碳纖維復合材料的成型工藝與應用研究

王軍

摘 要：碳纖維復合材料近幾年來逐漸出現在大眾的視野中，并且擔當了社會生產生活中的重要材料，在很多領域應用比較廣泛，比如：航天航空、汽車制造、體育用品等。本文主要圍繞著碳纖維復合材料及其成型工藝展開敘述。

關鍵詞：碳纖維復合材料;成型工藝;應用研究

0 引言

人與自然和諧發展的重要性越來越被廣大群眾認可，在綠色環保的理念指導下，環保類型材料的研究、開發已經成為了工業主流。復合材料無論在環保方面還是在使用性能方面都占有絕對優勢，擁有更加廣闊的發展空間。

1 碳纖維復合材料概述

碳纖維復合材料，顧名思義是指一種含碳量超過90%的無機纖維，經過有機纖維的氧化處理、碳化處理以及重要的石墨化處理后得到的，在具備碳材料優越的品質：耐高溫、耐腐蝕且導熱的同時又具有纖維的優良性能，柔軟、重量輕。無論是在碳材料方面還是纖維材料方面都具有創新性。一般來說。碳纖維復合材料的抗拉強度是鋼材料的七倍到九倍之間，而其自身的重量卻只有鋼材料的1/4，可以說是新時代的高性能材料。復合材料在較之自然材料的物化性能，生產效率更高而生產成本更低，因此，未來的發展前景較好。制作碳纖維復合材料的過程比較簡單，只需在碳纖維中加入樹脂、金屬、混凝土以及陶瓷等物品便可對碳纖維進行性能的定向加強，使其具有更好的性能。經過長時間的發展，碳纖維復合材料將會成為取代傳統金屬材料在航天航空領域以及汽車制造領域的使用，成為最具發展潛力的優秀新興材料。

2 碳纖維復合材料傳統成型工藝

根據制作原理和制作方法可以將傳統成型工藝大致分成三類：熱壓罐成型、拉擠成型、纏繞成型。下面將對這三種制作方法進行詳細介紹：

2.1 熱壓罐成型

熱壓罐成型的制作原理主要是利用熱壓罐中的高溫、在進行氣體壓縮時對加工的材料進行加熱加壓，幫助材料形成理想中的固體形態。熱壓罐成型的制作方法是目前已知的三種制作方法中應用最為廣泛的，主要制作以樹脂為主要成分的碳纖維復合材料，利用樹脂材料的熱性能進行形狀加固和定型。目前我國超過80%的碳纖維符合材料是通過該種加工原理完成的，這樣制作出來的產品具有性能穩定、孔隙率較低以及纖維在材料中分布比較均勻等優秀特點。但是在使用熱壓罐成型制作方法的過程中，熱能和其他不可再生能源隨之消耗且無法再次利用，導致能源的利用率低，因而造成生產效率低下。

2.2 拉擠成型

拉擠成型，顧名思義是對碳纖維符合材料通過設備的拉伸和擠壓以及其他設備的配合作業，完成拉長和擠壓項目，使得碳纖維復合材料達到理想中的長度和寬度。目前在對碳纖維復合材料進行拉擠時，需要對碳纖維復合材料進行預熱，再加上樹脂浸泡，使后續工作的擠壓和拉伸變得更加容易。這種方式的制作方法在工作的過程中同樣需要大量的能源做支持，為牽引和拉伸設備提供動能。除了能源消耗大，能源的利用率低外，拉擠成型只能進行生產線性產品的做工，且靈活度不高。但是其對碳纖維原材料的利用率較高，能夠生產出更優質、含碳量更高的復合材料。

2.3 纏繞成型

纏繞成型主要是通過將復合材料加熱后纏繞到模具表面的方式，在復合材料冷卻后逐層粘合，形成預期形狀的復合材料構件。在纏繞的過程中，需要對模具不斷進行加熱，保持高溫度，保持碳纖維復合材料較強的可塑性，逐漸纏繞各個纏繞層之間的聯系緊密。通過這種方式制作出來的復合材料構件自動化、機械化程度比較高，但是生產的成本卻較高，生產靈活性不足。纏繞成型工藝的主要優點在于可以通過改變碳纖維復合材料的纏繞方向和材料之間的聯系強度，充分發揮碳纖維的強度優勢，并且在制作的過程中可以實現機械化，解放了人力。但是在制作具有凹面的零部件比較麻煩，無法為其提供完全匹配的模具，同時纏繞的成本較高?？傊?，工廠在進行復合材料加工和制作之前，一定要考慮好各種實際情況和因素，保證工廠在花費較少的前提下，生產出品質優良、高性能的復合材料構件。

3 碳纖維復合材料新型成型工藝

與傳統成型工藝不同，新型成型工藝主要采用化學原理進行碳纖維材料的加工和制作。比如：自動纖維鋪放成型、電子成型、激光固結成型、超聲波、3D打印成型等。

3.1 電子成型

電子成型是指在釋放高能電子束的過程中，實現碳纖維材料的物化轉變，達到對原材量變形的要求。因此電子成型又被稱為電子束固結成型工藝。電子成型工藝與上述提到的傳統工藝相比，提高了能源利用率，沒有消耗過多的能源實現復合材料的轉變，其次還降低了在傳統工藝中通過加熱對碳纖維復合材料性能的消耗，使得整個工藝操作過程的成本消耗較低，能源耗用較少，是目前比較提倡的綠色環保生產方式之一的環境友好型工藝。該種工藝原理主要應用在基底樹脂上，通過對其進行拉伸和擠壓，實現對最終生產成品的抗拉性、抗老化、韌性等性能的提高。

3.2 激光固結成型

在當前的制造行業中，使用激光進行原材料或者產品的變形和固話已經成為了一種可行的方法，該方法已經基本上取代了傳統熱源，大幅度減少了能源消耗，提高了生產效率。由于這種方法的對能源的利用率很高，而且制造出的產品性能很好，因此多被用于航空航天領域，為飛機尾翼等部位進行碳纖維復合材料產品的加工，激光固結成型也有很廣闊的發展空間。

3.3 自動纖維鋪放成型

這種工藝是從傳統工藝中的纏繞成型發展和改變來的，可以分為自動纖維絲鋪放技術和自動纖維帶鋪放技術，該技術主要用于航天領域。盡管自動纖維絲鋪放技術和自動纖維帶鋪放技術同屬于自動纖維鋪放技術，但是使用的范圍和方法卻迥乎不同。前者主要用于在復雜形狀雙曲機構件，比如機身、機翼等融合體的制備;而后者主要應用在小曲率的曲面構件，比如飛機的翼面、壁板等。這兩種技術雖然應用的領域有所差別，但是都具有生產效率較高、自動化程度高、易于數字設計等的優點，因此在國內外得到了廣泛的認可和發展。

3.4 3D打印成型

3D打印技術是近幾年高科技發展帶來的產物，主要通過數字化控制系統，構造三維材料實體，以此代替以往傳統和部分新型的制作工藝和技術，同時與其他制作過程和方法相比，3D打印技術具有自動化高、智能化高一級精確化高的特點。因此，3D打印技術一經問世便得到了廣泛的認可，在各行各業領域中都涉及到了3D打印技術，也包括利用3D打印技術進行碳纖維復合材料的制作，增強碳纖維的熱塑性和其他預期增強的性能。在使用的技術中，最廣泛使用的就是：激光燒結和熔融沉積成型技術。前者主要是利用激光在提前規定好的路徑上將粉末材料燒結，逐步形成累積制備的三維結構構件，主要應用在短切類型的碳纖維復合材料中。

例如：華中科技大學曾先利用化學沉積制備出復合材料的粉末，并將其與碳纖維、聚酰亞胺樹脂相互混合，最后通過激光燒結技術制備碳纖維復合材料，這樣制備出來的材料含碳量達到50%以上，具有較高的生產效率。

而熔融沉積成型技術的基本工作理念是先利用打印機頭部加熱熔融樹脂，在按照以往設計的路徑進行單層結構的堆砌，逐步形成累積后的三維結構部件，這種技術主要應用在連續碳纖維復合材料的制備上，這樣制備出的復合材料具有較高的抗性和其他優秀性能。但是同樣也可應用于短切碳纖維復合材料。

近年來，3D打印技術已經無法滿足大眾日益增長的需求，隨之而來的就是4D打印技術的發展。這種技術是通過3D打印制造時間產生變化的物質。雖然目前還未被廣泛應用，但該技術卻在生物傳感器執行器以及人工肌肉方面有很大的應用前景。

4 總結

碳纖維復合材料既有碳材料的優秀品質，同時也包含了纖維材料柔軟、可拉伸的優良性能，因此在制造業中具有較大的發展前景，已經逐漸代替傳統的工業材料在航空、汽車制造以及其他領域的應用。這種復合材料的會隨著發展展現出更卓越的性能。

參考文獻：

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