【专题综述】碳纤维复合材料的主要成型方法-江门市德山复合材料科技有限公司

碳纤维一般与母材（树脂等）组合后以复合材料的形态进行使用。根据最终产品的形态和特性，采用各种各样的成型方法（加工方法）。另外，以提高物性和外观、缩短成型时间等为目标，成型方法日趋完善。下面介绍具有代表性的碳纤维成型方法。

1、拉拔成型

也称为拉挤成型。这是将浸渍液态树脂的碳纤维引入和穿过模具，对其加热固化的连续成型法。适用于杆状、管状等具有一定截面形状的成型品。

优点：

• 连续生产：适合大批量连续生产，生产效率高。
• 自动化程度高：工艺过程易于实现自动化控制。
• 纤维含量高：可以获得较高的纤维含量，制品强度较高。

缺点：

• 制品形状单一：主要适用于制造简单形状的制品，如棒材、管材等。
• 设备投资较大：需要拉挤设备和模具的投入。

2、缠绕成型

这是将浸渍液态树脂的碳纤维丝束缠绕在心轴上之后，进行加热固化的成型法。有两种方法，一种是一边将碳纤维浸渍在树脂槽（浴槽）中一边进行卷绕的方法，另一种是将预先浸渍在树脂中的丝束材料进行卷绕的方法。适用于管状和罐状成型品。

优点：

• 纤维取向可控：可以通过缠绕方式实现对纤维取向的控制。
• 制品强度高：能够获得较高的纤维含量和较好的力学性能。
• 适合特定形状：特别适用于制造管状或柱状的制品。

缺点：

• 设备投资大：需要专门的缠绕设备和芯模。
• 限制制品尺寸：受到芯模尺寸的限制，不适用于大型制品。

3、RTM（树脂传递模塑成型）成型

这是在一对阴/阳的密封型模具中，配置碳纤维预成型件(将碳纤维预成型为产品形状的产品、织物等)，将液态树脂压入、浸渍、加热固化的方法。仅使用阴模在真空压力下固化的方法称为VaRTM成型(真空辅助RTM)。RTM适用于中小型，VaRTM适用于大中型的成型品。

优点：

• 成型效率高：可以实现快速成型，缩短生产周期。
• 成本相对较低：树脂的利用率高，浪费较少。
• 可设计性强：适用于制造大型复杂结构的制品。

缺点：

• 对模具要求高：模具需要具备良好的密封性能和导热性能。
• 工艺控制要求严格：树脂的注入和固化过程需要精确控制。

4、冲压成型

这是将预浸料或SMC等浸渍树脂的薄片层叠在模具上，一边施加压力一边加热固化的方法。三菱化学确立了基于高循环及预成型技术的PCM(预浸料模压)成型法，也可以与SMC材料进行混合成型。适用于大量生产品的成型方法。

优点：

• 生产效率高：适合大规模生产，成型速度较快。
• 制品性能稳定：可以保证制品的一致性和稳定性。
• 成本相对较低：模具和设备投资较小。

缺点：

• 制品形状受限：难以制造复杂形状的制品。
• 碳纤维取向不易控制：纤维的取向相对较难精确控制。

5、热压罐(AC)成型

热压罐简单地说就是压力锅。在成型模具上层叠预浸料，盖上膨胀薄膜(用于制造真空状态的薄膜)进行减压，在热压罐内施加压力加热固化。该成型方法适合制造高品质、高性能产品，但由于成型周期长，成本较高。

优点：

• 温度和压力场均匀。使用压缩空气或惰性气体向热压罐内充气加压，确保在模具上的构件在均匀的压力和温度下成型和固化。

• 适用范围广。适用于多种先进复合材料的生产，包括那些在固化周期、压力和温度上有特定要求的材料。

• 生产效率高。采用先加热再加压的方式，相比普通压力设备，生产效率更高。• 产品质量可靠。由于压力和温度的均匀性，热压罐成型工艺制造的构件孔隙率较低、树脂含量均匀，力学性能稳定可靠。

• 工艺自动化程度高。可以实现高度自动化和批量生产。

缺点：

• 设备成本高。需要投入大量资金进行设备购置和维护。

• 生产周期较长。包括加热、压制、冷却等多个环节。

• 技术要求高。操作需要一定的技术经验和专业知识。

• 环境污染问题。在成型过程中可能会释放有害气体和废水，对环境造成污染。

6、注射成型

也称为注塑成型，是将碳纤维增强尼龙和聚碳酸酯等热塑性树脂原料(粒料)进行加热熔融，并注射到模具腔(间隙)的成型方法。机械物性会有所下降，但这是一种适用于短周期、复杂形状成型的成型方法。

优点：

• 生产效率高，适合大规模生产；
• 制品的精度和表面质量较高；
• 可以制备各种形状和大小的制品。

缺点：

• 需要使用高性能的注射机和模具，设备成本较高；
• 对于某些高性能复合材料，成型工艺参数需要精确控制；
• 废料处理和回收利用难度较大。

在当前的实际应用中，RTM （树脂传递模塑成型）成型工艺因其较高的成型效率、良好的制品性能和较低的成本，成为较为流行的一种碳纤维复合材料制备工艺。然而，选择哪种成型工艺应根据具体的应用需求、制品形状、生产规模等因素进行综合考虑。

随着技术的不断发展和创新，新的成型工艺也在不断涌现，为碳纤维复合材料的更广泛应用提供了可能。在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的成型工艺，以满足制品的性能要求和生产需求。

参考文献：

［1］三菱化学官网，碳纤维/复合材料的成型方法（加工方法）.

［2］复合材料学. 张以河 -2版. 北京：化学工业出版社，2022.

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