碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料成型工藝的研究進(jìn)展

宋晨曦，林海濤，賴恩平，凌新龍

(廣西科技大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西柳州 545006)

0 引言

碳纖維(CF)是用人造絲、瀝青樹脂或合成聚合物在高溫?zé)崽幚硪约把趸臈l件下碳化形成的。碳纖維材料具有強(qiáng)度重量比大、毒性低、可回收、無腐蝕性、耐磨性好等特點(diǎn)。 作為聚合物基體的增強(qiáng)體，碳纖維材料擁有廣闊的應(yīng)用前景。 熱塑性聚合物基體是碳纖維復(fù)合材料最常使用的基體材料之一，與熱固性聚合物相比，熱塑性聚合物產(chǎn)生的有害化學(xué)物質(zhì)較少且無固化階段，具有良好的可回收性以及較高的生產(chǎn)能力[1]。 這些優(yōu)點(diǎn)使得CF 和熱塑性材料生產(chǎn)的復(fù)合材料的產(chǎn)品特性強(qiáng)于碳纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料。 因此，與其他聚合物基質(zhì)相比，這些優(yōu)點(diǎn)使熱塑性復(fù)合材料在多領(lǐng)域得到了普遍應(yīng)用，逐漸成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(CFRTP)的成型方法可分為傳統(tǒng)成型方法和自動化方法。 傳統(tǒng)方法有熱壓成型、注射成型、拉擠成型、纏繞成型和沖壓成型，這些傳統(tǒng)方法已被研究人員徹底探索。 值得注意的是，目前出現(xiàn)了多種自動化制備復(fù)合材料的技術(shù)，這些技術(shù)在制造過程中幾乎不需要人工干預(yù)，且生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高[2]。 在本文中，將深入探討這些技術(shù)，并重點(diǎn)介紹其最近的發(fā)展。

1 傳統(tǒng)成型工藝

通常，傳統(tǒng)成型技術(shù)的工藝流程包括兩個(gè)階段。 第一階段，根據(jù)聚合物類型將聚合物在特定的熔點(diǎn)熔化，然后添加增強(qiáng)材料。 在第二階段，熔化的復(fù)合材料在預(yù)先設(shè)計(jì)的模具中冷卻成型。 傳統(tǒng)成型技術(shù)有熱壓成型、注射成型，拉擠成型、纏繞成型等[3]。

1.1 熱壓成型

熱塑性復(fù)合材料的熱壓成型是將預(yù)浸料在模具中鋪覆后，經(jīng)加溫加壓后成型的技術(shù)。 熱壓成型操作簡單、質(zhì)量穩(wěn)定，是最為普遍適用的熱塑性復(fù)合材料的快速成型技術(shù)[4]。

Zhong 等提出了一種新穎的一步熱壓成型制備CF 增強(qiáng)聚丙烯腈復(fù)合材料的方法，省去了耗時(shí)耗能的熱穩(wěn)定階段，纖維被平鋪在兩塊板之間，并被壓緊，然后在管式爐中將該材料碳化。 熱壓強(qiáng)化了纖維結(jié)構(gòu)的環(huán)化，并通過減少雜原子氣體的逸出來減少纖維的損傷。 纖維在900℃時(shí)的密度和拉伸強(qiáng)度已達(dá)到1.70 g?cm－3和1.1GPa。 通過熱壓成型獲得的CF 不僅具有光滑的表面形貌，而且具有高度的微觀結(jié)構(gòu)環(huán)化。 熱壓成型不僅可以實(shí)現(xiàn)熱穩(wěn)定階段的功能，還可以簡化工藝，節(jié)省能源和時(shí)間，降低成本[5]。

使用熱壓技術(shù)，Tatsuno 等成功使用浸漬有PA6 基體的CF 平紋織物制造了CFRTP 復(fù)合材料，他們研究了壓制條件、溫度和載荷對復(fù)合材料性能的影響。 研究發(fā)現(xiàn)，為了獲得質(zhì)量更好、沒有空隙的零件，需要較高熔點(diǎn)以及恒定的壓力[6]。 然而，熱壓技術(shù)的問題在于難以生產(chǎn)復(fù)雜形狀的產(chǎn)品或使用不同組合的聚合物和增強(qiáng)材料。

1.2 注射成型

注射成型是一種通過將熔融熱塑性聚合物注入模具來生產(chǎn)聚合物零件的制造工藝。 注射成型是研究人員生產(chǎn)基于CFRTP 產(chǎn)品最常使用的傳統(tǒng)方法之一，因?yàn)樗哂懈叩纳a(chǎn)效率和制造復(fù)雜零件的能力，并且在單個(gè)產(chǎn)品的制造過程中，易于混合不同種類的聚合物。 注射成型零件是通過熔化復(fù)合材料，然后將其澆注到模具中，使其具有所需的形狀制成的。 因此選擇熔化度必須精確，因?yàn)樵黾踊驕p少熔化度會導(dǎo)致最終產(chǎn)品產(chǎn)生缺陷，例如氣腔、氣泡和能量損失[7]。 注射成型工藝是一種可逆工藝，與其他制造工藝相比，注塑成型具有一些優(yōu)點(diǎn)，例如單價(jià)低、周期時(shí)間短、表面外觀好等。 這種低價(jià)工藝可用于批量生產(chǎn)小零件(例如水瓶蓋)和較大零件(例如汽車儀表板)。

Luo 等通過注射成型一種新型的核殼結(jié)構(gòu)顆粒，制備了CF 增強(qiáng)聚酰胺6(CF/PA6)復(fù)合材料，該顆粒能夠在單螺桿擠出機(jī)的輔助下采用熔體浸漬工藝進(jìn)行批量生產(chǎn)。 另外他們對CF 使用施膠劑，以增強(qiáng)纖維界面結(jié)合能力。 Luo 等還研究了CF/PA6 復(fù)合材料在最佳施膠濃度下的力學(xué)性能與CF 含量的函數(shù)關(guān)系。 這些發(fā)現(xiàn)可為開發(fā)具有理想機(jī)械性能的CF 增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的研究提供指導(dǎo)[8]。

Ahmed 等采用注射成型工藝制備了CF 增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料，并研究了CF 脫膠對采用新型直接纖維進(jìn)料成型的增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。 從纖維分散狀態(tài)、纖維取向因子、纖維體積分?jǐn)?shù)和纖維長度等方面研究了CF 脫漿對結(jié)構(gòu)性能的影響。 研究發(fā)現(xiàn)，與未改變尺寸的CFPP 復(fù)合材料相比，尺寸縮小的復(fù)合材料具有更好的纖維分散性。 CF 表面的尺寸對CFPP 復(fù)合材料中的CF 長度、纖維體積分?jǐn)?shù)和纖維取向沒有顯著影響。 此外，與未改變尺寸的CFPP 復(fù)合材料相比，尺寸縮小的CFPP 復(fù)合材料中纖維基體相互作用增強(qiáng)，表現(xiàn)出更好的靜態(tài)和熱力學(xué)性能[9]。

Kurokawa 等使用注射成型來制造CF/ PA 復(fù)合材料，并將注射成型制備的CF/ PA12、CF/ PA6與CF/ PA66 等CF 增強(qiáng)聚酰胺的齒輪性能進(jìn)行了比較。 研究發(fā)現(xiàn)，CF/ PA12 齒輪在嚙合區(qū)域具有優(yōu)異的耐磨性能。 在所有研究的聚酰胺中，CF/PA12 齒輪具有最高的負(fù)載能力、出色的無噪音性能和最低的吸水率[10]。

1.3 拉擠成型

拉擠成型是一種用于制造具有恒定橫截面的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的成型工藝。 與其他復(fù)合材料制造工藝相比，拉擠成型的優(yōu)勢在于其高達(dá)5 m/min的高生產(chǎn)率和低原材料成本，以及可生產(chǎn)不確定長度的復(fù)合材料的能力[11]。

Novo 等采用拉擠成型工藝制造出了CF 增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料，通過使用田口設(shè)計(jì)法，研究了加工工藝參數(shù)對生產(chǎn)的預(yù)浸漬材料和復(fù)合材料最終性能的影響，并對拉擠成型工藝進(jìn)行了優(yōu)化，使其生產(chǎn)的產(chǎn)品能夠滿足市場需求[12]。

Budiyantoro 等通過擠出－拉擠法制備了CF 增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合長絲，研究了擠出－拉擠成型工藝的四個(gè)加工變量(熔體溫度、拉擠速度、模具中插入的布銷數(shù)量和纖維處理)對CF 增強(qiáng)聚丙烯長絲復(fù)合材料浸漬質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)纖維處理對復(fù)合材料界面強(qiáng)度的影響最大，其次是拉擠速度，并且研究出了最佳工藝參數(shù)[13]。

1.4 纏繞成型

纖維纏繞成型工藝作為一種常用的復(fù)合材料成型方法，與其他成型工藝方法相比較，以纏繞工藝成型的復(fù)合材料制品中纖維按規(guī)定方向排列的整齊度和精確度高，制品可以充分發(fā)揮纖維的強(qiáng)度。 因此比強(qiáng)度和比剛度均較高。 纖維纏繞工藝容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，產(chǎn)品質(zhì)量高而穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，便于大批量生產(chǎn)[14]。

Gabrion 等采用纏繞成型工藝制備了單向CF增強(qiáng)熱塑性聚酰亞胺(TPI/CCF)復(fù)合材料，研究了溫度對TPI/CCF 復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。 發(fā)現(xiàn)在400℃以上時(shí)復(fù)合材料發(fā)生熱降解，復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度約為250℃。 在－50℃~200℃的溫度范圍內(nèi)，纖維方向的拉伸強(qiáng)度高于1200MPa，同時(shí)該材料在拉伸下也具有優(yōu)異的疲勞強(qiáng)度，復(fù)合材料具有良好的力學(xué)穩(wěn)定性能[15]。

1.5 沖壓成型

沖壓成型是通過加熱可沖壓片材以熔化熱塑性復(fù)合材料，然后施加壓力并使用模具冷卻可沖壓片材。 這種方法有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，材料在模具中的停留時(shí)間可以大大縮短，從而提高生產(chǎn)率。 沖壓成型生產(chǎn)周期短，適合大批量生產(chǎn)。

Okayasu 等開發(fā)了一種基于電阻加熱的CF 增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料板熱沖壓系統(tǒng)，其中熱塑性復(fù)合材料由聚苯和聚丙烯腈組成。 通過熱沖壓工藝，制作了一個(gè)簡單的帽子形樣品。 加熱速率和最高樣品溫度因CFRTP 板的電阻而變化，此外，電極與CFRTP 板之間的接觸條件也影響樣品溫度，因?yàn)樗鼈儗﹄娮璧挠绊懹蓸悠繁砻嫔媳┞兜腃F 量決定。 使用具有不同暴露量CF(20%~95%CF)的樣品進(jìn)行溫度測量，結(jié)果顯示大約65%的CF 提供了最高的樣品溫度和最快的加熱速率。 CFRTP 板經(jīng)歷不均勻的加熱，特別是在早期階段，例如不到10 s，樣品加熱至150℃導(dǎo)致帽子形、CFRTP 樣品永久變形，回彈較少，而加熱到熔點(diǎn)以上的更高溫度會導(dǎo)致樣品彎曲。 相比之下，在較低溫度(例如110℃)下進(jìn)行熱沖壓的CFRTP 樣品則表現(xiàn)出粗糙的表面。 除樣品溫度外，熱沖壓過程中CFRTP 的成形性還受到保溫時(shí)間的影響。 當(dāng)在沒有保溫時(shí)間的情況下進(jìn)行熱沖壓時(shí)，即使在150℃及以上的高溫下，也會獲得具有凹陷表面和不規(guī)則樣品厚度的低質(zhì)量樣品。 本研究結(jié)果表明，制造具有光滑表面和均勻厚度的高質(zhì)量熱沖壓CFRTP 的最佳工藝是溫度為150℃，保溫時(shí)間為10 s[16]。

2 增材制造技術(shù)(3D 打印)

近年來，增材制造(AM)(通常稱為3D 打印)已被研究者們列為制造CFRTP 的現(xiàn)代方法。 與傳統(tǒng)成型工藝相比，AM 可以快速將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為有形產(chǎn)品，不會浪費(fèi)材料、工具、成本或時(shí)間，并且易于更換材料。 在AM 中，通過鋪設(shè)熔融聚合物或其它復(fù)合材料層來制造零件，直到形成最終零件。 該技術(shù)已被用于制造從原型到最終產(chǎn)品的聚合物復(fù)合材料部件[17]。

AM 方法很少，每種方法都因?yàn)槭褂玫脑牧喜煌凶兓?例如，粉末聚合物用于選擇性激光燒結(jié)[18](SLS)，光聚合物液體用于立體光刻[19](SLA)，聚合物長絲用于熔融沉積建模[20](FDM)，也稱為熔融長絲制造(FFF)方法。 FDM/FFF 技術(shù)是使用兩種主要方法開發(fā)的，即預(yù)浸漬纖維/片材的擠出和熔合。 預(yù)浸漬纖維或片材的擠出可用于實(shí)現(xiàn)良好的纖維－基體界面的粘合。 由于熔點(diǎn)會增加孔隙率，因此印刷溫度必須保持在能夠使最終產(chǎn)品保持均勻的狀態(tài)且孔隙率有限的水平。

Karas 等提出了一種復(fù)合纖維增材制造的新方法來降低孔隙率，包括選擇性地將粘合劑和聚合物粉末印刷到不連續(xù)的CF 片上，然后對其進(jìn)行壓縮、加熱和后處理，以形成網(wǎng)狀部件。 他表示，與傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的復(fù)合材料相比，使用當(dāng)前最先進(jìn)的AM 方法生產(chǎn)的CF 復(fù)合材料通常具有高孔隙率(18%~25%)。 Karas 和他的同事開發(fā)生產(chǎn)的復(fù)合材料部件孔隙率為1.5%，纖維體積含量為15%，拉伸強(qiáng)度為97MPa，彈性模量為8.9GPa，為生產(chǎn)機(jī)械性能超過最先進(jìn)AM 的不連續(xù)CF 增強(qiáng)聚合物部件提供了一種新方法[21]。

Li 等研究了一種微波加熱輔助增材制造的方法，與傳統(tǒng)方法相比，該方法能夠以更快的速度制造連續(xù)CF 增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(CCFRTP)。 他們研究了不同纖維體積分?jǐn)?shù)印刷試樣的介電常數(shù)。通過使用測得的介電性能，建立了纖維和樹脂基體之間的微型微波輻射和熱傳遞模型，模擬了常規(guī)加熱和微波加熱過程中移動的CCFRTP 絲的皮芯溫度差，揭示了溫差、絲直徑和打印速度之間的關(guān)系。研究了熱成像和微波打印試樣的非等溫結(jié)晶行為和機(jī)械強(qiáng)度，并分析了結(jié)果不同的原因。 通過熱重分析和差示掃描量熱儀結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)微波加熱CCFRTP 試樣的結(jié)晶度較低。 微波加熱CCFRTP的樣品速度為35 mm/s，由于微波加熱樣品均勻，空隙更少，并且從顯微鏡圖像中觀察到的CFRTP層之間的粘合更好，因此顯示出最高的拉伸強(qiáng)度和強(qiáng)度重量比[22]。 未來，這項(xiàng)技術(shù)將得到進(jìn)一步研究和改進(jìn)。 壓實(shí)輥和高效冷卻方法將用于解決微波打印速度過高而引起的問題，并將生產(chǎn)更大直徑的CCFRTP 長絲來制造大型輕質(zhì)復(fù)合材料零件。

Dickson 等使用FDM/FFF 技術(shù)制造了CFRTP復(fù)合材料。 他們使用商業(yè)印刷在打印床上3D 打印連續(xù)CF 增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料，并且研究了其他多種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在拉伸和彎曲方面的力學(xué)性能，還研究了纖維取向、纖維類型和體積分?jǐn)?shù)對機(jī)械性能的影響。 結(jié)果表明，在所研究的纖維中，CF制造的纖維單位纖維體積的機(jī)械強(qiáng)度增加最大[23]。

Goh 等使用FDM/FFF 技術(shù)制造了連續(xù)的CF增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料。 他們評估了其生產(chǎn)CFRTP 復(fù)合材料的潛力和局限性。 他們得出的結(jié)論是，F(xiàn)DM/ FFF 有望在連續(xù)CF 增強(qiáng)熱塑性聚合物上實(shí)現(xiàn)低成本生產(chǎn)[24]。

Parandoush 等開發(fā)了一種用于預(yù)浸漬復(fù)合片材進(jìn)行連續(xù)CFRTP 的3D 打印新方法。 基于切片的CAD 幾何結(jié)構(gòu)連續(xù)切割預(yù)浸料片，然后使用CO2激光束和固結(jié)輥進(jìn)行逐層粘合。 通過計(jì)算機(jī)斷層掃描，空隙率較低，層間結(jié)合強(qiáng)度與通過搭接剪切強(qiáng)度測試的傳統(tǒng)高壓釜方法一樣高。 連續(xù)CF優(yōu)異的界面結(jié)合強(qiáng)度和高體積比有助于獲得最高的拉伸強(qiáng)度(668.3 MPa) 和彎曲強(qiáng)度(591.16 MPa)。 此外，Parandoush 等所提出的技術(shù)還能夠控制CF 在印刷層中的排列，生產(chǎn)出具有單向或交叉層的CFRTP，并對其機(jī)械性能進(jìn)行評估。 所提出的3D 打印方法對需要具有復(fù)雜幾何形狀的高性能和輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的行業(yè)十分有益[25]。

未來AM 技術(shù)應(yīng)該能夠得到迅速的發(fā)展。 為了使用AM 制造出具有高機(jī)械效率的可靠零件，還需要進(jìn)一步的研究和實(shí)驗(yàn)。 該技術(shù)面臨的主要問題是避免由高孔隙率(氣孔)引起的零件故障，或由低纖維/基體界面附著力引起的裂紋。

3 自動化制造技術(shù)

自動化是可靠、高效的大規(guī)模制造復(fù)合材料的關(guān)鍵技術(shù)，制造過程中最大限度地減少了人與機(jī)器之間的交互，降低了勞動力和時(shí)間成本，可生產(chǎn)出更高質(zhì)量的產(chǎn)品。 在自動化制造CFRTP 時(shí)，通常使用計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床來制造最終復(fù)合材料。 目前在自動化增材制造領(lǐng)域使用的一些技術(shù)有纖維纏繞(FW)、自動鋪帶(ATL)、自動鋪絲(AFP)、連續(xù)絲束剪切(CTS)以及機(jī)器人拾取和放置[26－32]。

3.1 纖維纏繞

FW 是一種自動化方法，通過在固化前將連續(xù)的預(yù)浸片，粗紗和單絲纏繞在旋轉(zhuǎn)軸上來制造軸對稱以及一些非軸對稱零件。 FW 已經(jīng)在很大程度上實(shí)現(xiàn)了以低成本制造具有圓柱形結(jié)構(gòu)的CFRTP，用FW 制造復(fù)合材料有三個(gè)主要步驟:第一步是設(shè)計(jì)，包括材料、纖維取向和幾何形狀的選擇，第二步是將纖維放置在適當(dāng)?shù)奈恢茫谌缴婕斑x擇和控制制造過程中必須保持的條件。 在這一過程中，連續(xù)的增強(qiáng)材料(長絲、金屬絲、紗線、膠帶等)通常在加工過程中用聚合物基質(zhì)浸漬以滿足特定的應(yīng)力條件。 FW 方法被定義為“用兩種主要材料制造高強(qiáng)度和輕質(zhì)產(chǎn)品”的技術(shù)。 兩種主要材料為長絲或膠帶增強(qiáng)劑和基體或樹脂。 纏繞有兩種類型，即濕式纏繞和預(yù)浸料纏繞。 與預(yù)浸料纏繞相比，濕式纏繞有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，包括材料成本低、纏繞時(shí)間短，以及能夠根據(jù)具體應(yīng)用要求輕松改變樹脂配方[33]。

Almajid 等利用FW 技術(shù)開發(fā)了CF/聚醚醚酮(PEEK)系統(tǒng)，用于制造具有良好耐磨性能的復(fù)合材料。 FW 用于纖維纏繞復(fù)合材料部件的大規(guī)模生產(chǎn)，因?yàn)樗沁B續(xù)的過程，在纏繞過程中不需要切割[34]。

此外，為了減少處理時(shí)間(跳過后固結(jié)步驟)，科研人員已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，可以使用FW 原位固結(jié)方法制造此類材料。 紗線或膠帶由牽引架牽引后，纏繞在旋轉(zhuǎn)的芯軸上，然后在熱源和壓實(shí)輥的作用下再進(jìn)行原位固結(jié)。 Boon 等對CFRTP 的FW 原位固結(jié)進(jìn)行了全面的綜述，詳細(xì)地介紹了在實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究中可能影響這種技術(shù)參數(shù)的因素[35]。 另外Ma 等開發(fā)出一種由聚乳酸錐管利用長絲纏繞技術(shù)制備CFRTP 的方法。 該方法使用一種具有廉價(jià)控制系統(tǒng)的長絲纏繞機(jī)完成了纏繞過程，以CF 紗線和纖維束為原料，分別進(jìn)行了干法和濕法卷繞，并對其纏繞工藝進(jìn)行了對比。 結(jié)果表明，濕纏繞工藝制備的錐形管具有最佳的內(nèi)外表面條件[36]。

3.2 自動鋪帶成型

ATL 和AFP 是使用計(jì)算機(jī)控制的機(jī)器人將一層或多層CF 帶或絲束鋪設(shè)到模具上以產(chǎn)生部件或結(jié)構(gòu)的過程。 起源于20 世紀(jì)60 年代的軍事航空航天工業(yè)。 此后，它的用途擴(kuò)展到商用飛機(jī)領(lǐng)域，如今它被廣泛用于制造高質(zhì)量的CF 復(fù)合材料部件，如機(jī)翼外皮和機(jī)身。 ATL 系統(tǒng)用于自動去除層背襯，同時(shí)將預(yù)浸料膠帶輸送到模具表面上。 在鋪設(shè)膠帶時(shí)，可以調(diào)整幾個(gè)參數(shù)，包括疊層速度、膠帶溫度和膠帶張力。 該系統(tǒng)在鋪層過程開始時(shí)使用柔軟的硅膠輥將預(yù)設(shè)長度的膠帶連接到工具上，在鋪層過程結(jié)束時(shí)，頭部在鋪層完成前減速，并用旋轉(zhuǎn)或夾緊刀片自動切割膠帶[37]。

Ricard 等人描述了一種新型自動鋪帶機(jī)，該機(jī)器為小型制造商提供了一種經(jīng)濟(jì)高效且多功能的解決方案，使他們能夠減少勞動力成本，減少生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的材料浪費(fèi)，同時(shí)提高零件質(zhì)量并保持設(shè)計(jì)的靈活性[38]。

Rodriguez 等人使用ATL 技術(shù)制造了模仿珍珠層結(jié)構(gòu)的CF 增強(qiáng)聚合物層壓板，目的是提高CFRTP 其層間性能和斷裂韌性。 他們通過雙懸臂梁(DCB)和三點(diǎn)彎曲端缺口彎曲(3ENF)試驗(yàn)，測定了CFRTP 層壓板的層間斷裂韌性。 結(jié)果表明，與傳統(tǒng)連續(xù)CFRTP 樣品相比，層間斷裂韌性分別提高了32%和92%。 此外，通過緊湊拉伸(CT)測試測量了開發(fā)的珍珠層CFRTP 的跨層斷裂韌性，該測試顯示增量高達(dá)30%[39]。

3.3 自動鋪絲成型

AFP 系統(tǒng)具有高度的靈活性，可以針對各種鋪層方向以及不同的幾何形狀部件有效地重新配置。AFP 和ATL 的功能相同，僅在預(yù)浸料膠帶的鋪設(shè)寬度方面有所不同，即ATL 使用尺寸達(dá)一米的寬預(yù)浸料膠帶，而AFP 可以鋪設(shè)寬度低至6.34 毫米的窄膠帶。 此外，AFP 設(shè)計(jì)有一個(gè)末端執(zhí)行器的機(jī)械臂，包括一個(gè)加熱源和一個(gè)用于放置膠帶的壓力系統(tǒng)[40]。

Qureshi 等研究了熱氣炬輔助AFP 的刀具溫度、壓力和鋪設(shè)速度對CF/PEEK 層壓板的影響。刀具溫度的升高會增加層間剪切強(qiáng)度(ILSS)和短梁剪切強(qiáng)度(SBS)，而鋪設(shè)速度的提高會降低機(jī)械性能[41]。

Comer 等人分析了使用激光輔助自動膠帶放置制造的CF / PEEK 層壓板的機(jī)械性能，并將其與高壓釜固結(jié)進(jìn)行了比較。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，層壓板在層間韌性方面表現(xiàn)出優(yōu)良的機(jī)械性能，但表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)偷膹澢鷱?qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度、彎曲剛度和開孔壓縮強(qiáng)度[42]。

Oromiehie 等研究了CF/PEEK 復(fù)合材料的沉積速率、固結(jié)力和溫度對ILSS 的影響。 此外，他們還討論了工藝參數(shù)與機(jī)械強(qiáng)度之間的相關(guān)性，結(jié)果表明加工溫度的升高增強(qiáng)了復(fù)合材料機(jī)械性能[43]。 最近，Raps 等人報(bào)道了AFP 工藝制備的CF/低熔點(diǎn)聚芳醚酮(PAEK)層壓板的關(guān)鍵工藝參數(shù)，并分析了模具溫度、疊層速度和固結(jié)壓力對粘結(jié)強(qiáng)度和結(jié)晶度的影響，結(jié)果表明較高的模具溫度可提高粘合強(qiáng)度[44]。

3.4 連續(xù)絲束剪切

CTS 是自動鋪絲成型工藝的一種改進(jìn)，可以生產(chǎn)出更高質(zhì)量的零件，與AFP 相比，CTS 的主要區(qū)別在于鋪層過程中使用的材料以及路徑布局[45]。連續(xù)絲束剪切能夠通過平面內(nèi)剪切變形來引導(dǎo)單向預(yù)浸膠帶，而不會出現(xiàn)膠帶翹曲、間隙和重疊。然而，帶內(nèi)固有的纖維錯(cuò)位會在剪切過程中引起纖維波紋，這進(jìn)一步受到溫度、剪切速率和纖維張力等加工參數(shù)的影響。 Zhang 等研究了這些參數(shù)對兩種不同單向碳/環(huán)氧樹脂預(yù)浸帶剪切行為的影響，設(shè)計(jì)了一個(gè)定制的測試夾具，用于在不同的剪切速率和纖維張力下剪切膠帶樣品。 使用數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)獲得樣品的全場應(yīng)變，以研究剪切過程中的纖維重新排列。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫度和纖維張力對纖維重新排列的均勻性都會產(chǎn)生顯著影響。此外，由于預(yù)浸漬帶的浸漬特性不同，它們在相同剪切條件下的響應(yīng)也不同[46]。

3.5 機(jī)器人拾取和放置技術(shù)

Angerer 等人提出了一種機(jī)器人拾取和放置技術(shù)，該技術(shù)使用裝有不同末端執(zhí)行器的機(jī)械臂來切割和放置預(yù)浸料或干燥織物，以創(chuàng)建復(fù)合材料層壓板。 機(jī)器人拾取和放置技術(shù)被認(rèn)為能夠取代前面提到的ATL 和AFP 系統(tǒng)[47]，但是目前這種方法不如ATL 和AFP 成熟，并且該生產(chǎn)方法并未進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。 這種方法的當(dāng)前問題是執(zhí)行任務(wù)所需的時(shí)間，其中最耗時(shí)的過程是從預(yù)浸料中去除背襯。 為了解決這個(gè)問題，必須開發(fā)不同的末端執(zhí)行器，可以有效地切割和去除預(yù)浸料背襯，并將預(yù)浸料排列在所需的模具內(nèi)[48]。

綜上所述，由于近年來對CFRTP 復(fù)合材料需求量的增加，開發(fā)這些復(fù)合材料的自動化制造技術(shù)是該領(lǐng)域的一個(gè)趨勢。 然而，自動化技術(shù)尚未完全發(fā)展成熟。 進(jìn)一步的研究將為高質(zhì)量、復(fù)雜、高模量和缺陷更少的零件鋪平道路。 預(yù)計(jì)這些技術(shù)在時(shí)間、成本和能源消耗方面都能夠進(jìn)行合理有效的控制，將取代各個(gè)行業(yè)的傳統(tǒng)技術(shù)。 通過利用自動化制造工藝，生產(chǎn)復(fù)雜而高效的產(chǎn)品將更容易、更便宜。

4 結(jié)語

CFRTP 表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械特性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、運(yùn)輸和體育用品領(lǐng)域。 本文總結(jié)了近年來CFRTP 復(fù)合材料成型工藝的研究進(jìn)展，盡管傳統(tǒng)方法仍用于生產(chǎn)CFRTP 的復(fù)雜部件，但隨著成型工藝的繼續(xù)開發(fā)，增材制造工藝和自動化制造技術(shù)將得到更廣泛的應(yīng)用，因?yàn)檫@些工藝在不需要預(yù)先設(shè)計(jì)模具的情況下就能制造出復(fù)雜的零件，更加節(jié)省時(shí)間和成本。 隨著CFRTP 自動化制造技術(shù)的發(fā)展及原位反應(yīng)成型等新工藝的突破，相信未來會有越來越多新型高性能復(fù)合材料在市場上得到應(yīng)用，加快推進(jìn)輕量化行業(yè)發(fā)展。