碳纤维树脂基复合材料及成型工艺与应用研究进展探析

碳纤维树脂基复合材料及成型工艺与应用研究进展探析

苑晓洁

中航复合材料有限责任公司

摘要：本文主要对碳纤维树脂基复合材料及成型工艺与应用研究进展进行了探究，运用了文献调查法、资料收集法等研究方法，介绍了碳纤维树脂基复合材料，分析了其成型工艺，并研究了复合材料的应用领域。

关键词：碳纤维树脂基复合材料；成型工艺；应用

引言

碳纤维树脂基复合材料性能受到树脂含量、碳纤维含量及碳纤维和树脂基体的界面结合性能影响，同时还会受到成型工艺影响。为充分保证此类材料的性能优良，需要在制备过程中，综合考虑多项因素，包括优化选择成型工艺，比如模压成型、真空袋压成型、树脂传递成型（RTM）、手糊成型、热压罐成型、拉挤成型、纤维缠绕成型、3D打印成型等工艺。由于此类复合材料具有较强的化学稳定性及力学性能，目前在航空航天、汽车以及建筑等领域广泛应用，具有巨大发展前景。

1 碳纤维树脂基复合材料介绍

碳纤维树脂基复合材料指的是将碳纤维当做增强体，和陶瓷、金属或者树脂等基体复合，从而形成具有更强综合性能的复合材料。在相应复合材料当中，碳纤维承受主要负载，并对基体材料在刚度、强度等方面的不足加以弥补。复合材料选用不同的基体材料、增强体和制备工艺，所表现出的综合性能也有较大差异。目前，常见的几种碳纤维复合材料包括碳纤维增强树脂基复合材料、碳纤维增强陶瓷基复合材料、碳纤维增强金属基复合材料、碳纤维增强碳基复合材料等，这些复合材料中，碳纤维树脂基复合材料属于先进复合材料，最初主要在航空航天领域应用，在制备工艺技术日渐成熟之后，材料性能进一步提升，并且制备成本有所下降，使其应用范围也不断扩大[1]。另外在碳纤维树脂基复合材料当中，主要的基体树脂包括热塑性树脂、热固性树脂。

2 碳纤维树脂基复合材料成型工艺研究

2.1 模压成型工艺

模压成型工艺主要是先在模具型腔当中放入预浸料，通过带热源压机所产压力及温度，在相应温度和压力条件下，使合模后的预浸料能够在模腔当中受热软化，并受压流动，在模腔当中成型之后进行固化，最终获得碳纤维树脂复合材料。模压成型工艺具有较高的生产效率，制品尺寸精确，且表层光洁，通常可一次成型，不会对复合料制品的性能造成破坏。不过该工艺应用中，所需模具制造比较复杂，所以初期投入比较大。

图1    模压成型工艺示意图

2.2 真空袋压成型工艺

在该工艺应用中，需要先利用抽气机向真空袋当中加压，使真空袋内部保持真空状态，没有空气残余。之后，在树脂混合剂当中插入引流导管，实现倒流。倒流期间，树脂顺着导流布均匀地向左右移动，此环节要控制好树脂流动速度，保证树脂铺满碳纤维材料，抽气机始终保持工作状态，保证袋内压强，直到树脂固化。之后将导管锯掉，顺着密封条逐步拆除装置，并逐层去除上方导流布，将模布脱除。此工艺具有成本低、操作便捷等优势，最后获得的碳纤维树脂基复合材料成品表面光滑，具有良好的力学性能，但是在工艺应用中提出很高的密封要求。

2.3 树脂传递成型（RTM）工艺

在复合材料制备中，此工艺属于一种液体成型工艺，主要是在特定压力及温度条件下，向预置预成型胚的模腔当中注入粘度较低的树脂，当纤维被树脂充分浸透之后，经固化与脱模得到成品制件。此工艺主要涉及两大步骤，分别是碳纤维预成型坯加工以及树脂注射固化，前者涉及到的加工方法包括二维编织、三维编织技术、精编技术、针织技术、穿刺技术以及缝合技术等。在树脂注射固化环节，可配合使用真空辅助成型技术，以优化纤维浸润效果，促进气泡及杂物排出，使产品具有更高力学性能。

2.4 手糊成型工艺

热固型树脂基复合材料最先应用此成型工艺制备，操作中要先将脱模剂涂抹于模具上，然后涂刷树脂混合物，其中包含固化剂，同步进行增强纤维织物的铺贴，最终达到设计厚度。在整个铺贴以及涂刷期间，要注意持续排除气泡，通过固化以及脱模处理，最终获得复合材料制品。

2.5 热压罐成型工艺

早期在航空领域所应用的复合材料制备环节主要应用热压罐成型工艺，该工艺一直沿用至今。此工艺主要应用于真空条件下，并通过升温、保温、加压、降压以及降温等处理，方便快捷且较为充分地固化预制件或低压成型制品。该工艺应用中，主体为卧式圆筒型罐体，罐体当中分布有大、中以及小型空间，以满足不同尺寸制备要求[2]。压力及温度是热压罐关键性能指标，在整个固化环节，要合理控制压力、时间及温度之间的关系。

2.6 拉挤成型工艺

在对长宽不定、界面固定的复合型材进行连续生产过程中，主要应用拉挤成型工艺，该工艺对于碳纤维热固性树脂基复合材料来说属于一种重要的成型方法。在工艺应用中，先从纱架当中拉出碳纤维，并在树脂槽当中将树脂胶液浸透碳纤维，后经成型膜进行成型与固化，而后利用牵引装置实现拉出，借助切断装置，按照设计长度进行切割处理。此工艺具有高效、简单等特征，拉挤线速度快，可实现大规模生产。

2.7 纤维缠绕成型工艺

该工艺应用中，要先在树脂胶液当中充分浸透碳纤维，之后借助一定张力，依次在芯模上缠绕，经固化成型与脱模处理得到复合材料制品。在应用该方法过程中，要求树脂基体保持较低的胶液粘度。若成型产品纤维含量比较高，要求树脂具有更高性能，比如冲击性能、剪切强度等。成品成型期间，有多项因素会影响到成品质量，比如固化时间、固化温度、缠绕速度、缠绕张力、碳纤维浸胶含量以及碳纤维预处理等，尤其是缠绕张力会较大程度上影响成品质量，要注意在工艺应用中合理控制缠绕张力，并优化设计缠绕速度。

3 碳纤维树脂基复合材料应用研究

3.1 应用于航空航天领域

碳纤维/环氧树脂复合材料是目前应用最广泛的碳纤维树脂基复合材料，最早应用在飞机结构制造领域。目前在军用飞机当中，复合材料的用量占到结构质量约30%，而在机体表面，材料用量则占到约80%。此外，该材料在战机机身、垂尾翼、主机翼、蒙皮以及平尾翼等部位应用，可使机身质量更轻，并有助于提升耐腐蚀性及抗疲劳性。由于碳纤维复合材料具有耐摩擦以及耐高温等特点，目前在高速导弹当中也广泛应用，主要使用在承受高温部位，比如发动机壳体、导弹弹头和弹体等，尤其在关键的防热结构部件中，比如发动机喷管、弹头顶部等都大量应用碳纤维复合材料。

3.2 应用于汽车领域

目前汽车领域也广泛应用碳纤维复合材料，由此保证汽车性能，还有助于减轻车身质量，减少能耗。和热塑性基体相比，热固性基体通常具有更高强度，因此汽车承力结构当中主要使用碳纤维热固性树脂复合材料，如发动机部件、结构件、传动轴、车轮、车身面板、悬架系统以及保险杠等都主要应用环氧基碳纤维复合材料。而对于负载承受不高的部件，所应用的主要是碳纤维热塑性树脂复合材料。

4 结束语

近年来，碳纤维树脂基复合材料的制备工艺日渐完善，其应用范围也逐渐从航空航天领域延伸至民用领域。此类复合材料在未来发展中，制备工艺将更加智能化、一体化、高性能化，需要更深层次地研究碳纤维原丝、成型工艺、机械加工方法、材料设计理论等，关注提升树脂基体性能，并且在材料用量和需求量逐步上升过程中，重点研究材料的回收利用及相关环境问题等方面。

参考文献：

[1]侯子豪,张卫刚,徐凌超,徐永生.碳纤维增强树脂基复合材料压缩失效机理研究[J].力学季刊,2021,42(03):438-449.

[2]张登科,王光辉,方登科,崔佳伟,田永胜.碳纤维增强树脂基复合材料的应用研究进展[J].化工新型材料,2022,50(01):1-5.