碳纖維復合材料在發(fā)揮其輕質高強的基礎上，會根據應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量，從而降低整體的加工成本。很多用戶都希望復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浸布鋪設到模具工作面上，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、汽車殼體等許多領域廣泛應用。其缺點是質地疏松、密度低，制品強度不高，而且主要依賴于人工，質量不穩(wěn)定，生產效率很低。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過噴槍混合后，壓縮空氣噴灑在模具上，達到預定厚度后，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，用以制造汽車車身、船身、浴缸、儲罐的過渡層。

復合材料噴射成型工藝示意圖

將逐層鋪疊的預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方法和設備，并根據樹脂的流變性能，進行改進與完善。層壓成型工藝主要用來生產各種規(guī)格、不同用途的復合材料板材。具有機械化和自動化程度高、產品質量穩(wěn)定等特點，但是設備一次性投資大。

碳纖維復合材料層壓板

將經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，制品結構單一，可用于制造圓柱體、球體及某些正曲率回轉體或筒形碳纖維制品。

碳纖維復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)不斷地生產長度不限的型材。拉擠成型是復合材料成型工藝中的一種特殊工藝，其優(yōu)點是生產過程可完全實現自動化控制，生產效率高。拉擠成型制品中纖維質量分數可高達80%，浸膠在張力下進行，能充分發(fā)揮增強材料的作用，產品強度高，其制成品縱、橫向強度可任意調整，可以滿足制品的不同力學性能要求。該工藝適合于生產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成的組合截面型材，碳纖維復合芯導線主要采用這種成型工藝。

碳纖維復合芯導線

將液態(tài)單體合成為高分子聚合物，再從聚合物固化反應為復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，屬于高分子材料和近代高新科學技術的交叉范疇，目前的應用還不是很廣。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，沒有預浸料，成本較低。但所得制品尺寸精度和表面質量不如RTM工藝，空隙含量較高，效率也稍微低一些，適合生產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，不需要預浸料，成本較低，適用于常溫或溫度不高的大型壁板結構件生產。但缺點和RFI成型工藝相似。

VARI成型工藝示意圖

將單層預浸料按預定方向鋪疊成的復合材料坯料放在熱壓罐內，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，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量的關鍵。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）幾乎可成型所有的材料；

（5）可固化不同厚度的層合版；

（6）可制造復雜曲面的零件。

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，在模具上鋪“干”碳纖維復合材料，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壓，利用真空產生的壓力把不飽和樹脂通過預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，制品中產生的氣泡極少，制品的強度更高、質量更輕，產品質量比較穩(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，能較好地控制產品厚度。一般應用于船艇工業(yè)中的方向舵、雷達屏蔽罩，風電能源中的葉片、機艙罩，汽車工業(yè)中的各類車頂、擋風板、車廂等。

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

預浸料基材的成型工藝

預浸料模壓成型（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，屬于預浸氈料范圍。SMC成型效 率高、產品的表面光潔度好、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，適合生產截面變化不太大的薄壁制品，在GFRP汽車部件生產領域已得到廣泛應用。目前，在車用CFRP成型工藝方面，SMC主要用于片狀短切纖維復合材料的生產，由于纖維的非連續(xù)性，制品強度不高，且強度具有面內各向同性特點。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，并采用適當的潤濕分散劑能夠有效提高碳纖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)領域獲得了不少應用。

SMC的參考工藝流程

模壓工藝在歐美雖然已經有相當長的應用歷史，但是在國內依然是應用性很強的一種碳纖維成型工藝，在工業(yè)的承力結構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，因此強度表現優(yōu)異，精準的制件尺寸，較短的成型周期，良好的生產環(huán)境，能滿足年產量5-8萬件的規(guī)模性生產。我國高鐵某車型應用的一款碳纖維結構件在無錫威盛新材量產，采用預埋加模壓的工藝，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，據高鐵制造商方面反饋，這種質輕、強度大、耐老化、使用壽命長的碳纖維結構件不僅達到了他們的預期效果，而且他們從應用結果推斷，使用模壓成型工藝的碳纖維還可以適用于更多的產品，例如高鐵車輛內部的裝飾件、扶手、車身附件等。

一種將感應器集成在模具中的新型感應加熱工藝，可以在20℃-400℃的溫度下加工碳纖維，通過熱傳導利用集成在模具內部的感應器來加熱模具表面。這是由新興企業(yè)RocTool公司在Cage系統(tǒng)上推出的補充技術，采用電磁感應可以迅速加熱模具，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。但是目前該種技術尚不適合大型部件，而且相關的產量必須足夠大。

樹脂轉移模塑成形（RTM：Resin Transfer Molding）技術是一種低成本復合材料的制造方法，最初主要用于飛機次承力結構件，如艙門和檢查口蓋。1996年，美國防務預研局開展了高強度主承力構件的低成本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(huán)境影響小等優(yōu)點，可應用于體積大、結構復雜、強度高的復合材料制件的成型，已經成為近幾年航空航天材料加工領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（模腔需要預先制作成特定尺寸）中鋪放按性能和結構要求設計的增強材料預成形體，在一定壓力范圍內，采用注射設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)，可加熱固化成形復合材料構件。它是一種不采用預浸料，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是真空導入模塑工藝(VIMP：Vacuum Infusion Molding Process)、柔性輔助RTM和共注射RTM。這些技術在保留了傳統(tǒng)的RTM工藝可浸漬成型帶有夾芯、加筋、預埋件的大型構件等優(yōu)勢的基礎上，具有生產構件范圍廣、產品質量穩(wěn)定、易與其他編織工藝相結合和低成本的制造優(yōu)勢。此外高壓Resin transfer molding (HP-RTM)采用預成型件、鋼模、真空輔助排氣，高壓注射和高壓下完成高性能熱固性復合材料的浸漬和固化工藝，實現低成本、短周期（大批量）、高質量生產。

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量。
加速樹脂反應性系統(tǒng)可以獲得短的固化周期。
對空氣的排除和產品的孔隙減少具有重大意義。
產品具有卓越的表面性能和質量。
產品的厚度和三維形狀尺寸偏差低。
具有高的工藝穩(wěn)定性和重復性。
使用內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)模化的工業(yè)生產能力。

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，伯樂CIML設備將傳統(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)和成型工藝參數優(yōu)化等一系列關鍵技術問題，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

以下是復合材料主要成型工藝的匯總，未來隨著設備的改進和技術的優(yōu)化，很多方法也會陸續(xù)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）模壓料生產工藝；
（11）ZMC模壓料注射技術；
（12）模壓成型工藝；
（13）層合板生產技術；
（14）卷制管成型技術；
（15）纖維纏繞制品成型技術；
（16）連續(xù)制板生產工藝；
（17）澆鑄成型技術；
（18）拉擠成型工藝；
（19）連續(xù)纏繞制管工藝；
（20）編織復合材料制造技術；
（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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