杏彩体育平台碳纤维 P5：CFRP成型工艺

　　碳纤维复合材料是指至少有一种增强材料是碳纤维的复合材料。无论形态如何，连续纤维或者短纤维，单向或者多项、编织或者非编织，都是碳纤维复合增强材料。碳纤维可以与不同的基体材料（如树脂、陶瓷等）进行复合，形成各种不同的复合材料。其中最常见的是树脂基碳纤维复合材料（CFRP）。

　　根据成型过程中对模具的使用情况将成型方法分为开模成型（手糊成型、喷射成型、缠绕成型、热压罐成型等）、对模成型（树脂传递成型，模压成型，注塑成型，真空袋成型）和其他成型方法（板材层压，连续拉挤成型）三大类。一般来说， 如果产品尺寸较小，但是需要数量多，最好采用模压成型等可以机械化连续生产的成型方法，如果产品尺寸大、形状特殊，但是需要数量小，可以采用手糊法、热压罐法等，介于两者之间可以采用树脂传递成型法，管道、高压罐等回转体类的部件特别适用于缠绕法。

　　手糊成型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。是最早被使用的成型方法之一，是所有成型方法的出发点，不需要特殊装备，工艺简便、投资低廉、成型的产品和大小自由度高， 因而至今仍是很多复合材料制品的首选成型方法。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。

　　喷射成型法属于手糊工艺低压成型中的一类，先用切断装置将纤维切断后，通过喷枪将短切纤维与树脂混合后喷射在模具上，使其均匀地沉积在模具上，达到预定厚度后，再手工用橡胶锟按压，然后固化成型，算是手糊成型法的一种机械化、省力化的一种改进手段，，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，但是不适用与航空航天等需要高性能材料的应用领域。

　　为了提高手糊成型法中产品的厚度精度和表面品质，在用预浸料等制备成的层合板上加保护膜，然后将其置入模具并在一定温度和压力下硬化的成型方法。杏彩体育平台模压成型最基本的是冲压。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。各种延伸和发展出来的新成型技术，有真空袋成型、压力袋成型、热压罐成型等技术。

　　其中热压罐成型是最早开发用于航空结构复合材料制造并仍普遍使用的一种技术，特别是针对于一些大尺寸、形状复杂的制件，工艺流程为：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。具有可固化不同厚度的层合板、可制造复杂曲面零件、使用范围广泛、工艺稳定可靠等优点，但也存在设备投资成本高、工艺生产成本高、制品大小受热压罐尺寸限制等缺点，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。

　　纤维缠绕成型法（filament winding, FW）可以更大程度地发挥补强纤维的强度。将连续纤维束在液体树脂中浸渍后，缠绕在模芯上，常温或在炉内加热硬化，脱模后即得产品（湿法缠绕）。与此相对的则是干法缠绕，即使用相应的预浸料再加热的同时进行缠绕。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，如钓鱼竿、高尔夫旗杆以及各种工业用管材、压力容器制品、火箭喷嘴等，也可以用于多边形的飞机部件、风车叶轮等复杂断面物体的成型。

　　树脂转移模塑成型(Resin Transfer Molding)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。它是一种不采用预浸料，也不采用热压罐的低成本复合材料成形方法。

　　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，近几年成为航空航天材料加工、汽车组件装配领域研究最为活跃的方向之一。

　　RTM技术的优点是能够制造高质量、高精度、低孔隙率和高纤维含量的复杂复合材料组件，并且可以在不使用胶衣树脂的情况下获得光滑的双面；产品设计到生产时间短，生产效率高；可以用CAD设计，易于制作模具，材料选择范围广泛；成型的构件和管件易于实现局部补强或局部加厚构件的制造，具有芯材的复合材料可一次成型；成型过程中挥发较少，有利于保护工人和生产环境。目前普遍用于自行车和划艇外壳部件的批量生产。

　　RTM派生技术有真空导入模塑工艺、柔性辅助RTM、共注射RTM及高压RTM (HPRTM) 等。其中，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， 宝马在德国兰茨胡特工厂的碳纤维车身生产便是采用该工艺。

　　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。产品具有强度高、重量轻、易装饰、表面质量好等特点，适用于多种类型的运动设备和相关应用，如钓鱼杆、弓、杆、滑雪杆等。

　　航空设备制造企业JAMCO公司开发出的先进挤压成型（advanced pultrusion, ADP） 技术，是用碳纤维预浸料连续拉挤成型，理论上可以获得任意长度的CFRP材料杏彩体育平台碳纤维 P5：CFRP成型工艺。这种技术由于可以实现自动化的连续成型，因而加工效率高成本低，可以获得品质优良、内部孔隙率极低并且具有精确尺寸的产品。ADP技术特别适用于具有一定的断面形状（如 C、H、L、Ω等），且长度方向要求非常直的部件的成型，比如客机的主翼、垂直和水平尾翼等。目前，其产品已用于空客A300系列各型号飞机的垂直尾翼以及在A380中用于作为承力结构的二层地板。

　　主要用于短纤维增强热塑性树脂，将调制好的树脂/短纤维混合物等储存在储罐中，在重力的作用下进入套筒，套筒外壁的加热装置将温度加热到树脂的熔点以上，并且螺杆的高速剪切也会产生大量的热量加速树脂的软化和熔解。在螺杆的作用下，物料被集中在套筒的前端，通过喷嘴将其摄入模具，冷却脱模后即可获得成品。目前注塑成型比冲压成型等技术更容易应对复杂形状成型，尺寸精度也很好，容易实现自动化。但由于螺杆的高速转动会对纤维造成一定的损伤，且难以控制纤维的取向性，因此只能获得各向同性的产品。即使如此，注塑成型仍然非常适合具有大规模生产要求，且对力学性能要求不是很严苛的CFRP部件的成型，例如汽车前端板的加工等。

　　在纤维缠绕成型工艺的基础上发展起来的全自动制造技术，是自动铺丝成型（automated fiber placement, AFP）技术和自动窄带铺放成型（automated tape layer, ATL）技术的统称。通过实现自动化和高速化，完成对大型复合材料部件的成型，提高生产效率、降低生产成本。目前，航空航天领域内最大的单一复合材料部件就是通过ATL技术来生产的。由于能够对大型部件一次成型，这也减少了部件的组装成本。正是由于自动铺放技术的出现，CFRP复合材料在商用客机上的规模化应用才能够成为现实。

　　复材工艺会随着技术的发展和市场的拓宽而改变。风电碳纤维的成型技术最早是采用经典的预浸料铺放，这种方法昂贵，且存在生产效率低下， 产品性能差等问题。后来，借鉴玻璃纤维的工艺方法，多层织物真空灌注，但是碳纤维相比玻纤拥有较好的浸润性，导致碳纤维织物在制作的过程中必须留出树脂的流道，这就导致织物需要特殊的技术，带来了昂贵的成本，另外，织物很难保证在树脂的冲击之下，纤维的直线度，这就直接影响了复合材料的性能。当VESTAS采用了便于大规模生产的拉挤板之后，风电叶片采用碳纤维的用量飞速增长，因为这个技术路线体现了之前工艺不具备的性价比。目前，随着整个风电行业向大型化风机发展，世界各国均开始研发相应的拉挤碳梁技术以应对日益增长的市场需求。

　　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)成型工艺的主要优点是模具比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。

　　真空辅助成型工艺(VARI)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。

　　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。

　　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。

　　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。