碳纤维复合材料成型技术探讨

李凯凯 王瑞星 许兆宁 朱华

【摘要】随着纤维增强树脂基复合材料发展，成型技术更加成熟，本文结合工作实践，简要对喷射成型技术、模压成型技术、缠绕成型技术、树脂传递模塑成型技术、热压罐成型技术等碳纤维复合材料成型技术进行了探讨，以为复合材料成型生产提供参考。

【关键词】复合材料;碳纤维;成型技术

纤维增强树脂基复合材料发展到现在，成型技术已经发展成熟，复合材料的加工技术有20多种。虽然技术种类较多，但都是在同一基础上根据不同的材料特点和使用要求不断衍生出来的。碳纤维具备质量轻、强度大的特点，可以根据不同应用场景下碳纤维复合材料的使用要求来选择不同的成型技术，在发挥材料性能优势的基础上综合考虑生产成本来选择成型生产技术。本文拟结合工作实践，选择几种常用的生产成型技术作一探讨。

1 喷射成型技术

碳纤维复合材料成型技术最原始最常用的手糊成型，就是在模具工作面上涂敷脱模剂、胶衣，将剪裁好的碳纤维布（或毡）铺设到模具工作面上，再刷涂树脂，用刷子、压辊或刮刀压挤使其均匀浸胶排除气泡，然后再铺放下一层纤维布（或毡）并涂刷树脂，如此反复到需要的厚度后，成型固化、脱模。由于手糊技术简便、投资低廉、适用面广，在石油化工容器、贮槽、壳体等许多领域广泛应用。喷射成型是为改进手糊成型技术而创造的一种半机械化成型技术，它是利用短切纤维和树脂混合，在喷枪中利用压缩空气将纤维和树脂均匀喷洒在模具表面上，达到所需厚度后，利用橡胶辊来回压平，最后固化成型（喷射成型流程见图1）。在生产效率方面有一定的提高，多用来制造船身、浴缸、储罐的过渡层等。

2 模压成型技术

模压成型技术是將材料置于上下模之间，在液压机的压力和温度作用下使材料充满模具型腔并排出残留的空气，经过一定时间的高温高压使树脂固化后，脱模即可得到碳纤维制品（见图2）。模压技术是应用性很强的一种碳纤维成型技术，在工业的承力结构件制造方面有不可取代的地位。模压技术细分可分为预浸料模压、SMC模压、湿法模压等。其中，预浸料模压成型工艺基本过程是：将一定量经一定预处理的模压料放入预热的模具内，施加较高的压力使模压料填充模腔。在一定的压力和温度下使模压料逐渐固化，然后将制品从模具内取出，再进行必要的辅助加工即得产品。

3 缠绕成型技术

缠绕成型技术是将连续的纤维丝或布带经过树脂槽浸润之后挤去多余树脂，然后按照预先设计好的排布规律缠绕到芯模上，缠绕到设计厚度之后，进行固化、脱模成为复合材料制品。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，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。

4 树脂传递模塑成型技术

树脂传递模塑成型是低粘度树脂在闭合模具中流动、浸润增强材料并固化成形的一种技术技术，属于复合材料的液体成形或结构液体成形技术范畴。其具体方法是在设计好的模具中，预先放入经合理设计、剪裁或经机械化预成形的增强材料，模具需有周边密封和紧固，并保证树脂流动顺畅;闭模后注入定量树脂，待树脂固化后即可脱模得到所期望产品。HP-RTM、VARTM、L-RTM等均属于该技术改进成型方法。

5 拉挤成型技术

拉挤成型技术是将浸渍过树脂胶液的碳纤维丝束、带或布等原材料，在牵引力的牵引下，通过挤压模具加热成型、固化，连续不断地生产截面规格相同、长度不同的碳纤维型材。复合材料拉挤成型技术是成型技术中的一种特殊技术，其显著特点是可完全实现生产过程的自动化，生产效率高，具备批量化生产的能力。拉挤成型制品强度高，其制成品横、纵向强度可任意调整，可满足碳纤维复合材料制品的不同力学性要求。此种成型技术适合于生产各种截面形状的型材，如工字型、角型、槽型、异型等截面管材以及通过上述截面构成的组合截面型材等。

6 热压罐成型技术

热压罐成型技术是将预浸料按预设方向铺叠成的预成型体在封装之后放入热压罐内，在一定预设温度和压力下完成固化。热压罐是一种能够承受和调整一定范围内温度、压力的专用容器。预浸料铺放在涂有脱模剂的模具表面，然后再依次用脱模布、吸胶毡、隔离膜、透气毡完全覆盖，并密封在真空袋内，经过抽真空检验密封性之后，再放入热压罐内。在放入热压罐加温固化之前需要抽真空，然后在热压罐高温、加压的作用下固化成型。固化技术参数的制定与执行是保证热压罐成型复合材料产品质量的关键。此种技术适用于制造对力学性能要求较高的承力结构件，如整流罩、飞机舱门、机载雷达罩，支架、机翼、尾翼等产品。

以上通过结合常用的碳纤维复合材料成型技术原理探讨了几种碳纤维复合材料成型技术。事实上，碳纤维复合材料的成型用到的技术还有很多种，比如：真空袋压成型技术、夹层结构成型技术、层压成型技术、卷管成型技术、热塑性片状模塑料制造技术及冷模冲压成型技术等。每一种成型技术都有这自身的特点和优势，工程技术人员应该针对不同产品选择合适的技术技术路线，力求做到成本和性能要求的最高性价比。

参考文献：

[1]陈刚.热缩塑料在复合材料成型工艺中的应用.塑料科技，2017（5）：7.

作者简介：

李凯凯（1976-），男，山东烟台人，大学本科，高级工程师，中石化胜利石油分公司东辛采油厂。