近年來(lái)，輕量化材料在制造各種工業(yè)零部件，尤其是汽車和航空航天零部件方面受到了廣泛關(guān)注。更具體地說(shuō)，纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)復(fù)合材料在成功地證明自己是重金屬組件的可行替代品方面鋪平了一條合適的道路。
傳統(tǒng)的 FRP 是以環(huán)氧樹(shù)脂為基礎(chǔ)，用碳纖維等高性能纖維增強(qiáng)。然而，環(huán)氧基復(fù)合材料在使用壽命結(jié)束后的回收是相當(dāng)復(fù)雜的。另一方面，熱塑性塑料更便宜，容易加工，也很容易回收。碳纖維材料擁有高強(qiáng)度、低密度、高比模量小密度、耐高溫、耐化學(xué)侵蝕、低電流、高導(dǎo)熱和優(yōu)異減震降噪功能等優(yōu)勢(shì)，在工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在玻璃鋼中，基質(zhì)聚合物作為連續(xù)相，而增強(qiáng)纖維作為不連續(xù)相。
根據(jù)聚合物的類型，復(fù)合材料可以是熱固性的，也可以是熱塑性的。熱固性基復(fù)合材料和熱塑性基復(fù)合材料的制造工藝有很大的不同，前者需要固化，而后者只需簡(jiǎn)單的熔化和冷卻過(guò)程。目前，在中國(guó)用量最大的材料是由熱固性碳纖維復(fù)合材料所形成的復(fù)合材料。與此同時(shí)，我國(guó)的熱固化技術(shù)也得到了較全面的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。與之相對(duì)比，熱塑性碳纖維復(fù)合材料的成型技術(shù)尚處在起步階段，尚有進(jìn)一步的優(yōu)化余地，并且其制造費(fèi)用高昂，對(duì)工藝和技術(shù)的要求也越來(lái)越高。而熱塑性碳纖維材料卻具有無(wú)法取代的優(yōu)勢(shì)：1) 抗沖擊能力強(qiáng)(比熱固性高 10 倍)；2) 能夠循環(huán)使用的熱塑性碳纖維；3) 若能克服樹(shù)脂之間不易熔化的問(wèn)題，就能完成二次注塑。從而使成形過(guò)程大為簡(jiǎn)化，機(jī)械性能得到改善。
熱塑性樹(shù)脂是碳纖維材料中最常見(jiàn)的基體材質(zhì)之一，具備受熱軟化、受熱熔化、冷卻后穩(wěn)定硬化的特性，可采用高熱熔化和冷卻后反復(fù)凝固。熱塑性樹(shù)脂有優(yōu)異的耐腐蝕穩(wěn)定性、斷裂韌力、耐損傷性能和耐沖擊性能，并且體積小。近年來(lái)，在我國(guó)的民用和軍事等多個(gè)方面，碳纖維作為增強(qiáng)體，而其作為基質(zhì)的熱塑性材料得到了廣泛應(yīng)用。
碳纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料有著近幾十年的發(fā)展歷史，已發(fā)展出各種不同的成型方法。目前，在制造業(yè)上較為普遍的常規(guī)成型方式有：熱壓罐成型、拉擠成型、纏繞成型等。盡管這種常規(guī)的成型生產(chǎn)方法適用范圍廣、技術(shù)水平高，但是生產(chǎn)成本高、效率低。近年來(lái)，各種新成形方法也層出不窮，包括了光纖的自動(dòng)攤鋪成型、超聲波快速固結(jié)、激光固結(jié)以及電子束固結(jié)成型、真空輔助成型，以及 3D 打印等成型技術(shù)。
本文主要介紹了傳統(tǒng)的碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的成型技術(shù)，對(duì)其技術(shù)過(guò)程和性能進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)其應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析和預(yù)測(cè)。
1. 熱壓罐成型
熱壓罐成型工藝流程圖如圖 1。熱壓罐成型工藝是目前最常見(jiàn)的一次成型工藝，它的成型機(jī)理是通過(guò)加熱壓力罐內(nèi)的高溫?cái)D出壓力，對(duì)所鋪設(shè)的預(yù)浸材料進(jìn)行升溫、加壓處理，從而達(dá)到固化成型的目的。目前，熱壓罐成型技術(shù)在工業(yè)中占有著較大的比例，特別是在航天等方面。模具疊層裝置置于一個(gè)大型的溫度和壓力控制容器內(nèi)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外有關(guān)高壓釜工藝的研究多集中于傳熱機(jī)理、熱場(chǎng)變化、溫度場(chǎng)變化以及高壓密閉等方面。
在實(shí)際生產(chǎn)中，采用傳統(tǒng)的熱壓罐成形技術(shù)存在著很大的優(yōu)勢(shì)和不足。
1）產(chǎn)品受到的壓強(qiáng)是均勻分布的。在成型時(shí)，用一個(gè)真空袋將預(yù)浸液封入模具內(nèi)。通過(guò)對(duì)各個(gè)位置的壓力氣體進(jìn)行均勻的壓縮，使復(fù)合材料在相同的壓力下凝固。
2）產(chǎn)品具有均勻的受熱能力，且壓縮空氣在容器中的速度很快。在升溫與制冷過(guò)程中，材料的受熱狀態(tài)幾乎是一致的。由于在同一容器內(nèi)的壓強(qiáng)和溫度下均比較穩(wěn)定，使得其產(chǎn)生了很小的空隙度和較好的分布，所以其機(jī)械性能基本上是比較穩(wěn)定的。
3）該設(shè)備具有較大的體積，能夠制造出較大、較復(fù)雜的零件，且模具比較簡(jiǎn)單。能耗高，費(fèi)用高。熱壓罐裝置通常具有容積巨大、復(fù)雜、成本高昂、成型工藝消耗大、對(duì)環(huán)境造成污染等問(wèn)題。
盡管熱壓罐成型工藝使用廣泛，成型工藝穩(wěn)定，生產(chǎn)的產(chǎn)品具有良好的綜合性能和可靠性，但其成本大、成本高，與高速、廉價(jià)、低污染的復(fù)合材料的制造思想相背離，同時(shí)又為新型成形工藝的發(fā)展提供了方向。
拉擠成型工藝流程圖如圖 2。拉擠成型是一種可以連續(xù)生產(chǎn)復(fù)合材料零件的工藝，它可以用來(lái)生產(chǎn)截面不變的零件。本工藝是將碳纖維浸漬于樹(shù)脂中，再由牽引力裝置將其擠壓成型，經(jīng)擠壓成型，制成具有無(wú)限長(zhǎng)度的復(fù)合材料，并制成具有較高強(qiáng)度的單向復(fù)合材料。
拉擠成型技術(shù)的自動(dòng)化程度高，能耗少，質(zhì)量平穩(wěn)，原材料損耗較少，纖維含量高。不過(guò)，拉擠成型主要的缺陷是產(chǎn)品的外形簡(jiǎn)單，只能夠生產(chǎn)成直線外形，無(wú)法形成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件。此外，由于產(chǎn)品的特性是各向異性的，而且其縱向方向上的強(qiáng)度也較低，從而極大地制約了其應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，今后將會(huì)出現(xiàn)更多的拉擠成型技術(shù)，以滿足不同的型材尺寸，提高生產(chǎn)效率。
纏繞熱成型技術(shù)，是在芯模中對(duì)經(jīng)浸漬樹(shù)脂的連續(xù)纖維進(jìn)行加熱時(shí)間和纏繞，在纏繞時(shí)不斷升溫，然后再利用加壓熱使預(yù)浸料熔化成一種，一層一層地粘結(jié)，再冷卻，得到一種特殊的成型制品。
采用纖維纏繞技術(shù)可以使碳纖維在一定程度上得到增強(qiáng)，從而達(dá)到自動(dòng)化生產(chǎn)的目的。纖維編織工藝有連續(xù)、一次完成的優(yōu)點(diǎn)，有很大的制造效益。適用于大批量生產(chǎn)，包括：圓柱體、圓柱體、半球形等，以及導(dǎo)彈殼、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼、各種管材、壓力容器等。這種方法的不足在于，在纏繞時(shí)，纖維不能與芯模的表面相結(jié)合，使其難以形成凹型，而且纏繞機(jī)的價(jià)格也較高。
自動(dòng)纖維鋪放工藝是由纏繞成型工藝發(fā)展起來(lái)的一種新型的快速成型工藝。其核心技術(shù)可包括 AFP和 ATL 兩方面，目前均已應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。ATL 技術(shù)主要運(yùn)用于較小曲率零件(例如機(jī)翼、側(cè)線)上,具有較高的生產(chǎn)效率。AFP 技術(shù)是制造飛機(jī)機(jī)體、機(jī)翼等復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的關(guān)鍵技術(shù)。AFP 和 ATL 工藝的制造效率較高，智能化水平好，且易于進(jìn)行數(shù)字化制造。
超聲波快速固結(jié)工藝是為了取代傳統(tǒng)熱源，而與 AFP、ATL 工藝共用的一項(xiàng)新型材料成型技術(shù)。其超聲波的頻率范圍通常在 20~120 kHz。超聲波的傳播材料，類似于使用超聲波的建筑二層之間的材料。其基本原理就是在層之間實(shí)現(xiàn)了超聲波的傳播。在焊接區(qū)域，因其較高的聲電阻，使其局部溫度升高，同時(shí)，其導(dǎo)熱性能降低，從而造成焊接區(qū)域熱量的累積。在加壓時(shí)，兩個(gè)樹(shù)脂的接觸面馬上就開(kāi)始熔融和結(jié)合。在超聲波傳感器停止動(dòng)作后，維持相應(yīng)的壓強(qiáng)，從而保持表面穩(wěn)定。
超聲波快速凝固技術(shù)具有能量小，成本低，見(jiàn)效快，智能化度好的優(yōu)點(diǎn)。適合于大量采用超聲波強(qiáng)化的產(chǎn)品。它的功能與原料特征、超聲波頻率、振幅等因素密切相關(guān)。超聲快速固化過(guò)程中，纖維的組織形態(tài)與其固結(jié)質(zhì)量有很大關(guān)系。EDs 是在金屬表面上形成的一種細(xì)小的樹(shù)脂凸出物。EDs 能把超聲波振蕩的能量集中在工件上，并按照其橫斷面形狀分成三角形、矩形和橢圓三類，形狀對(duì)金屬材料的機(jī)械性能有很大的影響。
激光固化技術(shù)通常與 AFP，ATL 等技術(shù)結(jié)合使用，利用激光作為替代高溫燃?xì)鉄嵩?，可以減少能源消耗，減少污染，節(jié)省材料，加速?gòu)?fù)合材料的鋪層速度，提高產(chǎn)品的自動(dòng)化程度，尤其是在飛機(jī)的尾翼和機(jī)身等材料的制造中。
E. Beyeler 等首先對(duì)“激光輔助固結(jié)”進(jìn)行了理論上的證明。R. Klein成功地解決了 AFP 激光輔助加熱中存在的樹(shù)脂過(guò)熱、設(shè)備昂貴等諸多問(wèn)題，使其成為一種切實(shí)可行的方法。
電子束固結(jié)成型技術(shù)是一項(xiàng)不需要熱壓的先進(jìn)固結(jié)成型工藝,利用電子束和介質(zhì)進(jìn)行接觸后，在極短的時(shí)間內(nèi)把電能傳遞到介質(zhì)中，從而產(chǎn)生物理和化學(xué)上的變化，產(chǎn)生與高聚物分子的交聯(lián)，從而固化物質(zhì)。
電子束固化工藝，可用于纏繞成型、自動(dòng)鋪放成型、樹(shù)脂轉(zhuǎn)移成型、RTM 等技術(shù)相結(jié)合，從而達(dá)到自動(dòng)化生產(chǎn)的目的。在常溫下，由于能夠進(jìn)行電子束的熱凝固，也因此能夠減少了在材料成型過(guò)程中所形成的熱應(yīng)力影響，而且該工藝具有低成本、低污染和高效率的特點(diǎn)。
真空輔助成型工藝流程圖如圖 3。真空輔助成形是一種由 RTM 工藝發(fā)展而來(lái)的一種新型的、低成本、高效率的復(fù)合材料構(gòu)件加工技術(shù)。真空輔助成形技術(shù)的基本原理是通過(guò)真空、負(fù)壓將纖維中的氣體抽離出來(lái)，使樹(shù)脂在空氣中流動(dòng)和滲透，從而使碳纖維在真空狀態(tài)下進(jìn)行固化。目前，很多學(xué)者對(duì)這種方法進(jìn)行了探索，并將其應(yīng)用于熱塑性樹(shù)脂中，或?qū)⑵溆糜诤铣啥鄬訌?fù)合材料。
3D 印刷技術(shù)是一種利用分層印刷的方法，通過(guò)數(shù)字控制系統(tǒng)，建立一個(gè)立體的物質(zhì)實(shí)體。該控制系統(tǒng)具備自動(dòng)化、智能、高精度和效率高等特性，能夠有效地減少?gòu)?fù)合材料的制造成本。
近年來(lái)，由于3D 打印機(jī)工藝技術(shù)的快速發(fā)展，采用 3D 打印機(jī)技術(shù)制造碳纖維增強(qiáng)型熱塑性復(fù)合材料已成為國(guó)外研究者關(guān)心的焦點(diǎn)，而高選擇性激光燒結(jié)工藝技術(shù)與熔融淀積工藝技術(shù)則是目前使用得較為普遍的二類工藝技術(shù)。
碳纖維可以強(qiáng)化 3D 打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用的拓展。在生產(chǎn)過(guò)程中，由于設(shè)備溫度、印刷速度、層高、印刷工藝等因素的影響，以及復(fù)合材料自身參數(shù)、材料直徑、噴嘴直徑等因素的影響，因此，在此基礎(chǔ)上，對(duì)高精度高效率的 3D 打印系統(tǒng)進(jìn)行了研究。
目前，國(guó)內(nèi)對(duì)碳纖維基復(fù)合材料的研究仍停留在常規(guī)成型工藝上。熱壓罐成形工藝造價(jià)高，常被應(yīng)用于航天、高技術(shù)領(lǐng)域。拉擠成型通常是用來(lái)固定斷面的，不限定產(chǎn)品的長(zhǎng)度和寬度。某些具有旋轉(zhuǎn)形狀的復(fù)合材料零件可以用纖維纏繞制成。RTM 是用來(lái)制造具有高精密結(jié)構(gòu)的物料。由于 3D 打印技術(shù)無(wú)需模具，快速成型，因此能生產(chǎn)出具有復(fù)雜外形的零件。
今后，碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)和制造都將向著更高效率、低成本的方向發(fā)展，性能也將向著高性能、結(jié)構(gòu)和功能的一體化、智能化等方面發(fā)展。本文的研究重點(diǎn)集中于對(duì)碳纖維的結(jié)構(gòu)研究、樹(shù)脂基體特性的改善、以及碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)理論、成型工藝及工藝方法等方面的研究。另外，由于市場(chǎng)需求與消費(fèi)水平的提高，碳纖維的再生利用也將是今后碳纖維及復(fù)合材料應(yīng)用的重點(diǎn)。
孫琳, 蘇順生, 張仁航, 林鵬, 張勇. 碳纖維復(fù)合材料成型工藝的研究進(jìn)展[J]. 材料科學(xué), 2022, 12(8): 829-835.
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