已配制好的不饱和树脂的过程。一般是采用将纤维通过装有树脂胶槽进行的。一般分为直槽浸渍法和滚筒浸渍法,其中以直槽浸渍法最为常用。在整个浸渍过程中,必须保证纤维和毡排列十分整齐。

浸胶装置一般包括导向辊、树脂槽、压辊、分纱栅板、挤胶辊等。胶槽长度根据浸胶时间长短和玻璃纤维运行速度而定。胶槽中的胶液应连续不断地循环更新,以防止因胶液中溶剂挥发造成树脂粘度加大。胶槽一般采用夹层结构,通过调控夹套中的水温来保持胶液的温度。挤胶辊的作用是使树脂进一步浸渍增强材料,同时起到控制含胶量和排气的作用。分栅板的作用是将浸渍树脂后的玻璃纤维无捻粗纱分开。

浸胶时间是指无捻粗纱及其织物通过浸胶槽所用时间。时间长短应以玻璃纤维被浸透为宜,它与胶液的粘度和组分有关,一般对不饱和聚酯树脂的浸胶时间控制在15~20s为宜。浸渍模型如图7所示。

(2) 浸渍区

浸渍是将排布整齐的增强纤维均匀浸渍上已配制好的不饱和树脂的过程。一般是采用将纤维通过装有树脂胶槽进行的。一般分为直槽浸渍法和滚筒浸渍法,其中以直槽浸渍法最为常用。在整个浸渍过程中,必须保证纤维和毡排列十分整齐。

浸胶装置一般包括导向辊、树脂槽、压辊、分纱栅板、挤胶辊等。胶槽长度根据浸胶时间长短和玻璃纤维运行速度而定。胶槽中的胶液应连续不断地循环更新,以防止因胶液中溶剂挥发造成树脂粘度加大。胶槽一般采用夹层结构,通过调控夹套中的水温来保持胶液的温度。挤胶辊的作用是使树脂进一步浸渍增强材料,同时起到控制含胶量和排气的作用。分栅板的作用是将浸渍树脂后的玻璃纤维无捻粗纱分开。

浸胶时间是指无捻粗纱及其织物通过浸胶槽所用时间。时间长短应以玻璃纤维被浸透为宜,它与胶液的粘度和组分有关,一般对不饱和聚酯树脂的浸胶时间控制在15~20s为宜。浸渍模型如图7所示。

(3) 预成型区

预成型的作用是将浸透了树脂的增强材料进一步均匀并除去多余的树脂和排除气泡,使其形状逐渐形成成型模的进口形状。如拉挤成型管材时,一般使用圆环状预成型模;制造空心型材时,通常使用带有芯模的预成型模;生产异型材时,大都使用形状与型材截面形状接近的金属预成型模具。在预成型模中,材料被逐渐地成型到所要求的形状,使增强材料在制品断面的分布符合设计要求。预成型区如图8所示。

(4) 固化区

成为型材形状的浸胶增强材料进入模具并在模具中固化成型。一般把模具分

为三段,即加热区、胶凝区和固化区。在模具上使用三组加热板来加热,并严格控制温度。模具的温度主要根据树脂在固化中的放热曲线及物料与模具的摩擦性能而设定的。温度低,树脂不能固化;温度过高,坯料一入模就固化,使成型、牵引困难,严重时会产生废品甚至损坏设备。模腔分布温度应两端高,中间低。

树脂在加热过程中,温度逐渐升高,粘度降低。通过加热区后,树脂体系开始胶凝、固化,这时产品与模具界面处的粘滞阻力增加,壁面上零速度的边界条件被打破,基本固化的型材以均匀的速度在模具表面摩擦运动,在离开模具后基本固化,型材在烘道中受热继续固化,以保证进入牵引机时有足够的固化度。

模具是拉挤成型工艺中最关键的部分,一般由预成型模、成型模和加热模三部分组成。预成型模主要数用于预成型区中使用。成型模具的横截面面积与产品横截面面积之比一般应大于或等于10,以保证模具有足够的强度和刚度,加热后热量分布均匀和稳定。一般采用钢镀铬,模腔表面要求光洁、耐磨,借以减少拉挤成型是的摩擦阻力和提高模具的使用寿命。成型模具的作用是实现坯料的压实、成型和固化。模具截面尺寸应考虑树脂的成型收缩率。模具长度与固化速度、模具温度、制品尺寸、拉挤速度、增强材料性质等有关,一般为30~150cm。相关工艺参数如表7所示。

表7 工艺参数

复合材料

模具温度(°C)牵引速度(mm/mim)

不饱和聚酯/玻璃粗纱

110~160 300 环氧树脂/玻璃粗纱或玻璃布带

160~182 305 环氧树脂/石墨纤维

165~182 400

加热模具则针对不同的树脂和纤维温度分布也会有所不同。模具长度是根据成型过程中牵引速度和树脂凝胶固化速度决定,以保证制品拉出时达到脱模固化程度。加热模具作为生产工艺中重要的环节,是工艺改进的重要对象。图9是一种较好的模具结构。

模具的加热条件是根据树脂-引发剂体系来确定的。通用的不饱和聚酯树脂,一般采用有机过氧化物为引发剂,设定的固化温度一般要略高于有机过氧化物分解的临界温度。如采用协同引发剂体系,在促进剂的作用下引发剂的引发固化温度则较低。引发剂的用量通常是通过不饱和聚酯树脂固化放热曲线来确定的,而环氧树脂的固化剂用量可以计算出来。一般地,模具的温度应大于树脂的放热峰值,温度的上限是树脂的降解温度。同时做树脂的凝胶试验,保证温度、凝胶时间、拉速应当匹配。图10是模具的实物外观效果图。

(5) 牵引拉拔区

牵引拉拔区提供工件拉挤时所需的拉拔力与速度控制,拉挤速度对树脂浸润、拉挤产品性能有着重要的影响。拉拔的方式主要有两种,履带式(如图11)及往覆式(如图12和13),和环型回旋式拉拔机构(结合了拉拔与卷曲,如图14)。牵引设备是将固化的型材从成型模具拉出的装置,它要根据拉挤制品种类来选择牵引力的大小和夹紧方式。牵引机分为液压机械式和履带式两种。牵引力

一般为5O~10OkN。牵引速度通常采用无级调速,可以根据制品加工工艺要求而定,通常为0.l~3m/min,若采用快速固化配方,牵引速度可大幅度提高。

张力是指拉挤过程中玻璃纤维粗纱张紧的力,可使浸胶后的玻璃纤维粗纱不松散,其大小与胶槽中的调胶辊到模具的入口之间距离有关,也与拉挤制品的形状、树脂含量要求有关。一般情况下要根据具体制品的几何形状、尺寸,通过实验确定。牵引力的变化反映了产品在模具中的反应状态,它与许多因素如:纤维含量、制品的几何形状与尺寸、脱模剂、模具的温度、拉挤速度等有关系。牵引速度是平衡固化程度和生产速度的参数,在保证固化度的前提下应尽可能提高牵引速度。

(6) 切割装置

型材由一个自动同步移动的切割锯按需要的长度切割。切割是在连续生产过程中进行的。当制品长度达到要求时,制品端部到达控制长度的位置(一般采用红外线控制器),控制器接通切割电机电路,切割装置便开始工作。首先是装有橡皮垫的夹具,将制品抱紧,然后用合金刀具进行切割。切割过程由两种运动完成,即纵向运动和横向运动。纵向运动是切割装置跟随制品同步向前移动。横向运动是切割刀具的进给运动。切割过程中,刀具的磨耗非常严重。

碳纤维及复合材料的种类、制备和应用

碳纤维及复合材料的种类、制备及应用 杨晨材研0906 (北京化工大学材料学院,100029) 摘要:本文主要陈述总结了复合材料及其碳纤维的种类、制备及应用方面的相关知识。 关键词:碳纤维;复合材料;种类;制备;应用 1.复合材料 复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。具有比强度高,比模量高,剪切强度和剪切模量高,高温性能高,耐热性高等特性广泛应用于各个领域。 1.1种类 复合材料按其性能高低可分为常用复合材料和先进复合材料;根据其用途可分为结构复合材料和功能复合材料;按照复合方式可分为宏观复合材料和微观复合材料。根据不同增强体形式可分为纤维复合材料、颗粒复合材料、片材复合材料和叠层复合材料。还有,可以根据基体材料的不同细分为:聚合物基复合材料、金属基复合材料和无机非金属基复合材料。本文主要以基体材料的细分方式介绍复合材料的制备及其应用。 其生产流程见图1.1。 图1.1 复合材料制品的生产流程图 1.2聚合物基复合材料 聚合物基复合材料是聚合物或俗称树脂作为基体与粒状、片状、纤维状填充组分作为增强体的复合材料。按基体的不同还可以分成热固性树脂基、热塑性树脂基和橡胶基。

1.2.1制备 其主要制备方法有:预浸料、手糊成型工艺、喷射成型、袋压成型、模压成型、纤维缠绕成型、拉挤成型、熔融流动成型、增强反应注射成型和树脂传递模塑。 1.2.2应用 聚合物基复合材料在建筑、化学、交通运输、机械电器、电子工业及医疗、国防、航天航空及火箭等领域都有广泛应用。如手糊成型制得的广播卫星抛物面天线、太阳能电池帆板;纤维缠绕成型可制得雷达罩、火箭发动机壳、压力容器;模压成型制得的整体浴室和汽车保险杠等等。 1.3金属基复合材料 金属基复合材料是以金属、合金和金属间化合物为基体,以无机纤维和金属间化合物等为增强体,通过浸渗、固结工艺制成的复合材料。根据其基体的种类可细分为轻金属基、高熔点金属基和金属间化合物基。 1.3.1制备 金属基复合材料的主要制备工艺方法有:固相法、液相法和原位复合法。固相法主要有粉末冶金、固态热压法、热等静压法;液态法主要有真空压力浸渍法、挤压铸造法;原位复合法主要包括共晶合金定向凝固、直接金属氧化物法、反应生成法。 1.3.2应用 金属基复合材料主要可应用于航天、航空、汽车、医疗、体育用品等领域。如航天飞机中段主机身的B/Al关键桁架、臂状支柱;齿轮;高尔夫球杆击球头及各种支架等等。 1.4无机非金属基复合材料 无机非金属复合材料主要有陶瓷基复合材料、水泥基复合材料和碳基复合材料。 1.4.1陶瓷基复合材料 陶瓷基复合材料是以陶瓷材料为基体,并以陶瓷、碳纤维和难熔金属的纤维、晶须、晶片和颗粒为增强体,通过适当的复合工艺所构成的复合材料。主要可细分为高温陶瓷基复合材料、玻璃基复合材料和玻璃陶瓷基复合材料。 其制备工艺主要有:粉末冶金法(颗粒)、浆体法(液体法)、热压烧结法、液态浸渍法、直接氧化法、溶胶-凝胶法、化学气相浸渍法(CVI)、先驱体转化和反应熔融浸渗(RMI)等。 陶瓷基复合材料可应用于切削工具方面及航空航天领域的研究。如刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。法国已将长纤维增强炭化硅复合材料应用于制造高速列车的制动件,显示出优异的摩擦磨损特性,取得满意的使用效果。

8型碳纤维连续抽油杆作业车起下夹持装置设计

目录 1 绪论 (1) 1.1 连续抽油杆作业车的发展背景 (1) 1.1.1 连续抽油杆的应用情况 (1) 1.1.2 作业车基本功能结构 (5) 1.1.3 碳纤维连续抽油杆作业车的应用前景 (5) 1.2 碳纤维连续抽油杆的特点及应用前景 (5) 1.2.1 碳纤维连续抽油杆的发展历史 (5) 1.2.2 碳纤维连续抽油杆的结构、特点及应用前景 (6) 2 碳纤维杆作业车夹持装置方案对比分析 (9) 2.1 动力方案对比 (9) 2.1.1 动力源选择 (9) 2.1.2 动力方案对比 (9) 2.2 夹紧方案对比分析 (9) 2.2.1 双油缸夹紧 (10) 2.2.2 单缸夹紧 (10) 2.3 本设计所采用的方案 (11) 2.3.1 本设计的工程背景: (11) 2.3.2 本设计拟定的初步方案 (11) 3 碳纤维杆作业车夹持装置设计分析 (12) 3.1 夹持装置的工作原理 (12) 3.2 链传动设计 (13) 3.2.1 夹持块整体结构受力分析 (13) 3.2.2链条设计 (14) 3.2.3 链轮设计 (15) 3.2.4 链传动的张紧与润滑 (16) 3.3 齿轮组设计 (16) 3.3.1 齿轮扭矩 (17) 3.3.2 弯曲疲劳许用应力 (17) 3.3.3 齿高比 (17) 3.3.4 载荷系数 (18) 3.3.5 齿形系数 (18) 3.3.6 比较选择系数 (18) 3.3.7 齿轮尺寸计算 (18) 3.3.8 齿轮的校核 (19) 3.4 主动链轮轴设计 (20) 3.4.1 基本参数 (20) 3.4.2 链轮上的力 (20) 3.4.3 初步确定轴直径 (20) 3.4.4 主动链轮轴结构设计 (20) 3.4.5 轴受力分析简图 (22) 3.4.6 求轴上载荷 (22)

碳纤维发射筒的成型方法与制作流程

本技术公开了一种碳纤维发射筒的成型方法,该成型方法包括如下步骤:1)缠绕准备:将前法兰和后法兰分别安装在芯模上;2)缠绕:采用浸过树脂胶液的连续纤维对芯模进行缠绕,形成发射筒的筒体;3)第一次固化:对筒体进行第一次固化处理;4)接口补强缠绕:在筒体上预埋金属接口,并对金属接口外层进行补强缠绕;5)第二次固化:对步骤4)处理后的筒体进行第二次固化处理;6)防热喷涂:脱模后对筒体两端的法兰安装面进行机加,再与前法兰和后法兰进行紧固,最后采用防热涂料喷涂于筒体的内表面,形成防热涂层。本技术的方法采用钩挂缠绕和开口补强方式相结合,提高发射筒的强度,提高导弹发射质量稳定性。 权利要求书 1.一种碳纤维发射筒的成型方法,其特征在于:包括如下步骤: 1)缠绕准备:将前法兰(1.1)和后法兰(1.2)分别安装在芯模(2)上,调整芯模(2)使得前法兰(1.1)和后法兰(1.2)夹紧,所述芯模(2)的两端设置有环向布置的销钉(2.1); 2)缠绕:采用浸过树脂胶液的连续纤维对芯模(2)进行缠绕,形成发射筒(1)的筒体(1.3); 3)第一次固化:对步骤2)缠绕形成的筒体(1.3)进行第一次固化处理; 4)接口补强缠绕:在筒体(1.3)上预埋金属接口(1.4),并对金属接口(1.4)外层进行补强缠绕; 5)第二次固化:对步骤4)处理后的筒体(1.3)进行第二次固化处理; 6)防热喷涂:脱模后对筒体(1.3)两端的法兰安装面进行机加,再与前法兰(1.1)和后法兰(1.2)进行紧固,最后采用防热涂料喷涂于筒体(1.3)的内表面,形成防热涂层。 2.根据权利要求1所述的碳纤维发射筒的成型方法,其特征在于:所述步骤2)中,缠绕前先在芯模(2)外表面涂覆脱模剂,再铺设一层无碱玻璃纤维表面毡。 3.根据权利要求1所述的碳纤维发射筒的成型方法,其特征在于:所述步骤2)中,连续纤维依次按照0°、45°、-45°、90°、0°、45°、-45°、90°、0°、45°、-45°、90°、0°、45°、-45°、90°方向铺层,缠绕形成16个铺层。 4.根据权利要求3所述的碳纤维发射筒的成型方法,其特征在于:所述步骤2)中,连续纤维按照0°方向铺层时,从位于前法兰(1.1)一端的销钉(2.1)缠绕后绕过位于后法兰(1.2)一端的销钉(2.1),此时缠绕机按照预设的角度再次旋转15°,芯模(2)相对绕丝嘴周向旋转15°,再通过下一销钉间距进行缠绕,继续往复直至0°铺层铺满整个芯模(2),通过两端的销钉(2.1)绕行实现钩挂并转向连续缠绕。 5.根据权利要求1所述的碳纤维发射筒的成型方法,其特征在于:所述步骤2)中,在连续纤维缠绕完倒数第二层铺层后,再缠绕一层导电布。 6.根据权利要求1所述的碳纤维发射筒的成型方法,其特征在于:所述步骤2)中,树脂胶液按照质量份数计由如下原料组成:55~60份E-51环氧树脂、45~50份乙二醇二缩水甘油醚、45~50份改性芳香胺、1~3份DMP-30。

钢连续抽油杆海洋作业安全操作规范通用版

管理制度编号:YTO-FS-PD127 钢连续抽油杆海洋作业安全操作规范 通用版 In Order T o Standardize The Management Of Daily Behavior, The Activities And T asks Are Controlled By The Determined Terms, So As T o Achieve The Effect Of Safe Production And Reduce Hidden Dangers. 标准/ 权威/ 规范/ 实用 Authoritative And Practical Standards

钢连续抽油杆海洋作业安全操作规 范通用版 使用提示:本管理制度文件可用于工作中为规范日常行为与作业运行过程的管理,通过对确定的条款对活动和任务实施控制,使活动和任务在受控状态,从而达到安全生产和减少隐患的效果。文件下载后可定制修改,请根据实际需要进行调整和使用。 连续抽油杆海洋撬装作业设备是连续抽油杆海洋平台施工作业的专用设备,是连续抽油杆在现场应用的基础。所以,正确掌握作业装备的操作,是保证作业工作顺利完成的关键。 首先,操作者必须清楚设备的运转情况,如电动机转速、液压油温、油压力等等在运行中是否正常等。只有设备正常运转才能保证作业施工的顺利进行。 其次,用于海洋作业的撬装作业设备都是液压驱动的,操作者必须清楚操作盘上各操纵手柄的正确操作,以及各仪表显示数值的含义,保证每个操作动作都准确无误,避免对人员和设备造成伤害。 第三,作业施工过程中所有人员必须强化井场的安全环保意识,认真执行作业操作的安全环保规定,对现场及设备的安全隐患做到防患于未然,确保操作的安全及施工过程的环境保护。 海洋撬装作业装备组成有以下八个部分组成:

碳纤维制备工艺简介资料

碳纤维制备工艺简介资料. 碳纤维制备工艺简介 碳纤维(Carbon Fibre)是纤维状的碳材料,及其化学组成中碳元素占总质量的90%以上。碳纤维及其复合材料具有高比强度,高比模量,耐高温,耐腐蚀,耐疲劳,抗蠕变,导电,传热,和热膨胀系数小等一系列优异性能,它们既可以作为结构材料承载负荷,又可以作为功能材料发挥作用。因此,碳纤维及其复合材料近年来发展十分迅速。

一、碳纤维生产工艺 可以用来制取碳纤维的原料有许多种,按它的来源主要分为两大类,一类是人造纤维,如粘胶丝,人造棉,木质素纤维等,另一类是合成纤维,它们是从石油等自然资源中提纯出来的原料,再经过处理后纺成丝的,如腈纶纤维,沥青纤维,聚丙烯腈(PAN)纤维等。 经过多年的发展,目前只有粘胶(纤维素)基纤维、沥青纤维和聚丙烯腈(PAN)纤维三种原料制备碳纤维工艺实现了工业化。 1,粘胶(纤维素)基碳纤维 用粘胶基碳纤维增强的耐烧蚀材料,可以制造火箭、导弹和航天飞机的鼻锥及头部的大面积烧蚀屏蔽材料、固体发动机喷管等,是解决宇航和导弹技术的关键材料。粘胶基碳纤维还可做飞机刹车片、汽车刹车片、放射性同位素能源盒,也可增强树脂做耐腐蚀泵体、叶片、管道、容器、催化剂骨架材料、导电线材及面发热体、密封材料以及医用吸附材料等。

虽然它是最早用于制取碳纤维的原丝,但由于粘胶纤维的理论总碳量仅44.5%,实际制造过程热解反应中,往往会因裂解不当,生成左旋葡萄糖等裂解产物而实际碳收率仅为30% 以下。所以粘胶(纤维素)基碳纤维的制备成本比较高,目前其产量已不足世界纤维总量的1%。但它作为航空飞行器中耐烧蚀材料有其独特的优点,由于含碱金属、碱土金属离子少,飞行过程中燃烧时产生的钠光弱,雷达不易发现,所以在军事工业方面还保留少量的生产。 2,沥青基碳纤维 1965年,日本群马大学的大谷杉郎研制成功了沥青基碳纤维。从此,沥青成为生产碳纤维的新原料,是目前碳纤维领域中仅次于PAN基的第二大原料路线。大谷杉郎开始用聚氯乙稀(PVC)在惰性气体保护下加热到400℃,然后将所制PVC 沥青进行熔融纺丝,之后在空气中加热到260℃进行不熔化处理,即预氧化,再经炭化等一系列后处理得到沥青基碳纤维。 目前,熔纺沥青多用煤焦油沥青、石油沥青或合成沥青。1970年,日本吴羽化学工业公司生产的通用级沥青基碳纤维上市,至今该公司仍在规模化生产。1975年,美国联合碳化物公司(Union Carbide Corporation)开始生产高性能中间相沥青基碳纤维“Thornel-P”,年产量237t。我国鞍山东亚精细化工有限公司于20世纪90年代初从美国阿石兰石油公司引进年产200t通用级沥青基碳纤维生产线,1995年已投产,同时还引进了年产45t活性碳纤维的生产装置。 3,聚丙烯腈(PAN)基碳纤维 PAN基碳纤维的炭化收率比粘胶纤维高,可达45%以上,而且因为生产流程,溶剂回收,三废处理等方面都比粘胶纤维简单,成本低,原料来源丰富,加上聚丙烯腈基碳纤维的力学性能,尤其是抗拉强度,抗拉模量等为三种碳纤维之首。所以是目前应用领域最广,产量也最大的一种碳纤维。PAN基碳纤维生产的流程图如图1所示。

SCOTT碳纤维车架制作详细流程(图文)

SCOTT碳纤维车架制作详细流程(图文) 2013-04-01 18:36:31 出处:SCOTT 作者:https://www.360docs.net/doc/595474035.html,|自行车网 点击:12329 次 SCOTT是最早开始使用碳纤维作为车架材料的几个自行车品牌之一。从开始致力于研发碳纤维技术起,SCOTT便坚持创造更轻更坚固更耐用的产品。因为有这样的理念,SCOTT 在碳纤维技术发展中一直处于领导地位,不断追寻着高超的制造工艺,尽可能重复利用原料,并减少浪费。SCOTT的工程师一直都与独立的测试实验室及工程大学合作,不止为了保持SCOTT在碳纤维制品上坚如磐石的品质,更是为了培养我们在碳纤维领域的技术优势和专业素养。 SCOTT在车架上主要使用HMF和HMF两种碳纤维。 HMX HMF碳纤维 HMF是一种用来最大化强度并尽可能降低重量的碳纤,其抗拉弹性模量为125Gpa,抗拉强度为2450Mpa。这种材料混合了最佳的刚性与强度特性,提供了极佳的骑乘体验。SCOTT工程师创造出这种碳纤的诀窍就是他们对于碳纤层叠方向和大小的精确控制。与现今的产业标准相较,HMF碳纤提供了更为卓越的强度。 HMX是一种被SCOTT使用的混合碳纤材料,抗拉弹性模量为154Gpa,抗拉强度为2950Mpa。相比HMF,HMX在同样重量下有着20%的刚性提升。这种特别的材料使得SCOTT 的工程师得以创造出轻到难以置信却仍然拥有上佳骑乘品质的自行车。然而,HMX的制造成本是HMF的三倍,因此SCOTT只有在高端的Premium,Team Issue和RC版本的战车上才会使用。 HMX的碳纤原丝相比HMF更细并且更为坚硬,因此HMX碳纤制成的车架可以以更薄的管壁,达到与HMF碳纤所制车架相同的刚性。HMF碳纤车架和HMX碳纤车架最终的区别主要在重量。一个HMF车架的相比其对应的HMX车架会重15%左右。 SCOTT车架制造流程主要分为以下12个部分: (详细参考:https://www.360docs.net/doc/595474035.html,/cn/index.html#resultsTab3)

碳纤维复合材料柔性连续抽油杆生产工艺

碳纤维复合材料柔性连续抽油杆生产工艺 ?拉挤成型于1951年首次在美国注册专利,60年代发展很慢,70-80年代进入快速发展阶段。我国起步则较晚,直到90年代随着拉挤专用树脂技术的引进生产才进入快速发展时期。目前,引进及国产拉挤生产线已超过200条。我国发展拉挤与欧美形式相似:先开发形状简单的棒材,然后随着化工防腐、电力、采矿等行业的发展与需求,开发了型材制品,目前这些技术已经比较成熟。 拉挤工艺是一种连续生产复合材料型材的方法,它是将纱架上的无捻玻璃纤维粗纱和其他连续增强材料、聚脂表面毡等进行树脂浸渍,然后通过保持一定截面形状的成型模具,并使其在模内固化成型后连续出模,由此形成拉挤制品的一种自动化生产工艺。 利用拉挤工艺生产的产品其拉伸强度高于普通钢材。表面的富树脂层又使其具有良好的防腐性,故在具有腐蚀性的环境的工程中是取代钢材的最佳产品,广泛应用于交通运输、电工、电气、电气绝缘、化工、矿山、海洋、船艇、腐蚀性环境及生活、民用各个领域。 拉挤成型工艺形式很多,分类方法也很多。如间歇式和连续式,立式和卧式,湿法和干法,履带式牵引和夹持式牵引,模内固化和模内凝胶模外固化,加热方式有电加热、红外加热、高频加热、微波加热或组合式加热等。 拉挤成型典型工艺流程为: 玻璃纤维粗纱排布——浸胶——预成型——挤压模塑及固化——牵引——切割——制品

注射拉挤成型工艺流程图 拉挤成型设备组成 1、增强材料传送系统:如纱架、毡铺展装置、纱孔等。 2、树脂浸渍:直槽浸渍法最常用,在整个浸渍过程中,纤维和毡排列应十 分整齐。 3、预成型:浸渍过的增强材料穿过预成型装置,以连续方式谨慎地传递, 以便确保它们的相对位置,逐渐接近制品的最终形状,并挤出多余的树脂,然后再进入模具,进行成型固化。 4、模具:模具是在系统确定的条件下进行设计的。根据树脂固化放热曲线 及物料与模具的摩擦性能,将模具分成三个不同的加热区,其温度由树脂系统的性能确定。模具是拉挤成型工艺中最关键的部分,典型模具的长度

连续抽油杆起下作业指导书

钢质连续抽油杆施工作业指导书 胜利高原石油装备有限责任公司连续杆分公司 2005年8月

目录 一、起连续杆操作 二、下连续杆操作 三、相关知识 第一节,拔游梁式抽油机驴头 第二节,安装抽油井防喷盒 第三节,安装井口装置 第四节,测量、计算油补距和套补距 第五节,常用井下作业地面工具及井口有关知识 1.管钳 2.扳手 3.井口装置相关知识 四、常见事故处理 1.井喷 2.井漏 3.沙卡 4.井下落物 5.解卡 6.打捞 五、检泵

第一节起连续杆操作 1.平整场地,支车立腿,确保作业车平稳、牢固。 2.调整作业机,保证连续杆能对准井口中心(误差≤10mm)。 3.充分了解管柱结构、抽油杆结构、泵型和附属配套的井下工具的型号、规格、尺寸、结构、操作要点,做到心中有数。 4.卸驴头负荷拔游梁抽油机驴头操作。 5.装抽油杆胶皮自封器或扶正胶皮。 6.了解检泵原因及采取相应的注意事项,了解压井、洗井的情况。 7.起抽油杆,由于拔出活塞、杆式泵、螺杆泵转子时负荷较大,所以速度要慢,特别是刚开始前20米时。若遇有砂卡现象应上下活动几下,慢慢的往上提,注意负荷表的变化。若有脱节器,应了解是什么结构的,解脱节器的方法要得当才行,光杆接头要是镦粗的要防止挂油管挂。 8.提出全部抽油杆及尾部带的柱塞、杆式泵、螺杆泵转子等,卸下,清洗干净。并检查提出全部抽油杆偏磨、腐蚀等缺陷作详细的记录。 9.对起出的活塞、脱节器上体,杆式泵本体、螺杆泵转子等物件交友甲方处理或进行检查,有无损坏、偏磨、腐蚀现象,并作好记录。 第二节下抽油杆操作 1.调整起下设备,保证大钩对中,使抽油杆能对准井口中心。 2.充分了解下杆目的,管柱结构、下井设备及工具的型号、规格、尺寸、结构和具体深度,按甲方设计书要求将杆柱下到指定深度。 自上而下 泵深=油补距+光杆方入长+抽油杆长+脱节器上体长+安全接头长+柱塞长 核对管柱试压否? 3.下井前最后一次对活塞、转子、杆式泵、脱节器上体(安全接头)进行检查,确保无误,上扣拧在抽油杆下部接头上,并达到规定扭矩。 4.抽油杆下入井内,要保证速度均匀,下放平稳,避免遇阻时发生杆柱跳动。在活塞进入泵筒时一定要放慢速度,以防碰伤活塞。活塞进入泵底部后,做好记号,应上下活动几下,其幅度不大于一个冲程长度,观察压力表的变化,并校对深度,确定活塞进入泵筒或与活塞对接上。 5.装采油树油管头上法兰,法兰的钢圈槽和钢圈事先要清洗干净并抹上黄油。上法兰时要对角上螺栓,保证两法兰之间的间隙大小一致。螺栓上紧至规定扭矩。具体操作见P70 6.安装光杆并按每100m泵挂调防冲距50~100mm的原则调好防冲距,但要注意在活塞不撞击固定阀的前提下防冲距越小越好。 安装光杆注意两个问题:一是光杆的方入,二是光杆的方余。光杆的方入要大于深井泵的最大冲程。若方入短,光杆在上行时挂井口(已调好防冲距后)会使防喷盒损坏。光杆方余要保证在调好防冲距后,驴头在下死点时,井口防喷盒以上裸露1.5m左右。若方余过短,在检泵后,不能进行碰泵操作,或负荷方卡未卡紧,光杆溜入防喷盒后造成井口污染的环境。 (有的井口高度较高如有的加有闸门的应去掉;有的抽油机安装较低,方余过大,抽油机装的较高方余过小,要是具体情况而调方入和方余。) 除上述外还要求光杆保持垂直、无弯曲、无划痕并与防喷盒密封良好。 7.试抽 装好光杆防喷盒,拨正驴头,挂好毛辫子,起动抽油机,试抽正常后,即可交采油队。 第三节相关知识 一)拨驴头抽油机 一、准备工作 选好工具、用具及材料:900mm管钳1把,375mm、450mm活动扳手各1把,方卡子1只,白棕绳20m,大榔头1把。 二、操作步骤 1.将抽油机停在上死点,刹紧抽油机刹车。 2.用方卡子把光杆卡在采油树防喷盒以上0.1~0.2m处。

碳纤维及其复合材料的发展及应用_上官倩芡

第37卷第3期上海师范大学学报(自然科学版)Vol.37,N o.3 2008年6月J ou rnal of ShanghaiNor m alUn i versity(Natural S ci en ces)2008,J un 碳纤维及其复合材料的发展及应用 上官倩芡,蔡泖华 (上海师范大学机械与电子工程学院,上海201418) 摘要:叙述了碳纤维的结构形态、分类以及在力学、物理、化学方面的性能,介绍了碳纤维增强复合材料的特性,着重阐述了碳纤维增强树脂基复合材料中基体的分类、选择和应用,指出了碳纤维及其复合材料进一步发展的趋势. 关键词:碳纤维;复合材料 中图分类号:O636文献标识码:A文章编号:1000-5137(2008)03-0275-05 碳纤维作为一种高性能纤维,具有高比强度、高比模量、耐高温、抗化学腐蚀、耐辐射、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能.此外,还具有纤维的柔曲性和可编性[1~3].碳纤维既可用作结构材料承载负荷,又可作为功能材料发挥作用.因此碳纤维及其复合材料近几年发展十分迅速.本文作者就碳纤维的特性、分类及其在复合材料领域的应用等内容进行介绍. 1碳纤维特性、结构及分类 碳纤维是纤维状的碳材料,由有机纤维原丝在1000e以上的高温下碳化形成,且含碳量在90%以上的高性能纤维材料.碳纤维主要具备以下特性:1密度小、质量轻,碳纤维的密度为1.5~2g/c m3,相当于钢密度的1/4、铝合金密度的1/2;o强度、弹性模量高,其强度比钢大4~5倍,弹性回复为100%;?热膨胀系数小,导热率随温度升高而下降,耐骤冷、急热,即使从几千摄氏度的高温突然降到常温也不会炸裂;?摩擦系数小,并具有润滑性;?导电性好,25e时高模量碳纤维的比电阻为775L8/c m,高强度碳纤维则为1500L8/c m;?耐高温和低温性好,在3000e非氧化气氛下不熔化、不软化,在液氮温度下依旧很柔软,也不脆化;?耐酸性好,对酸呈惰性,能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀[4~7].除此之外,碳纤维还具有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性. 碳纤维的结构取决于原丝结构和碳化工艺,但无论用哪种材料,碳纤维中碳原子平面总是沿纤维轴平行取向.用X-射线、电子衍射和电子显微镜研究发现,真实的碳纤维结构并不是理想的石墨点阵结构,而是属于乱层石墨结构[8],如图1所示.构成此结构的基元是六角形碳原子的层晶格,由层晶格组成层平面.在层平面内的碳原子以强的共价键相连,其键长为0.1421n m;在层平面之间则由弱的范德华力相连,层间距在0.3360~0.3440n m之间;层与层之间碳原子没有规则的固定位置,因而层片边缘参差不齐.处于石墨层片边缘的碳原子和层面内部结构完整的基础碳原子不同.层面内部的基础碳原子所受的引力是对称的,键能高,反应活性低;处于表面边缘处的碳原子受力不对称,具有不成对电子,活性 收稿日期:2008-01-04 基金项目:上海市教委科研基金项目(06D Z034). 作者简介:上官倩芡(1974-),女,上海师范大学机械与电子工程学院副教授.

碳纤维复合材料的制备及其发展

化工材料及应用 碳纤维复合材料的制备及其发展 1

目录 1摘要: (3) 2引言 (3) 2.1产品简介 (3) 2.2生产方法 (3) 2.2.1手糊成型工艺 (3) 2.2.2 喷射成型工艺 (3) 2.2.3注射成型 (4) 2.2.4 纤维缠绕成型 (4) 2.2.5拉挤成型 (4) 3结论 (4) 4参考文献 (4) 2

碳纤维复合材料的制备及其发展 1摘要:碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量、力学性能优异的新材料,它的重量不到钢的1/4,但强度却可以远高于钢铁,并且具有耐腐蚀、高模量的特性、无蠕变、非氧化环境下耐超高温、耐疲劳性好等优异性能。将碳纤维作为增强材料和树脂基体复合而成的树脂基复合材料是目前最具应用前景的一种复合材料,在各行各业有着广泛的应用。 关键词:碳纤维;制备;复合材料 2引言 碳纤维(简称CF)是一种含碳量在95%以上的新型纤维材料,不仅具有碳材料的固有本征特性,又兼具纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合,制成的结构材料简称碳纤维复合材料。它以碳或石墨化的树脂作为基体,以碳纤维或碳纤维织物为增强体。作为高性能纤维的一种,该材料已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用,被认为是高科技领域中新型工业材料的典型代表,为世人所瞩目[1]。 2.1产品简介 复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料,通过物理或化学的方法组成的具有新性能的材料,复合材料中的各种材料在性能上取长补短,使复合材料的综合性能比单一材料更为优异。碳纤维作为增强材料和树脂基体复合而成的树脂基复合材料是目前最具应用前景的一种结构复合材料,近年来获得了较快发展,在航空航天、机械、电子、化工等领域得到了广泛的应用[2]。 2.2生产方法 碳纤维增强复合材料有多种制备方法,近年来,人们一直在改进不同种类的碳纤维复合材料的性能和加工方法,力求为这种性能优良的材料寻找到最佳的加工方法。目前主要成型方法有以下几种。 2.2.1手糊成型工艺 手糊成型工艺是复合材料最早的一种成型方法、也是一种最简单的方法。它的最大特点是以手工操作为主,不受产品尺寸和形状限制,适宜尺寸大、批量小、形状复杂产品的生产;设备简单、投资费用少;可以满足多种产品的设计要求。这种方法不足之处在于生产效率低下;劳动强度大;环境不友好;产品稳定性不高。 2.2.2 喷射成型工艺[3] 3

碳纤维制备工艺简介讲解

碳纤维制备工艺简介 碳纤维(Carbon Fibre)是纤维状的碳材料,及其化学组成中碳元素占总质量的90%以上。碳纤维及其复合材料具有高比强度,高比模量,耐高温,耐腐蚀,耐疲劳,抗蠕变,导电,传热,和热膨胀系数小等一系列优异性能,它们既可以作为结构材料承载负荷,又可以作为功能材料发挥作用。因此,碳纤维及其复合材料近年来发展十分迅速。 一、碳纤维生产工艺 可以用来制取碳纤维的原料有许多种,按它的来源主要分为两大类,一类是人造纤维,如粘胶丝,人造棉,木质素纤维等,另一类是合成纤维,它们是从石油等自然资源中提纯出来的原料,再经过处理后纺成丝的,如腈纶纤维,沥青纤维,聚丙烯腈(PAN)纤维等。 经过多年的发展,目前只有粘胶(纤维素)基纤维、沥青纤维和聚丙烯腈(PAN)纤维三种原料制备碳纤维工艺实现了工业化。 1,粘胶(纤维素)基碳纤维 用粘胶基碳纤维增强的耐烧蚀材料,可以制造火箭、导弹和航天飞机的鼻锥及头部的大面积烧蚀屏蔽材料、固体发动机喷管等,是解决宇航和导弹技术的关键材料。粘胶基碳纤维还可做飞机刹车片、汽车刹车片、放射性同位素能源盒,也可增强树脂做耐腐蚀泵体、叶片、管道、容器、催化剂骨架材料、导电线材及面发热体、密封材料以及医用吸附材料等。 虽然它是最早用于制取碳纤维的原丝,但由于粘胶纤维的理论总碳量仅44.5%,实际制造过程热解反应中,往往会因裂解不当,生成左旋葡萄糖等裂解产物而实际碳收率仅为30% 以下。所以粘胶(纤维素)基碳纤维的制备成本比较高,目前其产量已不足世界纤维总量的1%。但它作为航空飞行器中耐烧蚀材料有其独特的优点,由于含碱金属、碱土金属离子少,飞行过程中燃烧时产生的钠光弱,雷达不易发现,所以在军事工业方面还保留少量的生产。 2,沥青基碳纤维 1965年,日本群马大学的大谷杉郎研制成功了沥青基碳纤维。从此,沥青成为生产碳纤维的新原料,是目前碳纤维领域中仅次于PAN基的第二大原料路线。大谷杉郎开始用聚氯乙稀(PVC)在惰性气体保护下加热到400℃,然后将所制PVC沥青进行熔融纺丝,之后在空气中加热到260℃进行不熔化处理,即预氧化,再经炭化等一系列后处理得到沥青基碳纤维。 目前,熔纺沥青多用煤焦油沥青、石油沥青或合成沥青。1970年,日本吴羽化学工业公司生产的通用级沥青基碳纤维上市,至今该公司仍在规模化生产。1975年,美国联合碳化物公司(Union Carbide Corporation)开始生产高性能中间相沥青基碳纤维“Thornel-P”,年产量237t。我国鞍山东亚精细化工有限公司于20世纪90年代初从美国阿石兰石油公司引进年产200t通用级沥青基碳纤维生产线,1995年已投产,同时还引进了年产45t活性碳纤维的生产装置。 3,聚丙烯腈(PAN)基碳纤维 PAN基碳纤维的炭化收率比粘胶纤维高,可达45%以上,而且因为生产流程,溶剂回收,三废处理等方面都比粘胶纤维简单,成本低,原料来源丰富,加上聚丙烯腈基碳纤维的力学性能,尤其是抗拉强度,抗拉模量等为三种碳纤维之首。所以是目前应用领域最广,产量也最大的一种碳纤维。PAN基碳纤维生产的流程图如图1所示。

《碳纤维复合材料》阅读练习及答案

阅读文章,回答问题。 碳纤维复合材料 ①2018年11月6日,两年一度的珠海航展上,中俄合作研制的280座远程宽体客机CR929,以1:1的展示样机首次亮相国际航展。在这款最新一代的大型飞机上,复合材料的使用比例有望..超过50%。同样,在去年5月5日首飞的C919大客机上,使用的复合材料占到飞机结构重量的12%。这里的复合材料,主要就是碳纤维复合材料。 ②碳纤维是火箭、卫星、导弹、战斗机和舰船等尖端武器装备必 不可少的战略基础材料。它不存在腐蚀生锈的问题。由于使用碳纤维材料可以大幅降低结构重量,因而可显著提高燃料效率。采用碳纤维与塑料制成的复合材料制造的卫星、火箭等宇宙飞行器,噪音小,质 量小,动力消耗少,可节约大量燃料。 ③碳纤维还是让大型民用飞机、汽车、高速列车等现代交通工具 实现“轻量化”的完美材料。航空应用中对碳纤维的需求正在不断增多,新一代大型民用客机空客A380和波音787使用了约为50%的碳纤维复合材料。这使飞机机体的结构重量减轻了20%,比同类飞机可节省20%的燃油,从而大幅降低了运行成本、减少二氧化碳排放。碳 纤维作为汽车材料,最大的优点是质量轻、强度大。它的重量仅相当 于钢材的20%到30%,硬度却是钢材的10倍以上。所以汽车制造采用碳纤维材料可以使汽车的轻量化取得突破性进展,并带来节省能源的社会效益。 ④随着航空航天、汽车轻量化、风电、轨道交通等行业领域对碳

纤维的需求爆发,碳纤维工业应用开始进入规模化生产。业内预测, 预计到2020年,全球碳纤维需求量将超过16万吨,到2025年,将超过33万吨。面对如此巨大而重要的市场,国内企业既要通过掌握 关键技术来实现碳纤维的稳定批量生产和大规模工程化应用,同时也要瞄准国产新一代碳纤维及其复合材料及早研发和布局,2016年2月15日,中国突破日本管制封锁研制出高性能碳纤维。2018年2月,中国完全自主研发出第一条百吨级T1000碳纤维生产线,这标志着我国已经牢牢站稳全球高端碳纤维市场的一席之地。 101.阅读选文第①段和第③段,回答问题。 (1)选文第①段加点词“有望”能删去?请说出理由。 (2)选文第③段画线句运用了哪些说明方法?有何作用? 102.随着科学技术的发展,请你设想一下生活中将会有哪些碳纤维 复合材料的产品。 【答案】 101.(1)不能删去,“有望”是有希望的意思,说明“在这款最新 一代的大型飞机上,复合材料的使用比例”未来有希望超过“50%”,该词体现了说明文语言的准确性和科学性。 (2)列数字、作比较,具体准确地说明了碳纤维作为汽车材料,最 大的优点是质量轻、强度大。 102.碳纤维复合材料制成的羽毛球拍、登山器械等体育休闲用品; 汽车、地铁等交通工具;以及碳纤维复合材料制成的衣服、家具等日

聚丙烯腈碳纤维的工艺流程

聚丙烯腈碳纤维的工艺流程 1.概述 碳纤维是一种力学性能优异的新材料,它不仅具有碳材料的固有特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。聚丙烯碳纤维是一种以聚丙烯腈(PAN)、沥青、粘胶纤维等为原料,经预氧化、碳化、石墨化工艺而制得的含碳量大于90%的特种纤维。碳纤维具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能,是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料,同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。PAN基碳纤维生产工艺简单、产品综合性能好,因而发展很快,产量占到90%以上,成为最主要的品种。 2.制备 聚丙烯腈碳纤维是以聚丙烯腈纤维为原料制成的碳纤维,主要作复合材料用增强体。无论均聚或共聚的聚丙烯腈纤维都能制备出碳纤维。为了制造出高性能碳纤维并提高生产率,工业上常采用共聚聚丙烯腈纤维为原料。对原料的要求是:杂质、缺陷少;细度均匀,并越细越好;强度高,毛丝少;纤维中链状分子沿纤维轴取向度越高越好,通常大于80%;热转化性能好。 生产中制取聚丙烯腈纤维的过程是:先由丙烯腈和其他少量第二、第三单体(丙烯酸甲醋、甲叉丁二脂等)共聚生成共聚聚丙烯腈树脂(分子量高于 6~8万),然后树脂经溶剂(硫氰酸钠、二甲基亚矾、硝酸和氯化锌等)溶解,形成粘度适宜的纺丝液,经湿法、干法或干-湿法进行纺丝,再经水洗、牵伸、干燥和热定型即制成聚丙烯腈纤维。若将聚丙烯腈纤维直接加热易熔化,不能保持其原来的纤维状态。因此,制备碳纤维时,首先要将聚丙烯腈纤维放在空气中或其他氧化性气氛中进行低温热处理,即预氧化处理。预氧化处理是纤维碳化的预备阶段。一般将纤维在空气下加热至约270℃,保温0.5h~3h,聚丙烯腈纤维的颜色由白色逐渐变成黄色、棕色,最后形成黑色的预氧化纤维。这是聚丙烯腈线性高分子受热氧化后,发生氧化、热解、交联、环化等一系列化学反应形成耐热梯型高分子的结果。再将预氧化纤维在氮气中进行高温处理(l 600℃),即碳化处理,则纤维进一步产生交联环化、芳构化及缩聚等反应,并脱除氢、氮、氧原子,最后形成二维碳环平面网状结构和层片粗糙平行的乱层石墨结构的碳纤维。 由PAN原丝制备碳纤维的工艺流程如下:PAN原丝→预氧化→碳化→石墨化→表面处理→卷取→碳纤维。 3.性能 碳纤维有如下的优良特性:①比重轻、密度小;②超高强力与模量;③纤维细而柔软; ④耐磨、耐疲劳、减振吸能等物理机械性能优异;⑤耐酸、碱和盐腐蚀,可形成多孔、表面活性、吸附性强的活性碳纤维;⑥热膨胀系数小,导热率高,不出现蓄能和过热;高温下尺寸稳定性好,不燃,热分解温度800℃,极限氧指数55;⑦导电性、X射线透过性及电磁波遮蔽性良好;⑧具有润滑性,不沾润在熔融金属中,可使其复合材料磨损率降低; ⑨生物相容性好,生理适应性强。

碳纤维复合材料连续抽油杆的特点及应用

79 1?概述 目前国内外使用的抽油杆主要是钢质普通抽油杆,但是它存在一些问题:密度大、强度低、抗腐蚀性能较差,不能满足深井、超深井、腐蚀井等特殊油井原油开采的需要,成为有杆泵抽油系统中的薄弱环节。为了克服普通钢质抽油杆的缺点,20世纪80年代初美国开始研制碳纤维抽油杆,于20世纪90年代初研制成功碳纤维抽油杆,并进行了矿场试验,试验效果较好[1]。 2?碳纤维复合材料连续抽油杆的性能特点与技术优势 密度小、减载效果显著:纤维增强复合材料防偏磨连续抽油杆密度小(1.8~1.9 g/cm 3),是钢抽油杆1/4,组成碳纤维抽油杆—钢抽油杆混合抽油杆柱后,其总质量比钢抽油杆柱减轻40%以上,可以大幅度降低光杆载荷。 强度高、能够实现深抽:碳纤维抽油杆的抗拉强度是D级钢抽油杆的2倍,采用现有的抽油机可以加深泵挂深度、加大泵径,增加原油产量,并可以延长抽油杆的使用寿命,由碳纤维杆与钢杆组成的混合杆柱,极限下泵深度能够增加1000m左右。 耐腐蚀、抗疲劳性能好:由于耐腐蚀性好,因此碳纤维杆抽油系统适用于产出液具有腐蚀性的油井抽油,可延长检泵周期。同时,碳纤维抽油杆抗疲劳性能好,107次疲劳实验后,剩余强度仍有90%(同样条件下,钢杆的剩余强度仅为30%~40% ),从而大大延长了抽油杆的使用寿命。 弹性大:碳纤维抽油杆的弹性模量是钢杆的一半,是玻璃钢抽油杆的2倍。其弹性介于钢杆与玻璃钢抽油杆之间,是钢杆的2倍,是玻璃钢抽油杆的一半。 杆柱的运动遵循混合杆柱的运动规律,增大冲次可减少冲程损失。 3?碳纤维抽油杆—钢抽油杆混合杆柱的设计软件及杆柱组合 3.1?碳纤维抽油杆—钢抽油杆混合杆柱的设计软件[2] 碳纤维抽油杆的应用方法:杆柱上部为碳纤维抽油杆、下部需要加部分钢质抽油杆或加重杆组成混合抽油杆柱,其运动规律遵循混合杆柱的运动规律。在杆柱设计方面,为精确计算杆柱的动载荷和活塞行程等参数,完善了动态参数预测方法,同时引入API RP 11L推荐作法(作为一个动态的参照标准),实现了2种算法的相互验证,增强了计算结果的可靠性。 3.2?碳纤维抽油杆—钢抽油杆组成的混合杆柱的设计 3.2.1 正确选择油井很重要[3] 碳纤维连续抽油杆不宜用于以下几种井况: ①碳纤维杆的耐磨性有待于进一步观察,碳纤维杆的下入深处井斜角不应大于10°,尤其是有拐点的井。泵挂处的井斜角不应超过45°; ②出砂严重(含砂量大于1/1000,以往出现过砂卡现象的井)、结垢严重和结蜡严重的井(含蜡量超过25%,蜡熔点高于35℃); ③井温过高超出固化温度体系的井,要根据碳纤维杆下入深度可能的最大温度,选择不同耐温等级的碳纤维杆; ④供液严重不足、无对应注水井和动液面过低的井、地面参数不能继续调小的井; ⑤稠油(动力黏度大于2000mPa·s)或高凝油井 碳纤维复合材料连续抽油杆的特点及应用 张紫檀1?张宝安2 1.胜利油田石油工程技术研究院 山东 东营 257000 2.胜利油田东辛采油厂 山东 东营 257000 摘要:碳纤维复合材料连续抽油杆(简称碳纤维抽油杆)是一种由碳纤维复合材料为主体、经拉挤工艺加工成型的一种新型的特种抽油杆。碳纤维抽油杆的应用方法为:杆柱上部为碳纤维抽油杆、下部需要加部分钢质抽油杆或加重杆组成混合抽油杆柱,其运动规律遵循混合杆柱的运动规律。合理利用碳纤维抽油杆,可达到增产、减载、延长检泵周期、降低采油成本的目的。 关键词:碳纤维抽油杆?性能特点?技术特性?混合杆柱?应用方向 Characteristics?of?carbon?fiber?composite?continuous?sucker?rod?and?the?discussion?of?some?problems?of?its?application Zhang?Zitan 1?,Zhang Baoan 2 Shengli Oil ?eld Research Institute of Petroleum Engineering Technology ,Dongying 257000 Abstract:Carbon?fiber?composite?continuous?sucker?rod?(referred?as?the?carbon?fiber?sucker?rod)?is?a?new?kind?of?special?suck?rod?that?mainly?consisted?of?carbon?fiber?compound?material?and?formed?by?the?process?of?pultrusion.?The?method?of?application?of?carbon?fiber?sucker?rod?is?to?build?a?composited?string?system:the?upper?component?of?string?should?be?the?carbon?fiber?sucker?rod?and?the?lower?part?of?string?should?be?steel?rod?or?sinker?bar.?In?this?case,the?movement?rule?for?composited?string?system?is?required.?Aims?can?be?achieved?like?increasing?productivity,load?shedding,extending?the?interval?of?pump?inspection?and?reducing?the?cost?of?production?if?appropriate?application?of?carbon?fiber?sucker?rod?is?available. Keywords:the?carbon?fiber?sucker?rod,performance,technical?characteristic,composited?string,field?experiment (下转第83页)

碳纤维及其复合材料的发展和应用(精)

·开发与创新· Development and Applications of Carbon Fiber and Its Composites GAO Bo ,XU Zi-Li (Wuhan Textile University ,Wuhan Hubei 430073,China Abstract:This paper introduces performance and features of carbon fiber,briefly overviews the history,including both foreign and domestic.And analyses the properties and applications of carbon fiber composite material,emphasizes the related performance that carbon fiber adds to the metal matrix composites and points out its research prospects.Key words:carbon fiber ;composite ;metal matrix 0引言 碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维,是由有机母体纤维(聚丙烯睛、粘胶丝或沥青等采用高温分解法在1000~3000℃高温的惰性气体下碳化制成的。它是一种力学性能优异的新材料,比重不到钢的1/4,能像铜那样导电,比不锈钢还耐腐蚀,而其复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa 以上,是钢的7~9倍,抗拉弹性模量为23000~43000Mpa ,也高于钢。碳纤维按其原料可分为三类:聚丙烯腈基(PAN 碳纤维、石油沥青基碳纤维和人造丝碳纤维三类。其中聚丙烯腈基碳纤维用途最广,需求也最大[1]。 1碳纤维的发展史 1.1国外碳纤维的发展历史 20世纪50年代美国开始研究粘胶基碳纤维,1959 年生产出了粘胶基纤维Thormel-25,这是最早的碳纤维产品。同一年,日本发明了用聚丙烯腈基(PAN 原丝

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