碳纤维复合材料的成型工艺与应用研究

王军

摘 要：碳纤维复合材料近几年来逐渐出现在大众的视野中，并且担当了社会生产生活中的重要材料，在很多领域应用比较广泛，比如：航天航空、汽车制造、体育用品等。本文主要围绕着碳纤维复合材料及其成型工艺展开叙述。

關键词：碳纤维复合材料;成型工艺;应用研究

0 引言

人与自然和谐发展的重要性越来越被广大群众认可，在绿色环保的理念指导下，环保类型材料的研究、开发已经成为了工业主流。复合材料无论在环保方面还是在使用性能方面都占有绝对优势，拥有更加广阔的发展空间。

1 碳纤维复合材料概述

碳纤维复合材料，顾名思义是指一种含碳量超过90%的无机纤维，经过有机纤维的氧化处理、碳化处理以及重要的石墨化处理后得到的，在具备碳材料优越的品质：耐高温、耐腐蚀且导热的同时又具有纤维的优良性能，柔软、重量轻。无论是在碳材料方面还是纤维材料方面都具有创新性。一般来说。碳纤维复合材料的抗拉强度是钢材料的七倍到九倍之间，而其自身的重量却只有钢材料的1/4，可以说是新时代的高性能材料。复合材料在较之自然材料的物化性能，生产效率更高而生产成本更低，因此，未来的发展前景较好。制作碳纤维复合材料的过程比较简单，只需在碳纤维中加入树脂、金属、混凝土以及陶瓷等物品便可对碳纤维进行性能的定向加强，使其具有更好的性能。经过长时间的发展，碳纤维复合材料将会成为取代传统金属材料在航天航空领域以及汽车制造领域的使用，成为最具发展潜力的优秀新兴材料。

2 碳纤维复合材料传统成型工艺

根据制作原理和制作方法可以将传统成型工艺大致分成三类：热压罐成型、拉挤成型、缠绕成型。下面将对这三种制作方法进行详细介绍：

2.1 热压罐成型

热压罐成型的制作原理主要是利用热压罐中的高温、在进行气体压缩时对加工的材料进行加热加压，帮助材料形成理想中的固体形态。热压罐成型的制作方法是目前已知的三种制作方法中应用最为广泛的，主要制作以树脂为主要成分的碳纤维复合材料，利用树脂材料的热性能进行形状加固和定型。目前我国超过80%的碳纤维符合材料是通过该种加工原理完成的，这样制作出来的产品具有性能稳定、孔隙率较低以及纤维在材料中分布比较均匀等优秀特点。但是在使用热压罐成型制作方法的过程中，热能和其他不可再生能源随之消耗且无法再次利用，导致能源的利用率低，因而造成生产效率低下。

2.2 拉挤成型

拉挤成型，顾名思义是对碳纤维符合材料通过设备的拉伸和挤压以及其他设备的配合作业，完成拉长和挤压项目，使得碳纤维复合材料达到理想中的长度和宽度。目前在对碳纤维复合材料进行拉挤时，需要对碳纤维复合材料进行预热，再加上树脂浸泡，使后续工作的挤压和拉伸变得更加容易。这种方式的制作方法在工作的过程中同样需要大量的能源做支持，为牵引和拉伸设备提供动能。除了能源消耗大，能源的利用率低外，拉挤成型只能进行生产线性产品的做工，且灵活度不高。但是其对碳纤维原材料的利用率较高，能够生产出更优质、含碳量更高的复合材料。

2.3 缠绕成型

缠绕成型主要是通过将复合材料加热后缠绕到模具表面的方式，在复合材料冷却后逐层粘合，形成预期形状的复合材料构件。在缠绕的过程中，需要对模具不断进行加热，保持高温度，保持碳纤维复合材料较强的可塑性，逐渐缠绕各个缠绕层之间的联系紧密。通过这种方式制作出来的复合材料构件自动化、机械化程度比较高，但是生产的成本却较高，生产灵活性不足。缠绕成型工艺的主要优点在于可以通过改变碳纤维复合材料的缠绕方向和材料之间的联系强度，充分发挥碳纤维的强度优势，并且在制作的过程中可以实现机械化，解放了人力。但是在制作具有凹面的零部件比较麻烦，无法为其提供完全匹配的模具，同时缠绕的成本较高。总之，工厂在进行复合材料加工和制作之前，一定要考虑好各种实际情况和因素，保证工厂在花费较少的前提下，生产出品质优良、高性能的复合材料构件。

3 碳纤维复合材料新型成型工艺

与传统成型工艺不同，新型成型工艺主要采用化学原理进行碳纤维材料的加工和制作。比如：自动纤维铺放成型、电子成型、激光固结成型、超声波、3D打印成型等。

3.1 电子成型

电子成型是指在释放高能电子束的过程中，实现碳纤维材料的物化转变，达到对原材量变形的要求。因此电子成型又被称为电子束固结成型工艺。电子成型工艺与上述提到的传统工艺相比，提高了能源利用率，没有消耗过多的能源实现复合材料的转变，其次还降低了在传统工艺中通过加热对碳纤维复合材料性能的消耗，使得整个工艺操作过程的成本消耗较低，能源耗用较少，是目前比较提倡的绿色环保生产方式之一的环境友好型工艺。该种工艺原理主要应用在基底树脂上，通过对其进行拉伸和挤压，实现对最终生产成品的抗拉性、抗老化、韧性等性能的提高。

3.2 激光固结成型

在当前的制造行业中，使用激光进行原材料或者产品的变形和固话已经成为了一种可行的方法，该方法已经基本上取代了传统热源，大幅度减少了能源消耗，提高了生产效率。由于这种方法的对能源的利用率很高，而且制造出的产品性能很好，因此多被用于航空航天领域，为飞机尾翼等部位进行碳纤维复合材料产品的加工，激光固结成型也有很广阔的发展空间。

3.3 自动纤维铺放成型

这种工艺是从传统工艺中的缠绕成型发展和改变来的，可以分为自动纤维丝铺放技术和自动纤维带铺放技术，该技术主要用于航天领域。尽管自动纤维丝铺放技术和自动纤维带铺放技术同属于自动纤维铺放技术，但是使用的范围和方法却迥乎不同。前者主要用于在复杂形状双曲机构件，比如机身、机翼等融合体的制备;而后者主要应用在小曲率的曲面构件，比如飞机的翼面、壁板等。这两种技术虽然应用的领域有所差别，但是都具有生产效率较高、自动化程度高、易于数字设计等的优点，因此在国内外得到了广泛的认可和发展。

3.4 3D打印成型

3D打印技术是近几年高科技发展带来的产物，主要通过数字化控制系统，构造三维材料实体，以此代替以往传统和部分新型的制作工艺和技术，同时与其他制作过程和方法相比，3D打印技术具有自动化高、智能化高一级精确化高的特点。因此，3D打印技术一经问世便得到了广泛的认可，在各行各业领域中都涉及到了3D打印技术，也包括利用3D打印技术进行碳纤维复合材料的制作，增强碳纤维的热塑性和其他预期增强的性能。在使用的技术中，最广泛使用的就是：激光烧结和熔融沉积成型技术。前者主要是利用激光在提前规定好的路径上将粉末材料烧结，逐步形成累积制备的三维结构构件，主要应用在短切类型的碳纤维复合材料中。

例如：华中科技大学曾先利用化学沉积制备出复合材料的粉末，并将其与碳纤维、聚酰亚胺树脂相互混合，最后通过激光烧结技术制备碳纤维复合材料，这样制备出来的材料含碳量达到50%以上，具有较高的生产效率。

而熔融沉积成型技术的基本工作理念是先利用打印机头部加热熔融树脂，在按照以往设计的路径进行单层结构的堆砌，逐步形成累积后的三维结构部件，这种技术主要应用在连续碳纤维复合材料的制备上，这样制备出的复合材料具有较高的抗性和其他优秀性能。但是同样也可应用于短切碳纤维复合材料。

近年来，3D打印技术已经无法满足大众日益增长的需求，随之而来的就是4D打印技术的发展。这种技术是通过3D打印制造时间产生变化的物质。虽然目前还未被广泛应用，但该技术却在生物传感器执行器以及人工肌肉方面有很大的应用前景。

4 总结

碳纤维复合材料既有碳材料的优秀品质，同时也包含了纤维材料柔软、可拉伸的优良性能，因此在制造业中具有较大的发展前景，已经逐渐代替传统的工业材料在航空、汽车制造以及其他领域的应用。这种复合材料的会随着发展展现出更卓越的性能。

参考文献：

[1]黄杰.碳纤维复合材料的成型工艺探索[J].中国科技投资，2018（32）：202.

[2]马睿.碳纤维复合材料的注塑成型数学模拟研究[J].合成材料老化与应用，2019，48（4）：83-86.