浅谈碳纤维复合材料成型工艺技术

浅谈碳纤维复合材料成型工艺技术

摘要：碳纤维复合材料是以碳纤维或者碳纤维织物为增强体、碳或石墨化的

树脂作为基体形成的复合材料，其中纤维提供了主要的拉伸、弯曲等力学性能。

碳纤维复合材料具有便宜环保、比机械能较高、重量轻、耐疲劳、耐腐蚀，易操

作等优点。这些优点使碳纤维复合材料已经成为目前很多金属材料的替代品，并

应用在多个领域中，航天、船舶、汽车工业、化学加工设备、体育用品和民用基

础设施等。尽管碳纤维复合材料的性能卓越，但是其制备工艺中较高的生产成本

一直是阻碍其大规模生产的重要因素。目前，制备碳纤维复合材料有多种成型工艺，CFRP 就是我们常说的碳纤维复合材料。这种材料在航天、军工、电子等诸

多领域都有着很广泛的应用。尤其是碳纤维复合材料杆件是航空航天结构中最重

要的组成部分，常用于飞机和航天器的内部骨架以及发动机等零件的固定支架等。碳纤维复合材料管被应用在雷达、电视塔用于天线使用。

关键词：碳纤维复合材料；成型；工艺

碳纤维增强树脂基复合材料CFRP具有高强度、高模量、低密度、耐高温、

耐腐蚀、抗疲劳、减震性好、抗蠕变、高有效载荷等特点，可实现显著减重同时

降低能耗，广泛应用于航空航天、汽车、工业、建筑、体育等领域。CFRP杆、管

结构是组成复合材料构件的一种典型单元, 是航空、航天器结构中常用的结构组件。大型卫星天线和桁架结构的支撑杆大多采用 CFRP 圆管或方管。CFRP 管材

成型工艺方法一般采用纤维缠绕等工艺 ,这些成型工艺方法都有一定的局限性和

缺点。复合材料天线的大型弯管受外形限制不易采用纤维缠绕法。热缩成型工艺

新技术, 解决了 CFRP 管材的表面质量问题。

一、碳纤维复合材料

在当代高科技产物都是出于军事领域，碳纤维复合材料也是一样。在 20 世

纪 50 年代，世界强国都开展了对太空领域的探索，所以碳纤维复合材料也应运

而生，随着科技的不断进步，碳纤维复合材料制品也进入了平常人的生活中，小

到羽毛球拍大到汽车无处不见到碳纤维何处材料的身影。碳纤维合成材料的强度

要高于铜，自身重量却小于铝。与玻璃纤维相比，碳纤维还有高强度、高模量的

特点，是非常优秀的增强型材料。它不仅可以对塑料、金属、陶瓷灯材料进行增强。还可以做为新型的非金属材料进行应用，它的组要特点有；高强度、耐疲劳、抗蠕变、导电、高模量、抗高温、抗腐蚀、传热、比重小和热胀胀系数小等优异

性能。

1、碳纤维树脂复合材料。环氧树脂、酚醛树脂和聚四氟乙烯是目前被最多

应用于基体的树脂材料。这类复合材料的比重比铝轻，强度还很高。其弹性模量

要大于铝合金和钢。并且疲劳强度高，冲击韧性好。同时抗水和湿气，化学稳定

性高，摩擦系数小，导热性好，还具有受X 光线辐射时强度和模量不变化等特点。总之其性能要高于玻璃钢，所以被广泛应用于航天工程。但这类材料也有很大的

不足，做为复合材料，碳纤维与环氧树脂、酚醛树脂和聚四氟乙烯等材质的粘结

力不够大，而且各向异性强度高，在高温环境下不稳定。

2、碳纤维金属复合材料。碳元素不容易在常温条件下和金属发生反应，只

有在高温情况下才会生成金属碳化物，所以碳纤维金属复合材料比较不容制作。

目前使用的碳金属都是熔点低或者合金材料。但是其自身良好的强度和弹性也要

高于普通金属，最显著的事例就是碳纤维和铝锡合金形成的符合材料。这种材料

的抗磨性十分优越，主要被应用于高级轴承材料。例如这种材料最先在法国的高

速铁路中被应用于高速列车的制动装置，由于其较强的抗磨和抗损性，使得法国

高速列车的制动装置要优于其他国家，处于世界先进行列。

3、碳纤维陶瓷复合材料。与石英玻璃相比，碳纤维石英玻璃复合材料有着

超高的抗弯性和冲击性，其抗弯强度是石英玻璃的 12 倍，抗冲击性是石英玻璃

的 40 倍，而且还拥有很强的热稳性。碳纤维石英玻璃克服了传统玻璃脆性强的

特点，使其强度大大增加，形成了一种新型的陶瓷材料。在玻璃中混入 60%的碳

纤维细粉就可以将强度提高很多倍而且在抗机械的冲击性和抗热方面都有明显的

提高，这在大程度上克服陶瓷的脆性，同时保持陶瓷原有很多优异性能，以防碎

陶瓷目前发展情况来说防碎陶瓷有着十分广阔的发展前景。

二、碳纤维复合材料管材热缩成型工艺技术

1、热缩成型工艺原理。CFRP 管常用的成型工艺有手糊法、卷管法、纤维

缠绕法、预浸布铺层法等。预浸料手工铺层 -热压罐工艺一般适用于板件成型 ,

如用于制造管件, 则表面质量会存在严重缺陷。成型的 CFRP 管材的表面缺陷表

现为皱折、条纹及富胶等。这是因为 ,CFRP 管在铺层时, 不可能施加足够的张

力压紧预浸料叠层块, 各铺层间相对较松散, 厚度也较成品厚。在成型加压时,

将产生收缩。复合材料叠层块被压紧,沿环向的纤维必然松弛, 纤维被压弯曲、

打折。另外, 复合材料在固化封装时要使用辅助材料如真空袋、透气毡等,加压

成型时辅助材料被压缩产生皱折,这些皱折印在软化的复合材料叠层上 ,固化后

形成 CFRP 管的表面质量缺陷。这两种因素互相影响综合作用,形成了表面缺陷。不仅影响外观 ,而且也影响几何尺寸和光洁度及机械装配要求,这是高性能 CFRP 管所不允许的。本研究将组合件加热至一定温度时树脂软化, 热缩管恰好到达收

缩温度发生收缩变形,挤压预浸料叠层使树脂流平,达到使制件表面光滑的目的。

再升高温度时树脂发生凝胶化并需加压固化, 此时热缩塑料处于高弹性橡胶态,

能有效地传递热压罐的压力 ,并且使压力均匀作用于复合材料叠层, 减弱或消除

辅助材料皱折对复合材料表面的影响。待树脂完全固化后, 将复合材料管脱模 ,除去热缩塑料。针对该复合材料的成型工艺特性选择合适的热缩材料类型和热缩

成型工艺是本工艺技术的关键。

2、热缩成型工艺

（1）热缩成型工艺流程。首先在刚性芯模外面按材料设计的铺层数 ,铺层

顺序铺放、缠绕碳纤维预浸料, 然后进行预吸胶。吸胶后去除吸胶材料, 直接在

预浸料叠层上加经过表面处理过的热缩套管, 在一定工艺条件下进行热缩 ,热缩

完成后再将其封装进热压罐固化。最后脱模 ,剥离热缩管,得到制品。

（2）预吸胶工艺。在热缩工艺前必须配合使用预吸胶工艺 ,又称预压实工艺。预吸胶是指在固化前, 在一定的压力和温度等工艺条件下从复合材料叠层块

吸出一定量的树脂, 对复合材料的树脂含量进行控制。这样既压紧了预浸料叠

层 ,又免除了在固化时热缩管和预浸料叠层之间的吸胶材料。热缩管和预浸料叠

层之间直接接触。热缩管的内壁状态反映于复合材料管的表面,以达到表面光滑、平整的最佳效果。预吸胶工艺的主要参数为温度、恒温时间、压力。制定合理