碳纖維復(fù)合材料在發(fā)揮其輕質(zhì)高強的基礎(chǔ)上，會根據(jù)應(yīng)用對象的差異采用不同的成型工藝，從而盡可能地發(fā)揮出碳纖維所具有的特殊性能。成型工藝改進、優(yōu)化的目的主要是提高效率和制品質(zhì)量，從而降低整體的加工成本。很多用戶都希望復(fù)合材料的成型工藝能像通信行業(yè)那樣，擺脫2G，從3G邁入4G（+），再到5G時代，那究竟能否實現(xiàn)這種速的飛躍呢？一起來看看吧！

從2G到5G

在模具工作面上涂敷脫模劑、膠衣，將剪裁好的碳纖維預(yù)浸布鋪設(shè)到模具工作面上，刷涂或噴涂樹脂體系膠液，達到需要的厚度后，成型固化、脫模。在制備技術(shù)高度發(fā)達的今天，手糊工藝仍以工藝簡便、投資低廉、適用面廣等優(yōu)勢在石油化工容器、貯槽、汽車殼體等許多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。其缺點是質(zhì)地疏松、密度低，制品強度不高，而且主要依賴于人工，質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)效率很低。小編以為這種神似燒烤動作的傳統(tǒng)工藝還是蠻適合DIY的。

屬于手糊工藝低壓成型中的一類，使用短切纖維和樹脂經(jīng)過噴槍混合后，壓縮空氣噴灑在模具上，達到預(yù)定厚度后，再手工用橡膠錕按壓，然后固化成型。為改進手糊成型而創(chuàng)造的一種半機械化成型工藝，在工作效率方面有一定程度的提高，但依然滿足不了大批量生產(chǎn)，用以制造汽車車身、船身、浴缸、儲罐的過渡層。

復(fù)合材料噴射成型工藝示意圖

將逐層鋪疊的預(yù)浸料放置于上下平板模之間加壓加溫固化，這種工藝可以直接繼承木膠合板的生產(chǎn)方法和設(shè)備，并根據(jù)樹脂的流變性能，進行改進與完善。層壓成型工藝主要用來生產(chǎn)各種規(guī)格、不同用途的復(fù)合材料板材。具有機械化和自動化程度高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等特點，但是設(shè)備一次性投資大。

碳纖維復(fù)合材料層壓板

將經(jīng)過樹脂膠液浸漬的連續(xù)纖維或布帶按一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后固化、脫模成為復(fù)合材料制品的工藝。碳纖維纏繞成型可充分發(fā)揮其高比強度、高比模量以及低密度的特點，制品結(jié)構(gòu)單一，可用于制造圓柱體、球體及某些正曲率回轉(zhuǎn)體或筒形碳纖維制品。

碳纖維復(fù)合材料纏繞成型介紹

將浸漬樹脂膠液的連續(xù)碳纖維絲束、帶或布等，在牽引力的作用下，通過擠壓模具成型、固化，連續(xù)不斷地生產(chǎn)長度不限的型材。拉擠成型是復(fù)合材料成型工藝中的一種特殊工藝，其優(yōu)點是生產(chǎn)過程可完全實現(xiàn)自動化控制，生產(chǎn)效率高。拉擠成型制品中纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)可高達80%，浸膠在張力下進行，能充分發(fā)揮增強材料的作用，產(chǎn)品強度高，其制成品縱、橫向強度可任意調(diào)整，可以滿足制品的不同力學(xué)性能要求。該工藝適合于生產(chǎn)各種截面形狀的型材，如工字型、角型、槽型、異型截面管材以及上述截面構(gòu)成的組合截面型材，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線主要采用這種成型工藝。

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線

將液態(tài)單體合成為高分子聚合物，再從聚合物固化反應(yīng)為復(fù)合材料的過程改為直接在模具中同時一次完成，既減少了工藝過程中的能量消耗，又縮短了模塑周期（只需約2分鐘便可完成一件制品）。但這種工藝的應(yīng)用，必須以精確的管道輸送和計量以及溫度壓力自動控制為基礎(chǔ)，屬于高分子材料和近代高新科學(xué)技術(shù)的交叉范疇，目前的應(yīng)用還不是很廣。液態(tài)成型主要包括：RTM成型工藝、RFI成型、VARI成型，其中RTM成型小編會在下文中專門提到。

樹脂膜滲透(RFI)成型工藝示意圖如下。主要優(yōu)點是模具比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(yù)浸料，成本較低。但所得制品尺寸精度和表面質(zhì)量不如RTM工藝，空隙含量較高，效率也稍微低一些，適合生產(chǎn)大平面或簡單曲面的零件。

RFI成型工藝示意圖

真空輔助成型工藝(VARI)的示意圖如下，這種方法的優(yōu)點是原材料利用率高，制件修整加工量少，不需要預(yù)浸料，成本較低，適用于常溫或溫度不高的大型壁板結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)。但缺點和RFI成型工藝相似。

VARI成型工藝示意圖

將單層預(yù)浸料按預(yù)定方向鋪疊成的復(fù)合材料坯料放在熱壓罐內(nèi)，在一定溫度和壓力下完成固化過程。熱壓罐是一種能承受和調(diào)控一定溫度、壓力范圍的專用壓力容器。坯料被鋪放在附有脫模劑的模具表面，然后依次用多孔防粘布(膜)、吸膠氈、透氣氈覆蓋，并密封于真空袋內(nèi)，再放入熱壓罐中。加溫固化前先將袋抽真空，除去空氣和揮發(fā)物，然后按不同樹脂的固化制度升溫、加壓、固化。固化制度的制定與執(zhí)行是保證熱壓罐成型制件質(zhì)量的關(guān)鍵。該種成型工藝適用于制造飛機艙門、整流罩、機載雷達罩，支架、機翼、尾翼等產(chǎn)品。 

這種方法使用較多，主要優(yōu)點是：

（1）制品尺寸穩(wěn)定，重復(fù)性好；

（2）纖維體積含量高（60%-65%）；

（3）力學(xué)性能可靠；

（4）幾乎可成型所有的材料；

（5）可固化不同厚度的層合版；

（6）可制造復(fù)雜曲面的零件。

但也存在以下不足：

（1）制件大小受熱壓罐尺寸限制；

（2）周期長、生產(chǎn)效率低；

（3）耗能高，運行成本高。

碳纖維預(yù)浸料熱壓罐工藝視頻介紹

簡稱VIP，在模具上鋪“干”碳纖維復(fù)合材料，然后鋪真空袋，并抽出體系中的真空，在模具腔中形成一個負(fù)壓，利用真空產(chǎn)生的壓力把不飽和樹脂通過預(yù)鋪的管路壓入纖維層中，讓樹脂浸潤增強材料，最后充滿整個模具，制品固化后，揭去真空袋材料，從模具上得到所需的制品。該工藝在1950年就出現(xiàn)了專利記錄，但在近幾年才得到發(fā)展。在真空環(huán)境下樹脂浸潤碳纖，制品中產(chǎn)生的氣泡極少，制品的強度更高、質(zhì)量更輕，產(chǎn)品質(zhì)量比較穩(wěn)定，而且降低了樹脂的損耗，僅用一面模具就可以得到兩面光滑平整的制品，能較好地控制產(chǎn)品厚度。一般應(yīng)用于船艇工業(yè)中的方向舵、雷達屏蔽罩，風(fēng)電能源中的葉片、機艙罩，汽車工業(yè)中的各類車頂、擋風(fēng)板、車廂等。

將碳纖維預(yù)浸料置于上下模之間，合模將模具置于液壓成型臺上，經(jīng)過一定時間的高溫高壓使樹脂固化后，取下碳纖維制品。這種成型技術(shù)具有高效、制件質(zhì)量好、尺寸精度高、受環(huán)境影響小等優(yōu)點，適用于批量化、強度高的復(fù)合材料制件的成型。但前期模具制造復(fù)雜，投入高，制件大小受壓機尺寸的限制。

預(yù)浸料基材的成型工藝

預(yù)浸料模壓成型（Prepreg Compression Molding）主要流程示意圖

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）注塑成型工藝也得到了廣泛應(yīng)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制成的片狀模壓料，屬于預(yù)浸氈料范圍。SMC成型效 率高、產(chǎn)品的表面光潔度好、外形尺寸穩(wěn)定性好，且成型周期短、成本低，適合大批量生產(chǎn)，適合生產(chǎn)截面變化不太大的薄壁制品，在GFRP汽車部件生產(chǎn)領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。目前，在車用CFRP成型工藝方面，SMC主要用于片狀短切纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)，由于纖維的非連續(xù)性，制品強度不高，且強度具有面內(nèi)各向同性特點。而碳纖維在樹脂糊中的潤濕性是SMC工藝面臨的重要課題，通過對碳纖維進行必要的表面處理，并采用適當(dāng)?shù)臐櫇穹稚┠軌蛴行岣咛祭w維在樹脂糊中的潤濕性和均勻性。碳纖維SMC也在汽車工業(yè)領(lǐng)域獲得了不少應(yīng)用。

SMC的參考工藝流程

模壓工藝在歐美雖然已經(jīng)有相當(dāng)長的應(yīng)用歷史，但是在國內(nèi)依然是應(yīng)用性很強的一種碳纖維成型工藝，在工業(yè)的承力結(jié)構(gòu)件制造方面有不可取代的地位，由于樹脂含量可控，纖維浸潤性好，成品碳纖維含量較高，因此強度表現(xiàn)優(yōu)異，精準(zhǔn)的制件尺寸，較短的成型周期，良好的生產(chǎn)環(huán)境，能滿足年產(chǎn)量5-8萬件的規(guī)模性生產(chǎn)。我國高鐵某車型應(yīng)用的一款碳纖維結(jié)構(gòu)件在無錫威盛新材量產(chǎn)，采用預(yù)埋加模壓的工藝，成型后不僅解決了金屬與碳纖維連接難的問題，而且確保了制件的機械強度，據(jù)高鐵制造商方面反饋，這種質(zhì)輕、強度大、耐老化、使用壽命長的碳纖維結(jié)構(gòu)件不僅達到了他們的預(yù)期效果，而且他們從應(yīng)用結(jié)果推斷，使用模壓成型工藝的碳纖維還可以適用于更多的產(chǎn)品，例如高鐵車輛內(nèi)部的裝飾件、扶手、車身附件等。

一種將感應(yīng)器集成在模具中的新型感應(yīng)加熱工藝，可以在20℃-400℃的溫度下加工碳纖維，通過熱傳導(dǎo)利用集成在模具內(nèi)部的感應(yīng)器來加熱模具表面。這是由新興企業(yè)RocTool公司在Cage系統(tǒng)上推出的補充技術(shù)，采用電磁感應(yīng)可以迅速加熱模具，并能很好地控制局部溫度。其優(yōu)勢是顯著減少了周期時間和部件成本。但是目前該種技術(shù)尚不適合大型部件，而且相關(guān)的產(chǎn)量必須足夠大。

樹脂轉(zhuǎn)移模塑成形（RTM：Resin Transfer Molding）技術(shù)是一種低成本復(fù)合材料的制造方法，最初主要用于飛機次承力結(jié)構(gòu)件，如艙門和檢查口蓋。1996年，美國防務(wù)預(yù)研局開展了高強度主承力構(gòu)件的低成本RTM 制造技術(shù)研究。RTM技術(shù)具有高效、低成本、制件質(zhì)量好、尺寸精度高、受環(huán)境影響小等優(yōu)點，可應(yīng)用于體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、強度高的復(fù)合材料制件的成型，已經(jīng)成為近幾年航空航天材料加工領(lǐng)域研究最為活躍的方向之一。

原理簡介

RTM工藝的主要原理是在模腔（模腔需要預(yù)先制作成特定尺寸）中鋪放按性能和結(jié)構(gòu)要求設(shè)計的增強材料預(yù)成形體，在一定壓力范圍內(nèi)，采用注射設(shè)備將專用樹脂體系注入閉合模腔，通過樹脂與增強體的浸潤固化成型。模具具有周邊密封和緊固以及注射及排氣系統(tǒng)，以保證樹脂流動順暢并排出模腔中的全部氣體和徹底浸潤纖維；同時具有加熱系統(tǒng)，可加熱固化成形復(fù)合材料構(gòu)件。它是一種不采用預(yù)浸料，也不采用熱壓罐的成形方法。

工藝示意圖

目前主要的派生技術(shù)是真空導(dǎo)入模塑工藝(VIMP：Vacuum Infusion Molding Process)、柔性輔助RTM和共注射RTM。這些技術(shù)在保留了傳統(tǒng)的RTM工藝可浸漬成型帶有夾芯、加筋、預(yù)埋件的大型構(gòu)件等優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，具有生產(chǎn)構(gòu)件范圍廣、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、易與其他編織工藝相結(jié)合和低成本的制造優(yōu)勢。此外高壓Resin transfer molding (HP-RTM)采用預(yù)成型件、鋼模、真空輔助排氣，高壓注射和高壓下完成高性能熱固性復(fù)合材料的浸漬和固化工藝，實現(xiàn)低成本、短周期（大批量）、高質(zhì)量生產(chǎn)。

傳統(tǒng)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主要優(yōu)點：
樹脂快速充滿模腔。
改善了樹脂浸漬增強材料的質(zhì)量。
加速樹脂反應(yīng)性系統(tǒng)可以獲得短的固化周期。
對空氣的排除和產(chǎn)品的孔隙減少具有重大意義。
產(chǎn)品具有卓越的表面性能和質(zhì)量。
產(chǎn)品的厚度和三維形狀尺寸偏差低。
具有高的工藝穩(wěn)定性和重復(fù)性。
使用內(nèi)脫模劑和自清潔系統(tǒng)。
HP-RTM需要滿足以下要求：
很好的材料和很高的另件性能。
另件的表面質(zhì)量要求非常高。
短的加工周期。
有條件有能力使用快速固化樹脂。
具備大規(guī)?；墓I(yè)生產(chǎn)能力。

HP-RTM工藝裝備

雖然RTM成型工藝的優(yōu)點很多，但也存在以下不足：閉合磨具密封要求高，前期費用高；樹脂和纖維直接有空隙，注入樹脂前需要加熱，預(yù)成型體在放入模具時位置要恰到好處。

HP-RTM成型工藝視頻介紹

這是一種新型技術(shù)，伯樂CIML設(shè)備將傳統(tǒng)的“多步法”工藝集成為“一步法”，大大縮短了工藝流程，并且更好地保留了纖維長度，達到節(jié)能高效生產(chǎn)的目的。通過攻克材料-裝備-制造中的配方優(yōu)化、混配系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)和成型工藝參數(shù)優(yōu)化等一系列關(guān)鍵技術(shù)問題，完全滿足汽車輕量化對制品強度、成本、效率等方面的需求，堪稱為汽車輕量化量身打造的裝備利器。

伯樂塑機CIML工藝示意圖

以下是復(fù)合材料主要成型工藝的匯總，未來隨著設(shè)備的改進和技術(shù)的優(yōu)化，很多方法也會陸續(xù)實現(xiàn)。

（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(shù)（RTM技術(shù)）；
（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(shù)；
（7）液壓釜法成型技術(shù)；
（8）熱膨脹模塑法成型技術(shù)；
（9）夾層結(jié)構(gòu)成型技術(shù)；
（10）模壓料生產(chǎn)工藝；
（11）ZMC模壓料注射技術(shù)；
（12）模壓成型工藝；
（13）層合板生產(chǎn)技術(shù)；
（14）卷制管成型技術(shù)；
（15）纖維纏繞制品成型技術(shù)；
（16）連續(xù)制板生產(chǎn)工藝；
（17）澆鑄成型技術(shù)；
（18）拉擠成型工藝；
（19）連續(xù)纏繞制管工藝；
（20）編織復(fù)合材料制造技術(shù)；
（21）熱塑性片狀模塑料制造技術(shù)及冷模沖壓成型工藝；
（22）注射成型工藝；
（23）擠出成型工藝；
（24）離心澆鑄制管成型工藝；
（25）其它成型技術(shù)。

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