Kawalan Ketebalan dan Ketrataan Lembaran Serat Karbon: Analisis Mendalam terhadap Pemilihan Prepreg dan Parameter Proses

Dalam bidang pembuatan komposit serat karbon, ketepatan ketebalan dan kerataan permukaan merupakan dua metrik kritikal untuk menilai kualiti produk. Untuk menghasilkan panel serat karbon berkualiti tinggi dengan ketebalan tepat dan permukaan rata, kawalan yang tepat perlu dilaksanakan sepanjang rantai pengeluaran—dari pemilihan prepreg hingga proses pemejalanan. Artikel ini akan menganalisis secara sistematik teknologi utama untuk mengawal ketebalan dan kerataan panel dari tiga aspek: ciri-ciri prepreg, rekabentuk susunan lapisan (layup), dan parameter percetakan.

"Gen" Prepreg Menentukan Tahap Rujukan bagi Laminat

Sebagai bahan mentah untuk panel serat karbon, sifat fizikal prepreg secara langsung menentukan ketebalan dan kerataannya.

1. Berat Luas Gentian (FAW) Menentukan Ketebalan Teoritis

Berat asas gentian bagi prepreg merupakan parameter utama untuk mengawal ketebalan. Sebagai contoh, prepreg unidirectional, satu lapisan dengan berat asas 50 g/m² mempunyai ketebalan kira-kira 0,05–0,06 mm, manakala yang berat asasnya 200 g/m² mencapai 0,19–0,20 mm. Pilihan berat asas prepreg secara langsung menentukan piawaian ketebalan teori bagi panel akhir.
Prepreg nipis memberikan kelebihan ketara dari segi kawalan kerataan. Kajian menunjukkan bahawa berbanding prepreg konvensional (200 g/m²), prepreg nipis (seperti 50 g/m²) memudahkan proses peresapan dan menawarkan ketelapan yang lebih baik disebabkan oleh pengurangan ketebalan lapisan gentian individu. Dalam struktur berlapis, gelembung udara lebih mudah dikeluarkan di antara lapisan prepreg nipis, menghasilkan ketidakpadatan yang jauh lebih sedikit dan gentian yang lebih lurus. Ini tidak hanya membantu mengawal ketepatan ketebalan tetapi juga meningkatkan kerataan permukaan serta sifat mekanikal.

2. Peranan Peraturan Kandungan Resin (RC)

Kandungan resin pada prepreg biasanya berada dalam julat 35% hingga 42% berdasarkan berat. Parameter ini secara langsung mempengaruhi tingkah laku aliran semasa proses pemejalan dan ketebalan akhir:

RC Tinggi (42% ke atas): Aliran yang baik; selepas pemejalan, permukaan mempunyai lapisan kaya resin yang tebal serta rupa yang menarik. Namun, jika tekanan tidak dikawal dengan betul, limpahan resin berlebihan boleh menyebabkan ketebalan tidak mencukupi dan ruang kosong di antara lapisan.

RC Rendah (35%–38%): Pecahan isipadu gentian yang tinggi dan kekuatan yang baik, tetapi aliran tidak mencukupi. Keadaan ini boleh menyebabkan ruang kosong di sudut-sudut dan rusuk pengukuhan, yang memberi kesan kepada kerataan permukaan.

3. Kebimbangan Mengenai Kandungan Bahan Volatil

Pelarut dan kelembapan yang masih tinggal dalam prepreg akan membentuk gelembung semasa proses pemejalan. Prepreg berkualiti tinggi seharusnya mempunyai kandungan bahan mudah meruap kurang daripada 1.5%, manakala prepreg berkualiti rendah boleh mencapai sehingga 3%. Komponen yang dibentuk daripada prepreg sedemikian menunjukkan banyak lubang jarum pada permukaan dan ruang hampa di antara lapisan, yang memberi kesan teruk terhadap kerataan mereka.

4. Impak Struktur Fabrik

Prepreg fabrik dikelaskan kepada tiga jenis berdasarkan corak tenunan: tenunan rata, tenunan gelombang, dan tenunan satin. Tenunan rata mempunyai sifat pelapisan yang lemah dan kadar kelengkungan gentian yang tinggi; tenunan satin mempunyai sifat pelapisan yang baik tetapi kadar kelengkungan gentian yang rendah; manakala tenunan gelombang berada di antara kedua-duanya. Perbezaan dalam struktur tenunan mempengaruhi ketumpatan laminat dan prestasi pengeluarkan gasnya, yang seterusnya mempengaruhi keseragaman ketebalan.

Reka Bentuk Permukaan Jalan: Barisan Pertahanan Utama bagi Kerataan

1. Pelapisan simetri merupakan peraturan emas untuk mencegah lengkung

Sudut penentuan biasanya ditetapkan pada 0°, ±45°, dan 90°, dan digabungkan mengikut keperluan beban. Selepas proses pematangan, susunan lapisan tidak simetri boleh mengalami ubah bentuk kumulatif akibat perbezaan pekali pengembangan haba dan kadar susutan semasa pematangan (kira-kira 0.02–0.05 mm/m), yang menyebabkan kelengkungan. Kaedah pengesahan paling mudah ialah melipat urutan lapisan secara separuh dari pusat; periksa sama ada sudut lapisan di kedua-dua belah merupakan imej cermin antara satu sama lain—jika tidak, susunan tersebut mesti disusun semula.

2. Seni Sambungan Licin dan Tindih

Apabila menyambung panel bersaiz besar, lebar tindih mesti sekurang-kurangnya 10 mm. Sambungan berhimpit (di mana jahitan tidak bertindih) boleh menghasilkan cacat berbentuk alur dan tumpuan tekanan di bahagian sambungan selepas proses pematangan. Apabila menyambung pelbagai lapisan, jahitan lapisan bersebelahan harus diaraskan sekurang-kurangnya 50 mm untuk mengelakkan semua jahitan sejajar pada lokasi yang sama.

3. Pra-pemadatan—Langkah Utama untuk Menghilangkan Gelembung Udara dan Variasi Ketebalan

Setelah proses penindihan selesai, pra-pemadatan merupakan langkah kritikal untuk mengawal ketebalan dan kerataan. Udara terperangkap di antara lapisan semasa proses penindihan prepreg; memandangkan resin epoksi mempunyai kelikatan yang sangat tinggi, tidak semua udara dapat keluar semasa proses pemanasan, menyebabkan terbentuknya ruang kosong.

Dalam pengeluaran sebenar, setelah proses penindihan selesai, pemadatan boleh dicapai melalui pemadatan bergulung atau penekanan sejuk untuk menekan rapat lapisan-lapisan bahan pelekat serat karbon , secara berkesan menyelesaikan isu masuknya udara semasa proses penindihan. Pra-pemadatan yang tidak mencukupi menghalang udara keluar semasa proses pemanasan, menghasilkan ruang kosong atau gelembung yang tidak hanya menjejaskan keseragaman ketebalan tetapi juga mempengaruhi kerataan permukaan.

Pembakaran dalam Acuan: Peringkat Penentu bagi Ketebalan dan Kerataan

1. Tekanan Acuan—Faktor Utama yang Menyebabkan Kelengkungan

Kajian telah menunjukkan bahawa, antara parameter proses untuk pencetakan mampatan, faktor-faktor yang mempengaruhi rintangan, mengikut tahap kepentingan, ialah: tekanan mampatan (P), kelajuan pengapit (v), masa penahanan (t), dan suhu pencetakan (T), dengan tekanan mampatan merupakan faktor paling penting yang mempengaruhi rintangan.

Tekanan pencetakan untuk prepreg biasanya hanya 0.5–3 MPa, iaitu jauh lebih rendah daripada 10–20 MPa yang diperlukan untuk pencetakan SMC. Tekanan ini mesti dipilih secara tepat:

Tekanan berlebihan: Resin berlebihan akan terkeluar, menyebabkan kekurangan resin di antara lapisan, yang mengurangkan kekuatan ricih dan menghasilkan ketebalan dinding yang lebih nipis.

Tekanan tidak mencukupi: Ruang hampa di antara lapisan tidak dapat dielakkan, menghasilkan ketebalan dinding yang lebih tebal dan ketidakseragaman yang buruk.

julat 1–1.5 MPa adalah julat optimum untuk kebanyakan komponen prepreg 3K; setiap kali beralih kepada prepreg baharu, digalakkan agar tiga spesimen ujian dihasilkan terlebih dahulu untuk mengesahkan tekanan tersebut.

2. Suhu Acuan dan Kadar Pemanasan

Suhu acuan biasanya berada di antara 120–150°C. Kadar pemanasan mesti dikawal dengan teliti:

Jika kadar pemanasan terlalu pantas (melebihi 8°C/min), resin akan menggelembung sebelum kelikatan mencapai titik terendahnya, menyebabkan ikatan antara lapisan yang lemah dan cacat permukaan seperti tompok putih atau lebihan resin.

Jika suhu meningkat terlalu perlahan: kitaran pengeluaran menjadi lebih panjang, meningkatkan kos.

3°C/min merupakan titik permulaan yang selamat. Semasa proses pencetakan, kuasa pemanasan boleh dilaraskan untuk memastikan peningkatan suhu acuan kekal dalam julat yang sesuai (tidak melebihi ±5°C).

3. Penentuan Masa Pemberian Tekanan Secara Tepat

Masa pemberian tekanan permohonan semasa proses pemulihan sangat kritikal:

Memberi tekanan terlalu awal: limpahan resin berlebihan, kandungan resin rendah, dan kekuatan ricih antara lapisan berkurang.

Memberi tekanan terlalu lewat: resin telah mula mengeras, menjadikan sukar mengekalkan ketebalan yang dikehendaki; kandungan resin tinggi menyebabkan kekuatan lentur berkurang.

Masa aplikasi tekanan tidak boleh ditentukan semata-mata berdasarkan sifat termoset sistem resin; keputusan mesti dibuat dengan mengambil kira syarat proses sebenar.

4.Hubungan Antara Masa Pegangan dan Ketebalan

Masa pemejalanan untuk prepreg dikira berdasarkan ketebalan, biasanya 1–2 minit setiap milimeter ketebalan. Bahagian setebal 2 milimeter memerlukan masa pegangan tekanan selama 2–4 minit; bagaimanapun, masa ini diukur selepas suhu acuan stabil, bukan dari permulaan penutupan acuan. Proses pemanasan acuan dari suhu bilik mengambil masa yang agak lama dan mesti diukur menggunakan termokopel di dalam acuan.

5.Penyejukan dan Pengeluaran Daripada Acuan

Selepas pemejalanan selesai, biarkan produk menyejuk hingga 50°C atau di bawah sebelum dikeluarkan daripada acuan untuk meminimumkan ubah bentuk akibat susutan resin dan memastikan keseragaman kelompok.