纤维增强树脂基复合材料制造技术研究进展

王振林，孙 浩，何 芳，文颖慧，崔彧菁，董杰涛，赵立伟

（1.哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，黑龙江 哈尔滨150060；2.黑龙江省科学院 石油化学研究院，黑龙江 哈尔滨150040）

前 言

随着经济的快速发展，现代制造业更新升级不断加速，作为高强度、高性能、轻量化的新材料的主导者，纤维材料掀起了一场新材料领域的革命，在现代先进复合材料制备中发挥了不可替代的作用，被视为21 世纪最具有生命力的新型材料。将树脂和纤维进行有机结合得到的一类复合材料称作纤维增强树脂基复合材料（简称FRP）。纤维增强树脂基复合材料已经成为继铝合金、钛合金之后在航空航天及军工等高技术领域最重要的结构材料之一。此外，纤维增强树脂基复合材料应用领域也逐渐扩大，在机械制造、医疗器械、电子电器、建筑材料等民用领域也有较多应用。先进复合材料在航空航天领域具有非常重要的战略意义，是发展先进航天器和飞机不可缺少的关键材料，而先进复合材料的制造技术水平则制约着复合材料的应用。

本文将从树脂基复合材料出发，总结介绍近年来国内外纤维增强树脂基复合材料成型制造技术的发展现状、工艺特点，介绍纤维增强树脂基复合材料制造技术的研究热点。先进纤维增强树脂基复合材料的成型属于设计制造一体化，易于大面积整体成型，其成型工艺较多，目前主要使用的有模压成型、模塑成型、热压罐成型、缠绕成型、自动丝束铺放成型、拉挤成型、增材制造技术等。

1 模压成型

模压成型（Compression Molding）又称压缩模塑，是将纤维增强复合材料的预浸料（或纤维、树脂混合物）在模具中铺展叠放，然后加热熔融，再以相应的压力压制，保压冷却成型脱模[1]。模压成型包括两种成型工艺：固态模压成型（又称干法成型）和流动态模压成型（又称湿法成型）。

张鑫玉等人[2]进行了复合材料螺旋桨整体模压成型模具设计技术研究。在现有模具设计的基础上，研究并设计出一种整体成型的复合材料螺旋桨模具,有效解决了分体成型时的装配误差、粘接强度低等技术难题。随和[3]以某汽车衣帽架主体为研究对象，提出了一种内饰件模压成型模具的轻量化设计流程及方法，对模具凸凹模结构进行了轻量化设计，在保证模具结构刚度和强度前提下，减少质量15.6%。Kim 等人[4]采用有限元分析软件，对长纤维增强预浸料的整个压缩成型过程进行了数值模拟，估算了流动分析过程中的填充时间和纤维分布，分析了热残余应力和纤维取向引起的固化变形，模拟结果与实验结果比较，两者吻合较好。谢怀勤等人[5]根据固化动力学和热传导理论，建立了非稳态温度场和固化动力学数学模型；利用有限单元与有限差分相结合的方法，建立了温度场和固化度数值模型，在此基础上编制了计算机程序，对聚合物基复合材料模压过程温度场与固化度动态变化进行了数值模拟。王贵彬等人[6]对某运动器材的碳纤维复合材料加固件模压成型过程进行有限元模拟和分析，为复合材料产品及其模具设计提供了优化设计依据。

2 模塑成型

模塑成型工艺主要包括树脂传递模塑成型（Resin Transfer Molding，简称RTM）和树脂膜熔融浸渍成型（Resin Film Infusion，简称RFI）两种类型[7]。

近年来出现了各种RTM 的改进和变形工艺，如真空辅助RTM、压缩RTM、树脂渗透模塑、真空渗透法、结构反应注射模塑、真空辅助树脂注射等10 多种方法。RTM 工艺具有高度灵活性，制品质量高，可生产高质量复杂形状制品，适用的增强材料多种多样，工艺过程环保且自动化适应性强，并具有模塑压力小、原材料利用率高的特点[8]。

RFI 工艺是从RTM 法中孕育出来的，主要用于成型高性能复合材料，尤其适合制造大型制件，如空中客车公司A380 飞机的圆顶、波音公司的大型机翼等。RFI 工艺具有诸多优点，比如基体树脂贮存条件要求宽泛，产品运输便捷；使用到的模具结构简单，基于该技术得到的产品质量高；此外还可用于制造复杂的大型结构件。但是能满足RFI 工艺要求的基体树脂很少[9]。Lawrence 等人[10]利用充型模拟工具，在传感器和执行器的帮助下，建立了一种设计和控制方法，识别流动扰动，并重新引导树脂流动，从而成功地完成充型过程，通过传感器的反馈，可以自动且主动地控制树脂的流动，使所有的纤维完全浸渍而不受过程中的干扰。Devillard 等人[11]使用过程模型和仿真以及传感和控制策略来处理低扰动的方法，在虚拟环境中，通过选择性地放置传感器来识别干扰的位置，并有策略地打开和关闭辅助门来引导树脂流浸渍所有纤维，可以显著提高成功率。Luo 等人[12]在建立RTM 虚拟制造(仿真)模型的基础上，结合神经网络遗传算法优化，将仿真模型用于预测树脂的流动模式和加工效率。Geng 等人[13]为了研究树脂在弯曲区域的浸渍行为，开发了一种分析方法来评估压力损失系数和总体渗透率变化。这种分析方法为预测弯曲模具上的树脂流动过程提供了一种可靠而简明的方法，仿真结果与实验结果吻合较好。

研究人员围绕树脂膜制备及树脂膜性能研究、工艺过程模拟仿真、复合材料性能研究等内容，对RFI 工艺方法展开了较为广泛的研究。管清宝等人[14]采用超支化聚硅氧烷（HBPSi）改性O,O’-二烯丙基双酚/双马来酰亚胺-三嗪（BD-CE）树脂体系，制备了适宜于RFI 成型工艺的树脂体系并采用RFI 工艺制备玻璃纤维增强复合材料。Alfred 和John 等人[15]建立了一个分析模型，用于模拟单一叶片加筋板的RFI 工艺过程。利用加筋板模拟结果，研究了压实压力对树脂总渗透时间的影响，并讨论了温度、树脂黏度以及浸润和固化过程中的固化程度的模型预测。Joohyuk 等人[16]使用半固化热固性树脂膜对RFI 工艺进行了数值分析，他们建立了纤维压缩和树脂黏度的数学模型。

3 热压罐成型

热压罐成型工艺（Autoclave Processing）是将复合材料毛坯、蜂窝夹芯结构或胶接结构用真空袋密封在模具上，置于热压罐中，在真空（或非真空）状态下，经过升温、加压、保温（中温或高温）、降温和卸压等过程，使其成为所需要的形状和质量的成型工艺方法[17]。现已经发展成熟的技术有真空袋成型法、压力袋成型法和双真空袋成型法。

在国内外航空航天领域，热压罐成型工艺主要用于大尺寸、外形较复杂的航空、航天FRP 构件的制造，如蒙皮件、肋、框、各种壁板件、地板及整流罩。此外，热压罐成型技术还被广泛应用于先进复合材料结构、蜂窝夹层结构及金属或复合材料胶接结构的成型中。热压罐成型工艺过程中罐内压力、空气温度均匀，保证了制品受热均匀，适用范围较广；模具相对简单，效率高，适合大面积复杂型面的蒙皮、壁板和壳体的成型；此外，成型工艺稳定可靠，制品尺寸精度高，且制品的纤维体积含量高、强度好、质量轻[18]。但是热压罐投资成本及维护费用高，随着复合材料构件的整体尺寸越来越大，所需的热压罐尺寸跟着加大，这是制约它进一步扩大应用的主要障碍之一。

提高铺层效率、降低成本是碳纤维增强树脂基复合材料热压罐成型技术的主要难点和研究重点，通过优化固化工艺路线，使其向着能源节约型、环境友好型、效率最大化方向发展是未来的发展方向[19]。热压罐成型工艺的控制是至关重要的，研究者认为通过优化零件、工装在罐内的合理布局，是目前工艺设计的趋势，也是降低复合材料制造成本的重要途径。数值模拟能够对复合材料热压罐工艺过程和最终零件外形质量进行预测分析，通过建立数值模拟方法来有效指导工艺、工装的设计与优化等，也成为研究热点之一。刘望子等人[20]以窄腔翻边复合材料蒙皮为研究对象，采用热压罐成型工艺方法，选取Invar 钢框架模成型，能够减少固化中热容带来的残余应力释放，减少零件变形。Ucan 等人[21]提出一种以“Masterbox”作为热压罐工艺的在线控制系统，可借助有效的传感器和调节器，实现碳纤维增强树脂基复合材料固化工艺的智能优化。向炳东等人[22]基于Fluent 软件建立了考虑树脂固化反应放热的温度场分析方法，并选取圆筒结构典型位置的温度变化历程对仿真结果的有效性进行了验证，研究结果对实际生产中圆简结构的热压罐固化成型工艺优化有一定的指导意义。李彩林[23]利用PAMAUTOCLAVE 软件平台，建立分析模型，利用数值计算方法模拟热压罐内多物理场耦合情况，利用可视化研究方法，展示了罐内有效区域的流场和温度场分布。此外，以热压罐为基础，相关衍生的工艺如热压罐/VARI 组合工艺也成为了研究热点。

4 纤维缠绕成型

纤维缠绕成型工艺（Filament Winding Technology）是指通过丝嘴与模具间的相对运动，将连续纤维或带经过树脂浸胶后，或者采用预浸胶纤维或带，按照一定的规律缠绕到芯模上，然后在加热或常温下固化，通过一系列处理最后制成一定形状的制品的一种生产工艺。

由于其机械自动化程度高、效率高以及稳定性好的特点，纤维缠绕技术成为复合材料制造工艺中最重要的手段之一。纤维缠绕技术制造的产品被广泛应用于航天航空器材以及民用玻璃钢管、储罐等。纤维缠绕成型也存在缺点，沿制品轴向铺设纯纵向纤维较为困难，限制了它在某些结构类管状制品的应用；缠绕得到的制品呈各向异性，层间剪切强度低；而且受限于机器和设备，不能进行任意结构件的成型。纤维缠绕成型工艺可分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕三种工艺。广大研究人员针对纤维缠绕成型树脂基体研发、缠绕成型构件形状设计、缠绕工艺优化等内容开展了系列研究。

李默宇等人[24]针对制备高性能碳纤维缠绕复合材料的要求，进行了适合于T-800、T-700 碳纤维复合材料缠绕成型的树脂基体的研究。张鹏等人[25]针对菱形图案，建立了菱形图案网格结构缠绕线型的数学模型，分析了螺旋肋的布满规律，改进了环向肋的缠绕方法，提出了环向肋与螺旋肋同时缠绕的多丝嘴缠绕方案。Henninger 等人[26]将一种新的浸渍轮浸渍技术与纤维缠绕的工艺组合，提出了一种纤维束在线熔融浸渍与纤维缠绕直接结合的新工艺，具有浸渍速度较高结构紧凑、质量较轻且易于操作的特点。韩振宇等人[27]提出了纤维缠绕CAD/CAM 系统的总体方案，并对其中缠绕数学模型、线型优化、丝嘴轨迹生成等重要组成部分进行了分析与研究，为CAD/CAM 系统的开发奠定了理论基础。Luca 等人[28]介绍了一种将自动化系统和先进的加工设备与纤维缠绕成型技术结合的方法，制造复杂形状结构件的创新技术—机械纤维缠绕成型（Robotic Filament Winding，简称RFW）。RFW 包含一个工业机器人，它们适用于在操作过程中沿着零件所受的应力方向铺贴胶带，在过程控制、可重复性和制造时间等方面表现出优势，RFW 能扩展到复杂轨迹的生成。

5 自动丝束铺放成型技术

复合材料自动丝束铺放成型技术，也称为纤维铺放技术，可分为自动铺带技术（Automated Tape Layer，简称ATL）和纤维自动铺放技术（即自动铺丝技术，Automated Fiber Placement，简称AFP）[29]。

自动铺带技术最早起源于美国，第一台数控龙门式自动铺带机由美国Vought 公司于20 世纪60年代研制成功。经过30 多年的发展，美国自动铺带技术已经发展到第五代，开发了多铺带头和针对特定构件的专用化铺带机。自动铺丝技术是由美国Boeing、Hercules 等公司于20 世纪80 年代在纤维缠绕技术和铺带技术的基础上发展起来。自动铺放技术是复合材料成型向自动化转变的标志，可以将预浸带剪裁、定位、铺叠、压实等功能通过自动化手段集成于一体，并实现工艺参数控制和质量检测的自动化。自动铺带与自动铺丝的优点主要是自动化高速成形、质量可靠，尤其适用于大型复合材料构件制造，其中自动铺带主要用于小曲率或单曲率构件（如翼面、柱／锥面）的自动铺叠。由于预浸带较宽，以高效率见长，而自动铺丝侧重于实现复杂形状的双曲面（如机身、翼身融合体及S 进气道等），适应范围宽[30]。自动铺带缺点是应用被限制在小曲率多平面等场合，因为在复杂曲面上进行铺放时极易出现褶皱、翘曲等缺陷。自动铺丝的主要缺点是成型效率要低于自动铺带且对轨迹规划具有更高的要求。

Pitchumani 等人[31]介绍了热塑性铺放成型工艺过程，通过建立理论模型，成功描述了成型过程对层间结合和层间空隙的影响。Tumkor 等人[32]研究了成型工艺参数对热塑性层合构件质量的影响，并利用计算机绘出了温度分布图。李志猛等人[33]建立了热塑性碳纤维预浸丝铺放过程中二维温度场分布的模型，利用ANSYS 对整个铺放过程热量的瞬态热传导进行了仿真，得到复合材料构件在整个铺放过程中温度场分布及其随时间的变化。黄当明[34]采用自动铺带运动仿真技术，实现铺带风险预判，提高铺叠效率和铺带操作的安全性，通过使用VERICUT 软件自主开发运动仿真软件，优化程序控制，实现实时显示铺带图形功能。李金键等人[35]研究了基于纤维铺放技术的光纤智能复合材料自动化制造工艺，将光纤的植入过程与纤维丝束铺放过程相结合，实现光纤智能复合材料的自动制造。

6 拉挤成型

拉挤成型（Pultrusion）是指在牵引设备的作用下，将浸渍树脂的连续纤维或其织物通过模具加热使树脂固化生产复合材料型材的工艺方法。拉挤成型工艺作为一种自动化连续生产的复合材料成型工艺方法，类似于金属的挤出工艺，其最大特点是连续成型，制品长度不受限制[36]。

拉挤成型技术起源于美国，早在1951 年就有利用液态聚合物浸渍纤维来生产钓鱼竿的专利。玻璃纤维原丝连续毡的面世，解决了拉挤制品横向强度问题，有可能制成各种截面、形状的拉挤型材，此后拉挤成型技术高速发展。从国外发展趋势看来，拉挤成型是向着生产大型产品，改进现有的设备，提高产品外观质量和横向强度等方面发展。传统拉挤成型原材料利用率高，树脂／纤维含量可精确控制，生产效率高，适于大批量生产，制造长尺寸的产品，制品长度可随意控制，加工成本相对较低；此外，纤维呈纵向且体积比较高（40%～80%），因而拉挤型材轴向力学性能非常好，制品质量稳定，外观平滑，具有高强、轻量的特点[37]。

对于拉挤成型工艺，固化阶段是影响制品的关键环节，需外热源加热模具从而达到热固性树脂固化反应的温度条件，而树脂在固化反应过程中会释放出大量热量，从而影响复合材料内部非稳态温度场。因此为改善拉挤成型工艺，针对固化阶段的研究成为一个热点。此外，随着计算机技术和专业分析软件技术的发展，模拟仿真技术进入到拉挤成型研究领域。

卢少微等人[38]对玻璃纤维增强塑料拉挤成型非稳态温度场与固化度进行数值模拟，依据固化动力学和非稳态导热理论，建立了温度场和固化度动力学模型。利用有限元与有限差分相结合的方法，建立温度场和固化度数值模型。Carlone 等人[39]采用有限差分法对拉挤成形过程进行仿真，提出单形法与遗传算法相结合的混合方法，提高了零件的尺寸精度。Chen 等人[40]采用有限元、有限差分和间接解耦相结合的方法求解碳纤维增强复合材料杆件的拉挤成型工艺控制方程。通过实验数据验证了仿真结果，开发了优化拉挤速度和模具温度的程序。Silva等人[41]提出了一种内部安装加热器的模具结构。目标是增加现有安排的数目，并找出最佳排布，尽量减少能源消耗。采用基于计算流体动力学（CFD）和随机优化算法（粒子群算法）的数值方法进行优化。

7 增材制造技术

增材制造技术（Additive Manufacturing），又称快速成型技术（Rapid Prototyping）、3D 打印技术（3D Printing），其采用“离散－堆积”原理，以数字模型为基础，高度集成CAD/CAE/CAM 技术，使材料逐点累积形成面，逐面累积成体，按照逐层累加材料的方法制造实体物品，是一种新兴制造技术[42]。

增材制造技术密切结合了信息网络技术与先进材料技术、数字制造技术，是先进制造业的重要组成部分，由于增材制造的多功能化特点，在汽车、航天、生物医学等领域的应用越来越广泛。因此，增材制造技术被荣称为“具有第三次工业革命重要标志意义”的制造技术，西方发达国家将其列为战略发展的关键技术。增材制造技术发展至今，按照其成型机理主要分为叠层实体制造、选择性激光烧结技术、立体光固化技术、熔融沉积成型技术四种。针对适用于增材制造的纤维增强复合材料、打印机及打印喷头设计、3D 打印的连续性路径规划算法、4D打印技术等内容，研究者开展了大量研究。

谭瑞诗等人[43]对碳纤维长纤复合材料3D 打印过程的成型路径进行合理规划，提出方向可调的“Z”字填充算法，采用填充角度动态可调的平行线扫描填充方式，并将相关联交线按照奇偶原则连接，减少跳转，实现路径连续最大化。Nanya 等人[44]提出了一种新型的三维打印方法，该方法考虑了负载传输路径和连续碳纤维增强长丝的各向异性特性，沿荷载传递路径铺设碳纤维结构，大大降低了应力集中，达到了准各向同性的性能，可用于制备碳纤维增强尼龙复合材料的复杂结构。Wang 等人[45]提供了一种数值方法来研究在大面积增材制造聚合物复合沉积过程中螺杆旋流对预测纤维取向和相关有效弹性性能的影响。采用弱耦合分析方法，利用有限元法对聚合物熔体流动进行了数值模拟，模拟了聚合物LAAM 喷丝头熔体流动和纤维取向。随后出现的4D 打印技术，又在3D 打印技术的基础上增加了一个时间维度，使制品可以随外界环境发生相应变化[46]。

将增材制造技术与纤维增强复合材料相结合，取长补短，发挥各自的优势，为低成本、高效能、绿色制造提供了可能[47]。也为纤维增强复合材料产品的简洁化、轻量化、高强化设计和制造提供了实现路径，在材料利用率方面有了较大提高，同时也降低了设备及能源消耗率，因此具有广阔的发展前景[48]。

8 结论与展望

先进的纤维树脂基复合材料已经成为一类最重要的航空航天结构材料，而复合材料的制造技术是制约材料应用的重要因素。未来的主要发展方向是复合材料结构向整体化、制造工艺的机械自动化、工艺过程的智能化以及材料的环保高效循环再利用化。

生产制造复合材料的模块化结构，可大大减少复合材料构件内和构件间的连接，简化制造过程、提升制造效率、提高质量。大型复合材料结构件成型模具的开发可以提高大型构件的精度及质量。应高度重视大型复合材料构件成型模具技术，以支撑大型复合材料构件的高效研制。将先进的计算机技术、模拟仿真技术和纤维树脂基复合材料制造进行紧密联系，采用仿真手段能够大幅减少材料和能源消耗，通过智能化方式，建立数值模拟来有效指导工艺过程，可以大幅减少试验次数，降低研发成本、缩短研发周期。当前对于环境友好材料的要求日益突出，实现纤维树脂基复合材料高效循环再利用是重要的研究目标。