碳纤维复合材料成型工艺

     碳纤维复合材料成型工艺

        碳纤维复合材料虽然性能优异，但因为成本和批量化生产效率的问题，迟迟没有大规模应用。如何高速、高效大批量生产高质量、低成本的碳纤维复合材料，并提高材料利用率，是业界人士的共同目标。

        碳纤维复合材料在发挥其轻质高强的基础上，会根据应用对象的差异采用不同的成型工艺，从而尽可能地发挥出碳纤维所具有的特殊性能。成型工艺改进、优化的目的主要是提高效率和制品质量，从而降低整体的加工成本。

一、复合材料主要成型工艺的汇总

（1）手糊成型工艺--湿法铺层成型法；

（2）喷射成型工艺；

（3）树脂传递模塑成型技术（RTM技术）；

（4）袋压法（压力袋法）成型；

（5）真空袋压成型；

（6）热压罐成型技术；

（7）液压釜法成型技术；

（8）热膨胀模塑法成型技术；

（9）夹层结构成型技术；

（10）模压料生产工艺；

（11）ZMC模压料注射技术；

（12）模压成型工艺；

（13）层合板生产技术；

（14）卷制管成型技术；

（15）纤维缠绕制品成型技术；

（16）连续制板生产工艺；

（17）浇铸成型技术；

（18）拉挤成型工艺；

（19）连续缠绕制管工艺；

（20）编织复合材料制造技术；

（21）热塑性片状模塑料制造技术及冷模冲压成型工艺；

（22）注射成型工艺；

（23）挤出成型工艺；

（24）离心浇铸制管成型工艺；

（25）其它成型技术。

        随着碳纤维复合材料应用的深入和发展，碳纤维复合材料的成型方式也在不断地以新的形式出现，但是碳纤维复合材料的诸种成型工艺并非按照更新淘汰的方式存在的，在实际应用中，往往是多种工艺并存，实现不同条件、不同情况下的最好效应。相信在未来几年碳纤维复合材料成型速度会不断提高，或许一分钟内成型将不会是空谈。

二、12种碳纤维复合材料成型工艺

1.手糊成型--湿法铺层成型法

        在模具工作面上涂敷脱模剂、胶衣，将剪裁好的碳纤维预浸布铺设到模具工作面上，刷涂或喷涂树脂体系胶液，达到需要的厚度后，成型固化、脱模。在制备技术高度发达的今天，手糊工艺仍以工艺简便、投资低廉、适用面广等优势在石油化工容器、贮槽、汽车壳体等许多领域广泛应用。其缺点是质地疏松、密度低，制品强度不高，而且主要依赖于人工，质量不稳定，生产效率很低。

手糊成型示意图

2.喷射成型工艺

         属于手糊工艺低压成型中的一类，使用短切纤维和树脂经过喷枪混合后，压缩空气喷洒在模具上，达到预定厚度后，再手工用橡胶锟按压，然后固化成型。为改进手糊成型而创造的一种半机械化成型工艺，在工作效率方面有一定程度的提高，但依然满足不了大批量生产，用以制造汽车车身、船身、浴缸、储罐的过渡层。

复合材料喷射成型工艺示意图

3.层压成型

        将逐层铺叠的预浸料放置于上下平板模之间加压加温固化，这种工艺可以直接继承木胶合板的生产方法和设备，并根据树脂的流变性能，进行改进与完善。层压成型工艺主要用来生产各种规格、不同用途的复合材料板材。具有机械化和自动化程度高、产品质量稳定等特点，但是设备一次性投资大。

碳纤维复合材料层压板

4.缠绕成型

        将经过树脂胶液浸渍的连续纤维或布带按一定规律缠绕到芯模上，然后固化、脱模成为复合材料制品的工艺。碳纤维缠绕成型可充分发挥其高比强度、高比模量以及低密度的特点，制品结构单一，可用于制造圆柱体、球体及某些正曲率回转体或筒形碳纤维制品。

5.拉挤成型

        将浸渍树脂胶液的连续碳纤维丝束、带或布等，在牵引力的作用下，通过挤压模具成型、固化，连续不断地生产长度不限的型材。拉挤成型是复合材料成型工艺中的一种特殊工艺，其优点是生产过程可完全实现自动化控制，生产效率高。拉挤成型制品中纤维质量分数可高达80%，浸胶在张力下进行，能充分发挥增强材料的作用，产品强度高，其制成品纵、横向强度可任意调整，可以满足制品的不同力学性能要求。该工艺适合于生产各种截面形状的型材，如工字型、角型、槽型、异型截面管材以及上述截面构成的组合截面型材，碳纤维复合芯导线主要采用这种成型工艺。

碳纤维复合芯导线

6.液态成型

        将液态单体合成为高分子聚合物，再从聚合物固化反应为复合材料的过程改为直接在模具中同时一次完成，既减少了工艺过程中的能量消耗，又缩短了模塑周期（只需约2分钟便可完成一件制品）。但这种工艺的应用，必须以精确的管道输送和计量以及温度压力自动控制为基础，属于高分子材料和近代高新科学技术的交叉范畴，目前的应用还不是很广。液态成型主要包括：RTM成型工艺、RFI成型、VARI成型。

         树脂膜渗透(RFI)成型工艺示意图如下。主要优点是模具比RTM工艺模具简单，树脂沿厚度方向流动，更容易浸润纤维，没有预浸料，成本较低。但所得制品尺寸精度和表面质量不如RTM工艺，空隙含量较高，效率也稍微低一些，适合生产大平面或简单曲面的零件。

RFI成型工艺示意图

        真空辅助成型工艺(VARI)的示意图如下，这种方法的优点是原材料利用率高，制件修整加工量少，不需要预浸料，成本较低，适用于常温或温度不高的大型壁板结构件生产。但缺点和RFI成型工艺相似。    

VARI成型工艺示意图

7.真空热压罐

        将单层预浸料按预定方向铺叠成的复合材料坯料放在热压罐内，在一定温度和压力下完成固化过程。热压罐是一种能承受和调控一定温度、压力范围的专用压力容器。坯料被铺放在附有脱模剂的模具表面，然后依次用多孔防粘布(膜)、吸胶毡、透气毡覆盖，并密封于真空袋内，再放入热压罐中。加温固化前先将袋抽真空，除去空气和挥发物，然后按不同树脂的固化制度升温、加压、固化。固化制度的制定与执行是保证热压罐成型制件质量的关键。该种成型工艺适用于制造飞机舱门、整流罩、机载雷达罩，支架、机翼、尾翼等产品。

这种方法使用较多，主要优点是：

（1）制品尺寸稳定，重复性好；

（2）纤维体积含量高（60%-65%）；

（3）力学性能可靠；

（4）几乎可成型所有的材料；

（5）可固化不同厚度的层合版；

（6）可制造复杂曲面的零件。

但也存在以下不足：

（1）制件大小受热压罐尺寸限制；

（2）周期长、生产效率低；

（3）耗能高，运行成本高。

8.真空导入

        简称VIP，在模具上铺“干”碳纤维复合材料，然后铺真空袋，并抽出体系中的真空，在模具腔中形成一个负压，利用真空产生的压力把不饱和树脂通过预铺的管路压入纤维层中，让树脂浸润增强材料，最后充满整个模具，制品固化后，揭去真空袋材料，从模具上得到所需的制品。该工艺在1950年就出现了专利记录，但在近几年才得到发展。在真空环境下树脂浸润碳纤，制品中产生的气泡极少，制品的强度更高、质量更轻，产品质量比较稳定，而且降低了树脂的损耗，仅用一面模具就可以得到两面光滑平整的制品，能较好地控制产品厚度。一般应用于船艇工业中的方向舵、雷达屏蔽罩，风电能源中的叶片、机舱罩，汽车工业中的各类车顶、挡风板、车厢等。

9.模压成型

        将碳纤维预浸料置于上下模之间，合模将模具置于液压成型台上，经过一定时间的高温高压使树脂固化后，取下碳纤维制品。这种成型技术具有高效、制件质量好、尺寸精度高、受环境影响小等优点，适用于批量化、强度高的复合材料制件的成型。但前期模具制造复杂，投入高，制件大小受压机尺寸的限制。

预浸料基材的成型工艺

预浸料模压成型（Prepreg Compression Molding）主要流程示意图

        另外片状模塑料（Sheet Molding Compound，SMC）模压成型工艺、长碳纤维增强热塑性材料（Long Carbon Fiber Reinforced Thermolplastics，CF-LFT）注塑成型工艺也得到了广泛应用。

        SMC由树脂糊浸渍纤维或短切纤维毡，两面覆盖聚乙烯薄膜而制成的片状模压料，属于预浸毡料范围。SMC成型效 率高、产品的表面光洁度好、外形尺寸稳定性好，且成型周期短、成本低，适合大批量生产，适合生产截面变化不太大的薄壁制品，在GFRP汽车部件生产领域已得到广泛应用。目前，在车用CFRP成型工艺方面，SMC主要用于片状短切纤维复合材料的生产，由于纤维的非连续性，制品强度不高，且强度具有面内各向同性特点。而碳纤维在树脂糊中的润湿性是SMC工艺面临的重要课题，通过对碳纤维进行必要的表面处理，并采用适当的润湿分散剂能够有效提高碳纤维在树脂糊中的润湿性和均匀性。碳纤维SMC也在汽车工业领域获得了不少应用。

SMC的参考工艺流程

        模压工艺在欧美虽然已经有相当长的应用历史，但是在国内依然是应用性很强的一种碳纤维成型工艺，在工业的承力结构件制造方面有不可取代的地位，由于树脂含量可控，纤维浸润性好，成品碳纤维含量较高，因此强度表现优异，精准的制件尺寸，较短的成型周期，良好的生产环境，能满足年产量5-8万件的规模性生产。我国高铁某车型应用的一款碳纤维结构件在无锡威盛新材量产，采用预埋加模压的工艺，成型后不仅解决了金属与碳纤维连接难的问题，而且确保了制件的机械强度，据高铁制造商方面反馈，这种质轻、强度大、耐老化、使用寿命长的碳纤维结构件不仅达到了他们的预期效果，而且他们从应用结果推断，使用模压成型工艺的碳纤维还可以适用于更多的产品，例如高铁车辆内部的装饰件、扶手、车身附件等。

10. 3iTech感应加热

         一种将感应器集成在模具中的新型感应加热工艺，可以在20℃-400℃的温度下加工碳纤维，通过热传导利用集成在模具内部的感应器来加热模具表面。这是由新兴企业RocTool公司在Cage系统上推出的补充技术，采用电磁感应可以迅速加热模具，并能很好地控制局部温度。其优势是显著减少了周期时间和部件成本。但是目前该种技术尚不适合大型部件，而且相关的产量必须足够大。

11. 树脂转移模塑成形 （RTM）

         树脂转移模塑成形（RTM：Resin Transfer Molding）技术是一种低成本复合材料的制造方法，最初主要用于飞机次承力结构件，如舱门和检查口盖。1996年，美国防务预研局开展了高强度主承力构件的低成本RTM 制造技术研究。RTM技术具有高效、低成本、制件质量好、尺寸精度高、受环境影响小等优点，可应用于体积大、结构复杂、强度高的复合材料制件的成型，已经成为近几年航空航天材料加工领域研究最为活跃的方向之一。

原理简介

        RTM工艺的主要原理是在模腔（模腔需要预先制作成特定尺寸）中铺放按性能和结构要求设计的增强材料预成形体，在一定压力范围内，采用注射设备将专用树脂体系注入闭合模腔，通过树脂与增强体的浸润固化成型。模具具有周边密封和紧固以及注射及排气系统，以保证树脂流动顺畅并排出模腔中的全部气体和彻底浸润纤维；同时具有加热系统，可加热固化成形复合材料构件。它是一种不采用预浸料，也不采用热压罐的成形方法。

工艺示意图

        目前主要的派生技术是真空导入模塑工艺(VIMP：Vacuum Infusion Molding Process)、柔性辅助RTM和共注射RTM。这些技术在保留了传统的RTM工艺可浸渍成型带有夹芯、加筋、预埋件的大型构件等优势的基础上，具有生产构件范围广、产品质量稳定、易与其他编织工艺相结合和低成本的制造优势。此外高压Resin transfer molding (HP-RTM)采用预成型件、钢模、真空辅助排气，高压注射和高压下完成高性能热固性复合材料的浸渍和固化工艺，实现低成本、短周期（大批量）、高质量生产。

传统RTM成型工艺示意图 HP-RTM成型工艺示意图 HP-RTM成型流程

HP-RTM主要优点：

① 树脂快速充满模腔。②改善了树脂浸渍增强材料的质量。③加速树脂反应性系统可以获得短的固化周期。④对空气的排除和产品的孔隙减少具有重大意义。⑤产品具有卓越的表面性能和质量。⑥产品的厚度和三维形状尺寸偏差低。⑦具有高的工艺稳定性和重复性。 ⑧使用内脱模剂和自清洁系统。

HP-RTM需要满足以下要求：

① 很好的材料和很高的另件性能。②另件的表面质量要求非常高。③短的加工周期。④有条件有能力使用快速固化树脂。⑤具备大规模化的工业生产能力。

HP-RTM工艺装备

虽然RTM成型工艺的优点很多，但也存在以下不足：①闭合磨具密封要求高，前期费用高；②树脂和纤维直接有空隙，注入树脂前需要加热，预成型体在放入模具时位置要恰到好处。

12.注塑成型

        这是一种新型技术，伯乐CIML设备将传统的“多步法”工艺集成为“一步法”，大大缩短了工艺流程，并且更好地保留了纤维长度，达到节能高效生产的目的。通过攻克材料-装备-制造中的配方优化、混配系统、智能控制系统和成型工艺参数优化等一系列关键技术问题，完全满足汽车轻量化对制品强度、成本、效率等方面的需求，堪称为汽车轻量化量身打造的装备利器。

伯乐塑机CIML工艺示意图

参考资料：

[1] https://www.sohu.com/a/165244973_777213

[2] http://www.sohu.com/a/74530286_232483

[3] https://wenku.baidu.com/view/359ca266b207e87101f69e3143323968011cf4b1.html