12種碳纖維複合材料成型工藝，能否實現“速”的(de)飛躍！（附國(guó)外代表公司名單）

碳纖維複合材料在(zài)發揮其輕質高強的(de)基礎上(shàng)，會根據應用對象的(de)差異采用不(bù)同的(de)成型工藝，從而(ér)盡可能地(dì / de)發揮出(chū)碳纖維所具有的(de)特殊性能。成型工藝改進、優化的(de)目的(de)主要(yào / yāo)是(shì)提高效率和(hé / huò)制品質量，從而(ér)降低整體的(de)加工成本。很多用戶都希望複合材料的(de)成型工藝能像通信行業那樣，擺脫2G，從3G邁入4G（+），再到(dào)5G時(shí)代，那究竟能否實現這(zhè)種速的(de)飛躍呢？一(yī / yì ／yí)起來(lái)看看吧！

從2G到(dào)5G

在(zài)模具工作面上(shàng)塗敷脫模劑、膠衣，将剪裁好的(de)碳纖維預浸布鋪設到(dào)模具工作面上(shàng)，刷塗或噴塗樹脂體系膠液，達到(dào)需要(yào / yāo)的(de)厚度後，成型固化、脫模。在(zài)制備技術高度發達的(de)今天，手糊工藝仍以(yǐ)工藝簡便、投資低廉、适用面廣等優勢在(zài)石油化工容器、貯槽、汽車殼體等許多領域廣泛應用。其缺點是(shì)質地(dì / de)疏松、密度低，制品強度不(bù)高，而(ér)且主要(yào / yāo)依賴于(yú)人(rén)工，質量不(bù)穩定，生産效率很低。小編以(yǐ)爲(wéi / wèi)這(zhè)種神似燒烤動作的(de)傳統工藝還是(shì)蠻适合DIY的(de)。

屬于(yú)手糊工藝低壓成型中的(de)一(yī / yì ／yí)類，使用短切纖維和(hé / huò)樹脂經過噴槍混合後，壓縮空氣噴灑在(zài)模具上(shàng)，達到(dào)預定厚度後，再手工用橡膠锟按壓，然後固化成型。爲(wéi / wèi)改進手糊成型而(ér)創造的(de)一(yī / yì ／yí)種半機械化成型工藝，在(zài)工作效率方面有一(yī / yì ／yí)定程度的(de)提高，但依然滿足不(bù)了(le／liǎo)大(dà)批量生産，用以(yǐ)制造汽車車身、船身、浴缸、儲罐的(de)過渡層。

複合材料噴射成型工藝示意圖

将逐層鋪疊的(de)預浸料放置于(yú)上(shàng)下平闆模之(zhī)間加壓加溫固化，這(zhè)種工藝可以(yǐ)直接繼承木膠合闆的(de)生産方法和(hé / huò)設備，并根據樹脂的(de)流變性能，進行改進與完善。層壓成型工藝主要(yào / yāo)用來(lái)生産各種規格、不(bù)同用途的(de)複合材料闆材。具有機械化和(hé / huò)自動化程度高、産品質量穩定等特點，但是(shì)設備一(yī / yì ／yí)次性投資大(dà)。

碳纖維複合材料層壓闆

将經過樹脂膠液浸漬的(de)連續纖維或布帶按一(yī / yì ／yí)定規律纏繞到(dào)芯模上(shàng)，然後固化、脫模成爲(wéi / wèi)複合材料制品的(de)工藝。碳纖維纏繞成型可充分發揮其高比強度、高比模量以(yǐ)及低密度的(de)特點，制品結構單一(yī / yì ／yí)，可用于(yú)制造圓柱體、球體及某些正曲率回轉體或筒形碳纖維制品。

碳纖維複合材料纏繞成型介紹

将浸漬樹脂膠液的(de)連續碳纖維絲束、帶或布等，在(zài)牽引力的(de)作用下，通過擠壓模具成型、固化，連續不(bù)斷地(dì / de)生産長度不(bù)限的(de)型材。拉擠成型是(shì)複合材料成型工藝中的(de)一(yī / yì ／yí)種特殊工藝，其優點是(shì)生産過程可完全實現自動化控制，生産效率高。拉擠成型制品中纖維質量分數可高達80%，浸膠在(zài)張力下進行，能充分發揮增強材料的(de)作用，産品強度高，其制成品縱、橫向強度可任意調整，可以(yǐ)滿足制品的(de)不(bù)同力學性能要(yào / yāo)求。該工藝适合于(yú)生産各種截面形狀的(de)型材，如工字型、角型、槽型、異型截面管材以(yǐ)及上(shàng)述截面構成的(de)組合截面型材，碳纖維複合芯導線主要(yào / yāo)采用這(zhè)種成型工藝。

碳纖維複合芯導線

将液态單體合成爲(wéi / wèi)高分子(zǐ)聚合物，再從聚合物固化反應爲(wéi / wèi)複合材料的(de)過程改爲(wéi / wèi)直接在(zài)模具中同時(shí)一(yī / yì ／yí)次完成，既減少了(le／liǎo)工藝過程中的(de)能量消耗，又縮短了(le／liǎo)模塑周期（隻需約2分鍾便可完成一(yī / yì ／yí)件制品）。但這(zhè)種工藝的(de)應用，必須以(yǐ)精确的(de)管道(dào)輸送和(hé / huò)計量以(yǐ)及溫度壓力自動控制爲(wéi / wèi)基礎，屬于(yú)高分子(zǐ)材料和(hé / huò)近代高新科學技術的(de)交叉範疇，目前的(de)應用還不(bù)是(shì)很廣。液态成型主要(yào / yāo)包括：RTM成型工藝、RFI成型、VARI成型，其中RTM成型小編會在(zài)下文中專門提到(dào)。

樹脂膜滲透(RFI)成型工藝示意圖如下。主要(yào / yāo)優點是(shì)模具比RTM工藝模具簡單，樹脂沿厚度方向流動，更容易浸潤纖維，沒有預浸料，成本較低。但所得制品尺寸精度和(hé / huò)表面質量不(bù)如RTM工藝，空隙含量較高，效率也(yě)稍微低一(yī / yì ／yí)些，适合生産大(dà)平面或簡單曲面的(de)零件。

RFI成型工藝示意圖

真空輔助成型工藝(VARI)的(de)示意圖如下，這(zhè)種方法的(de)優點是(shì)原材料利用率高，制件修整加工量少，不(bù)需要(yào / yāo)預浸料，成本較低，适用于(yú)常溫或溫度不(bù)高的(de)大(dà)型壁闆結構件生産。但缺點和(hé / huò)RFI成型工藝相似。

VARI成型工藝示意圖

将單層預浸料按預定方向鋪疊成的(de)複合材料坯料放在(zài)熱壓罐内，在(zài)一(yī / yì ／yí)定溫度和(hé / huò)壓力下完成固化過程。熱壓罐是(shì)一(yī / yì ／yí)種能承受和(hé / huò)調控一(yī / yì ／yí)定溫度、壓力範圍的(de)專用壓力容器。坯料被鋪放在(zài)附有脫模劑的(de)模具表面，然後依次用多孔防粘布(膜)、吸膠氈、透氣氈覆蓋，并密封于(yú)真空袋内，再放入熱壓罐中。加溫固化前先将袋抽真空，除去空氣和(hé / huò)揮發物，然後按不(bù)同樹脂的(de)固化制度升溫、加壓、固化。固化制度的(de)制定與執行是(shì)保證熱壓罐成型制件質量的(de)關鍵。該種成型工藝适用于(yú)制造飛機艙門、整流罩、機載雷達罩，支架、機翼、尾翼等産品。 

這(zhè)種方法使用較多，主要(yào / yāo)優點是(shì)：

（1）制品尺寸穩定，重複性好；

（2）纖維體積含量高（60%-65%）；

（3）力學性能可靠；

（4）幾乎可成型所有的(de)材料；

（5）可固化不(bù)同厚度的(de)層合版；

（6）可制造複雜曲面的(de)零件。

但也(yě)存在(zài)以(yǐ)下不(bù)足：

（1）制件大(dà)小受熱壓罐尺寸限制；

（2）周期長、生産效率低；

（3）耗能高，運行成本高。

碳纖維預浸料熱壓罐工藝視頻介紹

簡稱VIP，在(zài)模具上(shàng)鋪“幹”碳纖維複合材料，然後鋪真空袋，并抽出(chū)體系中的(de)真空，在(zài)模具腔中形成一(yī / yì ／yí)個(gè)負壓，利用真空産生的(de)壓力把不(bù)飽和(hé / huò)樹脂通過預鋪的(de)管路壓入纖維層中，讓樹脂浸潤增強材料，最後充滿整個(gè)模具，制品固化後，揭去真空袋材料，從模具上(shàng)得到(dào)所需的(de)制品。該工藝在(zài)1950年就(jiù)出(chū)現了(le／liǎo)專利記錄，但在(zài)近幾年才得到(dào)發展。在(zài)真空環境下樹脂浸潤碳纖，制品中産生的(de)氣泡極少，制品的(de)強度更高、質量更輕，産品質量比較穩定，而(ér)且降低了(le／liǎo)樹脂的(de)損耗，僅用一(yī / yì ／yí)面模具就(jiù)可以(yǐ)得到(dào)兩面光滑平整的(de)制品，能較好地(dì / de)控制産品厚度。一(yī / yì ／yí)般應用于(yú)船艇工業中的(de)方向舵、雷達屏蔽罩，風電能源中的(de)葉片、機艙罩，汽車工業中的(de)各類車頂、擋風闆、車廂等。

将碳纖維預浸料置于(yú)上(shàng)下模之(zhī)間，合模将模具置于(yú)液壓成型台上(shàng)，經過一(yī / yì ／yí)定時(shí)間的(de)高溫高壓使樹脂固化後，取下碳纖維制品。這(zhè)種成型技術具有高效、制件質量好、尺寸精度高、受環境影響小等優點，适用于(yú)批量化、強度高的(de)複合材料制件的(de)成型。但前期模具制造複雜，投入高，制件大(dà)小受壓機尺寸的(de)限制。

預浸料基材的(de)成型工藝

預浸料模壓成型（Prepreg Compression Molding）主要(yào / yāo)流程示意圖

另外片狀模塑料（Sheet Molding Compound，SMC）模壓成型工藝、長碳纖維增強熱塑性材料（Long Carbon Fiber Reinforced Thermolplastics，CF-LFT）注塑成型工藝也(yě)得到(dào)了(le／liǎo)廣泛應用。

SMC由樹脂糊浸漬纖維或短切纖維氈，兩面覆蓋聚乙烯薄膜而(ér)制成的(de)片狀模壓料，屬于(yú)預浸氈料範圍。SMC成型效 率高、産品的(de)表面光潔度好、外形尺寸穩定性好，且成型周期短、成本低，适合大(dà)批量生産，适合生産截面變化不(bù)太大(dà)的(de)薄壁制品，在(zài)GFRP汽車部件生産領域已得到(dào)廣泛應用。目前，在(zài)車用CFRP成型工藝方面，SMC主要(yào / yāo)用于(yú)片狀短切纖維複合材料的(de)生産，由于(yú)纖維的(de)非連續性，制品強度不(bù)高，且強度具有面内各向同性特點。而(ér)碳纖維在(zài)樹脂糊中的(de)潤濕性是(shì)SMC工藝面臨的(de)重要(yào / yāo)課題，通過對碳纖維進行必要(yào / yāo)的(de)表面處理，并采用适當的(de)潤濕分散劑能夠有效提高碳纖維在(zài)樹脂糊中的(de)潤濕性和(hé / huò)均勻性。碳纖維SMC也(yě)在(zài)汽車工業領域獲得了(le／liǎo)不(bù)少應用。

SMC的(de)參考工藝流程

模壓工藝在(zài)歐美雖然已經有相當長的(de)應用曆史，但是(shì)在(zài)國(guó)内依然是(shì)應用性很強的(de)一(yī / yì ／yí)種碳纖維成型工藝，在(zài)工業的(de)承力結構件制造方面有不(bù)可取代的(de)地(dì / de)位，由于(yú)樹脂含量可控，纖維浸潤性好，成品碳纖維含量較高，因此強度表現優異，精準的(de)制件尺寸，較短的(de)成型周期，良好的(de)生産環境，能滿足年産量5-8萬件的(de)規模性生産。我國(guó)高鐵某車型應用的(de)一(yī / yì ／yí)款碳纖維結構件在(zài)無錫威盛新材量産，采用預埋加模壓的(de)工藝，成型後不(bù)僅解決了(le／liǎo)金屬與碳纖維連接難的(de)問題，而(ér)且确保了(le／liǎo)制件的(de)機械強度，據高鐵制造商方面反饋，這(zhè)種質輕、強度大(dà)、耐老化、使用壽命長的(de)碳纖維結構件不(bù)僅達到(dào)了(le／liǎo)他(tā)們的(de)預期效果，而(ér)且他(tā)們從應用結果推斷，使用模壓成型工藝的(de)碳纖維還可以(yǐ)适用于(yú)更多的(de)産品，例如高鐵車輛内部的(de)裝飾件、扶手、車身附件等。

一(yī / yì ／yí)種将感應器集成在(zài)模具中的(de)新型感應加熱工藝，可以(yǐ)在(zài)20℃-400℃的(de)溫度下加工碳纖維，通過熱傳導利用集成在(zài)模具内部的(de)感應器來(lái)加熱模具表面。這(zhè)是(shì)由新興企業RocTool公司在(zài)Cage系統上(shàng)推出(chū)的(de)補充技術，采用電磁感應可以(yǐ)迅速加熱模具，并能很好地(dì / de)控制局部溫度。其優勢是(shì)顯著減少了(le／liǎo)周期時(shí)間和(hé / huò)部件成本。但是(shì)目前該種技術尚不(bù)适合大(dà)型部件，而(ér)且相關的(de)産量必須足夠大(dà)。

樹脂轉移模塑成形（RTM：Resin Transfer Molding）技術是(shì)一(yī / yì ／yí)種低成本複合材料的(de)制造方法，最初主要(yào / yāo)用于(yú)飛機次承力結構件，如艙門和(hé / huò)檢查口蓋。1996年，美國(guó)防務預研局開展了(le／liǎo)高強度主承力構件的(de)低成本RTM 制造技術研究。RTM技術具有高效、低成本、制件質量好、尺寸精度高、受環境影響小等優點，可應用于(yú)體積大(dà)、結構複雜、強度高的(de)複合材料制件的(de)成型，已經成爲(wéi / wèi)近幾年航空航天材料加工領域研究最爲(wéi / wèi)活躍的(de)方向之(zhī)一(yī / yì ／yí)。

原理簡介

RTM工藝的(de)主要(yào / yāo)原理是(shì)在(zài)模腔（模腔需要(yào / yāo)預先制作成特定尺寸）中鋪放按性能和(hé / huò)結構要(yào / yāo)求設計的(de)增強材料預成形體，在(zài)一(yī / yì ／yí)定壓力範圍内，采用注射設備将專用樹脂體系注入閉合模腔，通過樹脂與增強體的(de)浸潤固化成型。模具具有周邊密封和(hé / huò)緊固以(yǐ)及注射及排氣系統，以(yǐ)保證樹脂流動順暢并排出(chū)模腔中的(de)全部氣體和(hé / huò)徹底浸潤纖維；同時(shí)具有加熱系統，可加熱固化成形複合材料構件。它是(shì)一(yī / yì ／yí)種不(bù)采用預浸料，也(yě)不(bù)采用熱壓罐的(de)成形方法。

工藝示意圖

目前主要(yào / yāo)的(de)派生技術是(shì)真空導入模塑工藝(VIMP：Vacuum Infusion Molding Process)、柔性輔助RTM和(hé / huò)共注射RTM。這(zhè)些技術在(zài)保留了(le／liǎo)傳統的(de)RTM工藝可浸漬成型帶有夾芯、加筋、預埋件的(de)大(dà)型構件等優勢的(de)基礎上(shàng)，具有生産構件範圍廣、産品質量穩定、易與其他(tā)編織工藝相結合和(hé / huò)低成本的(de)制造優勢。此外高壓Resin transfer molding (HP-RTM)采用預成型件、鋼模、真空輔助排氣，高壓注射和(hé / huò)高壓下完成高性能熱固性複合材料的(de)浸漬和(hé / huò)固化工藝，實現低成本、短周期（大(dà)批量）、高質量生産。

傳統RTM成型工藝示意圖

HP-RTM成型工藝示意圖

HP-RTM成型流程

HP-RTM主要(yào / yāo)優點：
樹脂快速充滿模腔。
改善了(le／liǎo)樹脂浸漬增強材料的(de)質量。
加速樹脂反應性系統可以(yǐ)獲得短的(de)固化周期。
對空氣的(de)排除和(hé / huò)産品的(de)孔隙減少具有重大(dà)意義。
産品具有卓越的(de)表面性能和(hé / huò)質量。
産品的(de)厚度和(hé / huò)三維形狀尺寸偏差低。
具有高的(de)工藝穩定性和(hé / huò)重複性。
使用内脫模劑和(hé / huò)自清潔系統。
HP-RTM需要(yào / yāo)滿足以(yǐ)下要(yào / yāo)求：
很好的(de)材料和(hé / huò)很高的(de)另件性能。
另件的(de)表面質量要(yào / yāo)求非常高。
短的(de)加工周期。
有條件有能力使用快速固化樹脂。
具備大(dà)規模化的(de)工業生産能力。

HP-RTM工藝裝備

雖然RTM成型工藝的(de)優點很多，但也(yě)存在(zài)以(yǐ)下不(bù)足：閉合磨具密封要(yào / yāo)求高，前期費用高；樹脂和(hé / huò)纖維直接有空隙，注入樹脂前需要(yào / yāo)加熱，預成型體在(zài)放入模具時(shí)位置要(yào / yāo)恰到(dào)好處。

HP-RTM成型工藝視頻介紹

這(zhè)是(shì)一(yī / yì ／yí)種新型技術，伯樂CIML設備将傳統的(de)“多步法”工藝集成爲(wéi / wèi)“一(yī / yì ／yí)步法”，大(dà)大(dà)縮短了(le／liǎo)工藝流程，并且更好地(dì / de)保留了(le／liǎo)纖維長度，達到(dào)節能高效生産的(de)目的(de)。通過攻克材料-裝備-制造中的(de)配方優化、混配系統、智能控制系統和(hé / huò)成型工藝參數優化等一(yī / yì ／yí)系列關鍵技術問題，完全滿足汽車輕量化對制品強度、成本、效率等方面的(de)需求，堪稱爲(wéi / wèi)汽車輕量化量身打造的(de)裝備利器。

伯樂塑機CIML工藝示意圖

以(yǐ)下是(shì)複合材料主要(yào / yāo)成型工藝的(de)彙總，未來(lái)随着設備的(de)改進和(hé / huò)技術的(de)優化，很多方法也(yě)會陸續實現。

（1）手糊成型工藝--濕法鋪層成型法；
（2）噴射成型工藝；
（3）樹脂傳遞模塑成型技術（RTM技術）；
（4）袋壓法（壓力袋法）成型；
（5）真空袋壓成型；
（6）熱壓罐成型技術；
（7）液壓釜法成型技術；
（8）熱膨脹模塑法成型技術；
（9）夾層結構成型技術；
（10）模壓料生産工藝；
（11）ZMC模壓料注射技術；
（12）模壓成型工藝；
（13）層合闆生産技術；
（14）卷制管成型技術；
（15）纖維纏繞制品成型技術；
（16）連續制闆生産工藝；
（17）澆鑄成型技術；
（18）拉擠成型工藝；
（19）連續纏繞制管工藝；
（20）編織複合材料制造技術；
（21）熱塑性片狀模塑料制造技術及冷模沖壓成型工藝；
（22）注射成型工藝；
（23）擠出(chū)成型工藝；
（24）離心澆鑄制管成型工藝；
（25）其它成型技術。

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