三、连续长纤维增强热塑性复合材料的成型
3.1、造粒注塑法
该方法是把熔融浸渍法得到的预浸料进行切料， 得到6～10mm的粒子。该粒子长度和其中纤维长度一致，纤维在树脂中分布均匀，使材料具有高的抗冲击强度和模量，翘曲减少，收缩率降低、尺寸稳定性增加，并提高产品的抗疲劳性。
该粒子可以通过注塑机加热后注入模具，然后在模具内加热加压成型，根据热塑性树脂的类型和复合材料的产品形状的不同需要调节温度、压力和时间等工艺参数。注塑法可以制备形状复杂的产品，使应用的领域大为扩展。
3.2、模压成型法
最简单的模压成型方法就是将得到的连续纤维增强热塑性预浸料，多层进行叠合，叠合方法为相邻两层0/90°放置，然后在压板中进行热压，得到板材、片材或其他简单的形状。该方法是制备板材、片材最常用的方法，为了提高工作效率，也可以利用双辊、三辊压延的方法进行模压成型。
另外按模具大小裁切好预浸片材在加热炉内加热至高于树脂熔化的温度，然后送入压模中，快速热压成型，冷却得到制品。该法成型周期短，适用于厚度和密度变化大、有凸凹或弧度等形状复杂的制品，也适用于制造有金属预埋件的制品。该法能耗、生产费用均较低，而生产效率高。
3.3、缠绕成型法
该法是在控制张力和预定线型的条件下，将连续的经加热炉预热后的预浸带缠绕在相应的芯模上，缠绕的同时，加热使树脂熔融，以使预浸料逐层粘合成一体而成型。
3.4、真空模塑成型
预浸料片材铺放在模具中后，使片材密封于模具上，然后在模腔内抽真空，使片料铺贴在模腔上后加热模具至一定温度，预浸料即在大气压力及高温作用下成型，冷却后脱模即得所需形状的制品。
3.5、拉挤成型法
该法是一种能够经济的连续生产复合材料的典型制造工艺。拉挤成型技术是制造高纤维含量、高性能、低成本复合材料的一种连续、自动化生产工艺。该法将长纤维经树脂浸渍，再经过具有一定截面形状的成型模具，并使之在模具内固化成型，然后将制品拉出模具的成型工艺。
拉挤成型工艺有两种：一种是预浸纤维拉挤成型工艺，即先用热塑性树脂浸渍纤维，制得预浸纤维，再用预浸纤维进行拉挤成型，经冷却定型后，材料达到一定的硬度和强度，按需要定长切割；另一种是用纤维直接进行拉挤成型，使连续纤维经过纤维分配器进入模具，挤出机将热塑性树脂熔体注入模具内，纤维和热塑性树脂在模具内浸渍后成型出模，经冷却定型，定长切割成制品。
拉挤成型工艺具有如下优点：如树脂黏度可以随时调节，纤维含量可高达80％；生产过程实现自动化控制，生产效率高；制品纵、横向强度可任意调整，可满足不同力学性能制品的要求；制品质量稳定，重复性好，长度可任意切断；生产中无边角废料，产品不需后加工，故较其他工艺省工、省料、省能耗。
四、连续长纤维增强热塑性复合材料的应用
连续长纤维增强热塑性复合材料作为结构材料，可应用于工业、民用、军工等各个领域，目前已在航空航天、汽车、电器设备、通讯、体育器械等多个领域得到应用。
4.1、汽车工业
“环保、节能、汽车轻量化”推动长纤维增强热塑性复合材料制备、制件设计与应用快速发展。以聚丙烯（PP）为基体的长玻纤增强热塑性复合材料在汽车工业终端制件中占有很大应用份额。有数据表明，有80％的长玻纤增强热塑性复合材料需求来自汽车工业（零配件），目前已在欧洲品牌汽车中得到广泛的应用。而汽车部件的高性能、多样化的特殊要求，也使长纤维增强热塑性复合材料对纤维、树脂有更多的选择。汽车上长纤维增强热塑性复合材料使用部位有：前端模块、仪表板、门模块、车身、底板以及其他复杂形状配件，既包括使用注塑工艺得到的复杂部件，也包括使用模塑得到的门窗、车身底板、仪表等，或者作为箱式货车的车厢护板、顶棚等层压板材。
表3、长纤维增强热塑性复合材料在欧洲品牌汽车中的应用情况
制造商
应用部位
噪音屏蔽
底部
前端
保险杠粱
仪表板
车门
其他
奥迪
■
■
■
■
宝马
■
■
■
雪铁龙
■
■
■
菲亚特
■
■
福特
■
奔驰
■
■
■
■
■
欧宝
■
标致
■
■
■
雷诺
■
西亚特
■
■
斯柯达
■
■
沃尔沃
■
大众
■
■
■
宝马在2013年7月29日发布了新款纯电动汽车（EV）“i3”，该车整车使用碳纤维复合材料，由德国大型材料厂商西格里(SGL)与宝马的合资公司使用三菱丽阳开发的碳纤维原纱，利用树脂等材料将其加工成CFRP(碳纤维增强树脂基复合材料)，提供给宝马的EV。在三家公司的合作下，成型的时间缩短到10分钟之内，使成本降低到了实用水平。
4.2防护产品
斯蒂芬妮·克沃勒克（Stephaine Kwolek）在上世纪60年代发明了芳纶1414，并根据其名字命名为凯夫拉（Kevlar），该材料首先被应用于军事，制造防弹衣、头盔等。在相当长的时间内，凯夫拉几乎就等于防弹材料的代名词。后来随着技术的发展，出现了高分子量高强高模聚乙烯纤维、碳纤维等高性能纤维，使热塑性复合材料有了更多的选择，但芳纶仍然是该类材料优先选择。
使用芳纶1414长纤维或高分子量高强高模聚乙烯长纤维，进行溶液浸渍得到预浸料，并把多层预浸料进行0/90°叠加，然后加热模压得到热塑性复合材料，该材料可以用于防弹衣、盾牌、头盔等。
4.3、航空航天、高铁等
航天、航空等对先进、高性能材料有着特殊的需求，该领域不同产品对长纤维增强热塑性复合材料有多样性的要求，这其中以碳纤维复合材料最为突出。纤维复合材料以其独特、卓越的理化性能，广泛应用在火箭、导弹和高速飞行器等航空航天业。例如采用碳纤维与塑料制成的复合材料制造的飞机、卫星、火箭等宇宙飞行器，不但推力大，噪音小；而且由于其质量较轻，所以动力消耗少，可节约大量燃料。据报道，航天飞行器的质量每减少lkg，就可使运载火箭减轻500kg。2007年面世的超大型飞机A380，复合材料的密度达23％。美国波音公司20世纪90年代初推出的波音777型客机也大量采用了复合材料达到10%以上，而其2007年下线的B787整机主体结构都是碳纤维复合材料制得。
4.4、建材
连续长纤维增强热塑性复合材料在高档建材领域使用主要以板材为主，主要是用连续玻璃纤维增强PP，重量轻，比强度、比模量高、耐腐蚀、耐水性好，使用方便、成本低、可以根据需要裁切，可以用螺钉，铆钉安装，也可以热融焊接等优点，可以用作墙板、墙体衬板、以及建筑模板等。
连续长纤维增强热塑性复合材料还可用于制作高品质的塑料管材。北京化工大学发采用连续长纤维增强高密度聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等热塑性塑料，缠绕成型制造承压塑料管，特别是大口径塑料管，设计压力可达到1.2MPa，设计壁厚可比同类塑料管的壁厚减少10～50%，具有强度高、成本低、质量轻的特点。
5、展望
目前世界一些著名的高分子材料公司如美国通用、泰科纳、杜邦，英国ICI，德国的巴斯夫、拜耳，日本的住友、智索，沙特的沙基，韩国的三星等有连续长纤维增强热塑性复合材料工业化产品。国内的金发、杰事杰、普利特、海尔新材等也对连续长纤维增强热塑性复合材料进行研发和工业化产品出售，但和国外有一些差距。其他还有一些规模比较小的企业，针对某一特点产品，如板材、成型件等进行开发，形成自身的特点。
连续长纤维增强热塑性复合材料因其显著的优点在许多领域都有应用，而随着技术的进步和连续长纤维增强热塑性复合材料成本的进一步降低，其应用必将更加广泛。
盘点连续纤维增强热塑性复合材料在汽车上的应用
随着节能减排要求的提高以及汽车电动化的加速，汽车轻量化成为汽车行业的发展潮流，推动着包括高强度钢、铝合金、工程塑料以及复合材料等在内的轻量化材料在汽车领域的应用。
连续纤维增强热塑性复合材料（CFRTP）作为一种高强度、高刚性、高韧性、可回收的新型热塑性复合材料，与钢、铝合金相比，可以有相当的强度、重量更轻、能量吸收能力更高；与热固性复合材料相比，更易于加工，且环保可回收，在汽车轻量化设计中具有巨大的应用潜力，可替代部分金属材料和高端聚合物材料，应用于座椅靠背、前端模块、车门内板、保险杠等车身结构件、半结构件上。
名称
OEM
原材料
效益
座椅底板
通用欧宝Astra OPC
巴斯夫 Ultramid™
生产出的座椅底板减轻了45%的重量
独立后排座椅外壳
奥迪A8
朗盛 Tepex® Dynalite
与钢板相比，重量减轻45%
座椅靠背骨架
上汽概念车
巴斯夫 Ultracom™
重量与传统座椅相比减轻达20%，轻薄设计更为第二排乘客增加2.5厘米的膝部空间
越野车后排座椅
朗盛 Tepex® Dynalite
质量比类似钢结构轻40%以上，同时可承受加速载荷的撞击
前端模块
大众Atlas和Teramont
朗盛 Tepex® Dynalite
比用钢板制成的嵌件约轻50％，CFRT嵌件区域可以承受更高的应力
轻量化A柱
保时捷
朗盛 Tepex® Dynalite
重量减轻了5kg
SUV前端支撑
梅赛德斯—奔驰GLE SUV
朗盛 Tepex® Dynalite
车门基板
福克斯
金发科技
与钢材及长纤维PP门系统相比，热塑性复合材料门系统相对减重大于30%
发动机底盘
朗盛 Tepex® Dynalite
重量比同等的钢材组件轻了60%以上，比相应的铝部件轻20%以上
悬架控制臂
PSA标致
重量减轻了50%
刹车踏板
保时捷、宾利欧陆GT
朗盛 Tepex® Dynalite
重量仅有传统钢制踏板的一半左右
侧门防撞梁
PSA标致雪铁龙
杜邦 Vizilon™
与超高强度钢(UHHS)相比，重量减少40%，能吸收更多的冲击能量
消声器隔热罩
宝马i8
朗盛 Tepex® Dynalite
确保部件在高温环境中不发生变形或失效，提高部件在冰冻温度下的强度和抗冲击性能
车轮觳插片
蔚来ES8 和ES6
科思创 Maezio™
外观优质，稳定性好
除了上述应用外，随着技术的发展成熟，连续纤维增强热塑性复合材料正越来越多地被用作汽车轻量化设计中金属的替代品。下面我们来看看，近期连续纤维增强热塑性复合材料在汽车上的创新应用。
一、宝马iX前围板和后窗框架部件
早在2010年，宝马集团就在JEC World展会期间公布了其首款大量采用复合材料的电动乘用车，而在后面的i3、i8、7系设计中同样大量采用了碳纤维复合材料。
宝马iX则是宝马集团在大量采用复合材料的全电动设计方面取得的又一进展，在iX中，宝马集团整合了7系的Carbon Core与之前宝马i 系的全碳纤维的车身结构，它采用了多材料的车身结构，宝马集团将这种车身结构称作Carbon Cage。
侧框架、雨水槽、车顶框架、前围板和后窗框架的 CFRP 部件组合形成一个“Carbon Cage ”，在加固车身的同时，减轻重量并提高车辆的灵活性。而前围板和后窗框架部件采用全新方法由连续纤维增强热塑性塑料 (CFRTP) 制成。
这种CFRP-CFRTP的混合结构与同样的钢制部件相比，在提高刚性的同时还减轻了5 kg的重量，同时实现了宝马想要的简约外观，从而增加了乘员舱的宽敞感。
二、奔驰S级轿车驾驶辅助系统电池支架
在梅赛德斯-奔驰 S 级轿车的高级自动化驾驶辅助系统结构件中，采用朗盛Tepex® 连续纤维增强热塑性复合材料制造电池支架，为该系统的“智能驾驶”供电。
据介绍，这款弓形支架由德国洛恩的Poeppelmann Kunststoff-Technik 公司制造，它的基材为聚丙烯基 Tepex® dynalite 104-RGUD600(4)/47%，制造方法是将复合材料的成型（悬垂）与注射成型相结合的两步法工艺。
采用复合材料可以使成品可比金属造的减重 40%，注塑成型步骤还可实现集成功能，不仅使安装支架变得更加容易，而且还可减少了传送运输工作。这些加工工艺有助于降低制造成本。且复合材料对车身和电池的金属部件是电绝缘的，大大降低了短路的风险。而由金属制成的组件需要额外的措施来防止短路。
三、梅赛德斯-奔驰S级轿车上的负载舱
朗盛Tepex dynalite连续纤维增强热塑性复合材料的一项新应用是制造安装在梅赛德斯-奔驰S级轿车上的负载舱，用于容纳 48V 车载电源电池。这种复合材料部件能够承受高机械应力，并且比同类金属板部件轻30%左右，可以防止电池在发生碰撞时穿透或损坏凹槽壁，同时确保负载舱的密封性。
该部件采用混合成型工艺，坯料由基于聚酰胺6的Tepex dynalite 102-RG600（2）制成，并用两层连续玻璃纤维织物增强。朗盛的 Durethan 聚酰胺6用于注塑紧固件和加强筋。
除了S轿车外，Tepex dynalite还应用于梅赛德斯-奔驰 C 级轿车的负载舱，用于容纳车载电源电池。轻质结构材料比金属轻得多，未来将在电动汽车安全装置、完整的电池系统外壳或引擎下可用的装载空间组件方面有巨大应用潜力。
四、东风汽车轻型卡车工具箱
SABIC与中国主要货车制造商东风汽车合作，开发出一种用于生产坚固而且轻量化的车载工具箱新型复合塑料混合解决方案。该应用混合了SABIC的 STAMAX™ 长玻纤聚丙烯树脂和一种连续玻纤复合层压嵌件，采用双色注塑工艺生产。与类似设计的钢制零件相比，采用该方案生产的成品零件重量减轻了30%，并有效提高了东风汽车的生产效率。
SABIC的混合解决方案结合了 STAMAX 树脂与热成型复合嵌件，这款嵌件由连续玻纤增强热塑性复合材料生产商江苏奇一科技生产的单向玻纤增强聚丙烯带制成。
层压嵌件在放置入模具之前需进行预热，并在一次操作中与 STAMAX 树脂一同进行双色注塑成型。这一嵌件可提高零件关键区域的刚度和强度，从而实现薄壁几何设计，以此减轻零件重量。采用塑料复合解决方案生产的卡车工具箱重量减轻了约 30%（4～6kg），同时保证了应用所需的刚度、韧性和强度。
综上，高性能、低密度的连续纤维增强热塑性复合材料已成为汽车轻量化中极具潜力的材料之一，在汽车半结构、结构件上广泛应用。从材料上看，国外连续纤维复合材料产业日趋完善，应用相对成熟，而国内相关企业的产品也逐步得到汽车制造商的认可。从工艺上来看，大批量自动化，以及多工艺材料的复合生产技术，符合未来汽车行业轻量化与集成化设计的发展趋势。
复合材料的加工方法
前言
复合材料（(CFRP)就是我们所熟知的，而航天航空领域的应用也是非常广泛的。除此之外，部分复合材 是目前国内生产的复合材料中这些优异的性能促使它广泛应用于许多领域，如航空航天、汽车、船舶、运动器材、建筑等。如现代商用飞机，如波音787、空中客车A350等，其结构 构不仅带来了优异的性能，同时还导致复合材料的加工要比传统材料更加具有挑战性。
手工铺设(Hand Lay-up)
图1、手工铺设
最简单也是最基础的方法，它用于制造简单的、平面或者轻微的曲面的复合材料部件。通过手动将增强材料铺设到模具上，然后将树脂均匀的涂抹在上面。树脂的作用是固化增强材料，形成最终的复合材料结构。这种方法的成本低，但劳动强度高，质量控制更依赖于工人的技能。
真空辅助树脂传输成型（VARTM）
主要用于制造大型或形状复杂的复合材料部件的真空辅助树脂传输成型（VARTM）。在成型过程中，首先需要将增强材料铺设在模具上，然后覆盖一层真空袋材料，通过管道，抽空空气，注入树脂。这种方法可以使树脂分布更均匀，减少空气夹杂和缺陷，但是整个过程需要较长的生产周期，且对模具和真空袋的密封性有较高的要求。
图2、真空辅助树脂传输成型
自动铺设(Automated Lay-up)
自动铺设是一种先进的复合材料加工技术，主要用于高性能、大批量生产的复合材料部件，尤其是在航空航天领域。自动铺设开始之前会预先设计好铺设路径，然后自动铺设机器会自动把已经被树脂浸透的增强材料放置在模具上进行铺设。这种机器具有高精度和高重复性，可以提高生产效率，减少材料浪费，保持一致的产品质量，但是自动铺设设备成本较高，且对设计和编程有严格要求。
创新的复合材料加工技术
由于科学技术和材料科学的不断发展，近几年出现了一些创新性的复合材料加工技术。
三维打印（3D Printing）
3D打印技术是一种通过材料层层递进，构建立体物体的创新制造方式。该技术在复合材料加工方面的应用，显示出其多样性和灵活性，尤其是在增强聚合物基材的开发方面。如热塑性聚酯基弹性体、ABS、PC、PSU等材料，在熔融沉积建模(FDM)中比较常见，生产完全功能部件时缺乏强度。但3D打印可以克服这一限制，通过开发纤维增强聚合物基体，如黄麻纤维与聚乳酸(PLA)基体丝结合碳纤维或捻合，提供结构和机械性能优于传统热塑性塑料。
3D打印技术相对于传统的复合材料加工方式有若干优点。3D打印技术能精确控制材料的布局与分布，从而可以优化结构的力学性能。如能对纤维或粒子进行精确的放置，提高复合材料的拉伸/储存模量，耐磨性与介电常数。另外，核壳复合粒子的应用如聚苯乙烯/纳米Al2O3复合材料，可改善激光吸收与纳米粒子在基体中的分散，提高烧结行为与机械性能。3D打印技术在应用于核壳复合粒子方面也有提升。
然而，在复合材料加工中3D打印也有一定的限制性，陶瓷微粒等某些添加剂不兼容熔融沉积过程，这就限制了可用于3D打印的材料种类和复合材料的潜在应用范围。综合起来看，尽管3D打印技术在复合材料加工中表现出巨大的潜力和优势，但在解决当前限制因素的同时，也要进行进一步的研究和开发来充分挖掘其未来的应用潜能。
图3、3D打印铺设复合材料
自动纤维放置（Automated Fiber Placement, AFP）
图4、自动纤维放置装置
自动纤维铺放技术(AFP)是一种通过自动化的方式对纤维进行安置和固化，从而制造出高性能复合材料的先进复合材料制造工艺。该技术尤其适用于纤维增强复合材料的生产，具有较窄的拖尾铺装、接近净形输出(浪费较低)、有效降低生产周期等特点。在AFP过程中，通常使用对纤维固化和复合材料质量至关重要的激光或热气喷灯(HGT)作为加热源。
AFP技术的一个显著优势是可以生产高强度、重量比等机械性能优异的热塑性复合材料，使之成为金属在多个领域的替代产品。例如，研究CF-PEEK(碳纤维增强型聚醚醚酮)复合物显示，这些材料的高效生产可以通过AFP技术实现，并保证其优越的机械特性。
然而，在很大程度上，AFP技术的有效性和效率依赖于选择合适的加工参数。参数包括动力、置入转速以及供热源所施加的压力等等。例如过高的激光功率(75W左右)会造成树脂的退化，而过低的功率(20W左右)则会造成不充分的树脂固化。另外，纤维损伤现象也可能在高负荷和高温条件下被观测到，从而使复合材料的机械性能受到明显影响。
整体而言，AFP技术提供了一种高效、精确的生产方法，使复合材料在复合材料制造方面具有优越的生产性能。尽管如此，这也是该技术在广泛应用中需要解决的主要挑战之一，工艺参数的精确控制对保证材料质量和性能至关重要。
微波固化技术
微波固化技术是以固化连续纤维增强的有机基体复合材料为主的复合材料制造的一种创新方法。该技术通过控制微波的照射强度和照射时间，使复合材料均匀固化，利用微波热源对复合材料进行加热固化。研究人员开发了用于预测微波固化过程中温度分布、树脂黏度、固化程度以及复合材料中树脂含量等指标的模型和计算机程序。另外，该程序还可以对缝隙的大小以及固化后的残余应力进行预测。
微波固化技术的应用包括玻璃纤维增强环氧复合物和石墨环氧复合物的固化如玻璃纤维增强环氧基体复合材料，不论层压板的取向和偏振角，都能通过微波有效固化。但对于石墨环氧复合材料，含有多向层压板，微波固化可能不够有效。
微波固化技术的优点包括在均匀、完整和经济固化的情况下，可以在不同的部件形态下实现。这种方法可以提高生产效率，对材料内部结构可能会造成冲击。微波固化可以实现更快的加热固化速度，降低能耗和生产时间，比传统的热固化方法更快。
然而，也有微波固化技术的限制。例如，由于材料的种类和厚度不同，微波能量的吸收和温度分布可能会不均匀，从而造成复合材料内部固化不均匀。另外，在复合材料内部聚合物树脂结构上，微波固化对多向层压板复合材料效果不佳，目前还没有得到充分的研究。因此，在处理具体类型的复合材料时，微波固化的效率和影响还需要进一步研究和考虑，尽管在某些方面微波固化比传统固化方法要好。
图 5: 微波固化技术示意图
结论
本文综合分析了复合材料加工方法的现状和发展趋势。从手工铺设到高级的自动化技术如自动铺设、自动纤维放置（AFP）和微波固化技术，这些方法体现了材料科学和工程领域的进步。每种技术都有其特定的应用场景和优缺点，如手工铺设在成本和工艺简单性上有优势，而自动铺设和AFP则在生产效率、重复性和质量控制方面更胜一筹。
3D打印和微波固化，正在为复合材料加工带来新的可能性。3D打印提供了更大的设计灵活性和材料优化潜力，而微波固化则能提高固化效率并减少能源消耗。然而，这些技术的发展仍面临诸多挑战，如材料的兼容性、工艺参数的优化和对最终产品性能的影响。
综上所述，复合材料加工工艺的发展，既体现了产业需求的变化，也是科技进步的重要标志，我国的复合材料加工工艺水平不断提高。未来的研发应以生产效率的提高、成本的降低和材料性能的增强为核心，同时也应克服现有技术为更好地适应不断变化的工业应用需求所带来的局限性。复合材料加工技术有望通过不断的技术革新和改进，在推动材料科学与工程发展的各个领域发挥更大的作用。
······未完，待续··············
来源：高分子材料改性、复材殿堂、复材人、复材资讯、艾邦、玻纤复材、严说一点、爱复材等等由复材先生搜集、编译、整理、汇总。
文章来源：马里亚纳锂电
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