摘要

熱塑性復(fù)合材料憑借優(yōu)異的耐疲勞性、短成型周期及可回收性等優(yōu)勢(shì)，在航空航天、軌道交通等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。本文系統(tǒng)梳理了連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性預(yù)浸料的制備工藝（溶液浸漬法、熔融浸漬法、懸浮熱熔法等）及復(fù)合材料成型技術(shù)（模壓成型、自動(dòng)鋪放成型、原位固結(jié)成型等），分析了各工藝的技術(shù)特點(diǎn)、工程化應(yīng)用可行性及研究進(jìn)展，并對(duì)未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：熱塑性預(yù)浸料；制備工藝；懸浮熱熔法；成型工藝；自動(dòng)鋪放

樹脂基復(fù)合材料在航空航天裝備中占據(jù)重要地位，其用量已成為衡量裝備先進(jìn)性的重要指標(biāo)。熱塑性復(fù)合材料因具備耐疲勞性能優(yōu)異、成型周期短、可二次加工等特性，成為輕量化結(jié)構(gòu)的理想選擇。本文聚焦熱塑性預(yù)浸料制備與復(fù)合材料成型工藝，旨在為工程化應(yīng)用提供技術(shù)參考。

2. 熱塑性預(yù)浸料制備工藝

熱塑性預(yù)浸料制備工藝的核心在于實(shí)現(xiàn)纖維與樹脂的均勻浸潤(rùn)及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定化。

2.1溶液浸漬法

溶液浸漬法作為傳統(tǒng)工藝，通過將樹脂溶解于溶劑中形成低黏度浸漬液，使纖維束在軋輥擠壓下完成浸潤(rùn)，隨后經(jīng)高溫烘箱去除溶劑。該工藝對(duì)樹脂溶解度要求嚴(yán)苛，需滿足溶劑沸點(diǎn)介于浸漬溫度與樹脂分解溫度之間，且存在溶劑殘留風(fēng)險(xiǎn)，目前僅用于實(shí)驗(yàn)室研究。例如，采用 PES 改性 T700 碳纖維表面，結(jié)合溶液浸漬法制備的 CF/PEEK 復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度提升 13.69%（申維新等，2021）。

圖1 溶液浸漬法工藝流程圖

2.2熔融浸漬法

熔融浸漬法通過螺桿擠出機(jī)將樹脂加熱至熔融態(tài)（如 PEEK 需 360-380℃），借助浸漬模具與纖維束的動(dòng)態(tài)接觸實(shí)現(xiàn)浸潤(rùn)。該工藝具有樹脂含量控制精確（±2%）、纖維準(zhǔn)直性好等優(yōu)勢(shì)，但對(duì)樹脂熔體流動(dòng)性要求極高。李興樂等研究發(fā)現(xiàn)，360℃拉擠溫度下 PEEK 預(yù)浸絲束拉伸強(qiáng)度達(dá) 1660MPa，而溫度過高（370℃）會(huì)導(dǎo)致樹脂降解。白艷博通過優(yōu)化 PA6 浸漬模具參數(shù)，成功制備纖維體積分?jǐn)?shù) 66.5% 的預(yù)浸帶，孔隙率僅 1.33%。

圖2 熔融浸漬法工藝流程圖

2.3 薄膜疊層法

先制成樹脂薄膜，再與增強(qiáng)纖維復(fù)合，工藝簡(jiǎn)單，可分段控制質(zhì)量。但該方法適用于低黏度熱塑性樹脂，高黏度樹脂（如PEEK）預(yù)浸料浸潤(rùn)效果較差，需后續(xù)熱壓成型加強(qiáng)纖維浸潤(rùn)。但壓力過大易致纖維褶皺，影響樹脂浸潤(rùn)，故薄膜疊層法中壓力是關(guān)鍵參數(shù)。

圖3 薄膜層疊法工藝流程圖

2.4 粉末浸漬法

包括硫化床粉末法和撒粉法。前者使樹脂粉末填充纖維間再加熱固結(jié)，對(duì)樹脂粒徑要求高，樹脂含量精度控制難；后者將樹脂粉末撒在纖維上加熱制備，適用于流動(dòng)性好的樹脂。

圖4 硫化床粉末法和撒粉法工藝流程圖

2.5 懸浮熱熔法

懸浮熱熔法作為主流工業(yè)化技術(shù)，將樹脂粉末（粒徑 5-25μm）分散于水基懸浮液中，利用超聲波空化效應(yīng)促進(jìn)纖維束展開，經(jīng)軋輥壓力使樹脂顆粒嵌入纖維間，再通過高溫（380-400℃）熔融固結(jié)。該工藝具有環(huán)保、連續(xù)化生產(chǎn)的特點(diǎn)，已實(shí)現(xiàn) PEEK、PPS 預(yù)浸料的規(guī)?；苽?。美國(guó) Barrday 公司采用該工藝生產(chǎn)的 CF/PEEK 預(yù)浸帶，0° 拉伸強(qiáng)度達(dá) 2669MPa，日本 Toray 公司的 Cetex TC1220 產(chǎn)品層間剪切強(qiáng)度突破 106MPa。國(guó)內(nèi)研究顯示，優(yōu)化分散劑配比（如 Triton-100 與 PEG 復(fù)配）可使懸浮液穩(wěn)定時(shí)間延長(zhǎng)至 50min，纖維體積分?jǐn)?shù)達(dá) 60%。

圖5 懸浮熱熔法工藝流程圖

2.6 纖維混編法

纖維編織法通過將樹脂纖維與增強(qiáng)纖維進(jìn)行經(jīng)緯編織，利用熱壓過程中樹脂纖維的熔融實(shí)現(xiàn)界面結(jié)合。該工藝適合制備復(fù)雜曲面構(gòu)件，但樹脂紡絲成本較高且纖維體積分?jǐn)?shù)受限（通常 < 50%）。Hasan 等采用再生碳纖維混編技術(shù)制備的 PA6 復(fù)合材料，拉伸強(qiáng)度達(dá) 1364MPa，彎曲模量 100GPa。張雷等通過碳纖維 / 尼龍 6 混編工藝，制備的層合板拉伸強(qiáng)度 825MPa，彎曲強(qiáng)度 520MPa。

整體而言，懸浮熱熔法憑借其環(huán)保性和工藝穩(wěn)定性成為高性能預(yù)浸料的主流制備技術(shù)，而纖維混編法在復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型中展現(xiàn)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)在熔融浸漬與懸浮熱熔工藝方面已突破關(guān)鍵技術(shù)，但規(guī)模化生產(chǎn)裝備仍依賴進(jìn)口，需加強(qiáng)專用樹脂體系開發(fā)與智能化生產(chǎn)線建設(shè)。

3.熱塑性復(fù)合材料成型工藝

熱塑性復(fù)合材料成型工藝的核心目標(biāo)在于充分利用熱塑性樹脂的快速熔融流動(dòng)性與可重復(fù)加工特性，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的高效制造。

3.1模壓成型

模壓成型作為傳統(tǒng)工藝的代表，通過將預(yù)浸料層疊體置于模具中進(jìn)行加熱加壓，具有操作簡(jiǎn)便、成型周期短（通?！?0 分鐘）的優(yōu)勢(shì)，目前在汽車內(nèi)飾板、飛機(jī)艙門等平板類構(gòu)件中已實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。研究表明，優(yōu)化模壓參數(shù)（如 310-330℃加熱溫度、9MPa 成型壓力）可有效控制 PPS 復(fù)合材料的孔隙率至 1% 以下，層間剪切強(qiáng)度達(dá) 53MPa。然而，該工藝對(duì)復(fù)雜曲面的適配性較差，限制了其在航空主承力結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

3.2自動(dòng)鋪放成型

自動(dòng)鋪放成型技術(shù)通過數(shù)控設(shè)備將預(yù)浸帶 / 絲束精確鋪貼于模具表面，結(jié)合激光加熱（400-420℃）實(shí)現(xiàn)原位局部熔融，顯著提升了鋪放效率（可達(dá) 12m/min）和層間結(jié)合強(qiáng)度。國(guó)內(nèi)外研究均表明，鋪放壓力（10-15N）與速度（60-100mm/min）的協(xié)同優(yōu)化是關(guān)鍵參數(shù)，可使 CF/PEEK 復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度突破 68MPa。值得注意的是，德國(guó) DLR 研究所采用該技術(shù)成功制備了 8 米長(zhǎng)的機(jī)身蒙皮，驗(yàn)證了其在大型航空結(jié)構(gòu)件中的工程化潛力。

3.3原位固結(jié)成型

原位固結(jié)成型作為自動(dòng)鋪放技術(shù)的升級(jí)，通過精確控制模具溫度場(chǎng)（如 130-140℃結(jié)晶窗口）實(shí)現(xiàn)鋪放與固化的一體化，避免了二次熱壓工序。國(guó)內(nèi)研究顯示，優(yōu)化激光功率（6kW）與壓輥壓力（1500N）可使 CF/PPS 復(fù)合材料的層間結(jié)合度達(dá) 85%，性能接近熱壓罐成型水平。該技術(shù)對(duì)預(yù)浸料的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)調(diào)控要求極高，需結(jié)合分子鏈擴(kuò)散模型進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化。

3.4 3D 打印成型

3D打印成型技術(shù)借助熔融沉積（FDM）或選擇性激光燒結(jié)（SLS）實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的增材制造，尤其在醫(yī)療植入體、定制化工裝等領(lǐng)域展現(xiàn)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。研究表明，采用雙噴頭技術(shù)（連續(xù)纖維 + 短切纖維增強(qiáng)）可使 CF/PA6 打印件的拉伸強(qiáng)度提升至 110MPa，但層間強(qiáng)度仍低于傳統(tǒng)成型工藝（約為模壓件的 60%）。未來需通過打印路徑優(yōu)化、界面改性等手段突破層間性能瓶頸。

4. 結(jié)論與展望

4.1 研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)在預(yù)浸料制備與成型工藝方面取得階段性成果，但工程化應(yīng)用仍落后于歐美。懸浮熱熔法和模壓成型技術(shù)相對(duì)成熟，而原位固結(jié)、3D 打印等自動(dòng)化工藝尚處實(shí)驗(yàn)室階段。

在我國(guó)預(yù)浸料制備與成型工藝的研究領(lǐng)域，目前已實(shí)現(xiàn)了階段性的進(jìn)展。然而，與歐美國(guó)家相比，我們?cè)诠こ袒瘧?yīng)用方面還存在一定的差距。具體來看，懸浮熱熔法和模壓成型技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但原位固結(jié)、3D打印等自動(dòng)化工藝還停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段。

4.2 發(fā)展方向

展望未來，預(yù)浸料制備領(lǐng)域的發(fā)展方向?qū)⒅饕性谝韵聨讉€(gè)方面：一是開發(fā)具有高穩(wěn)定性的樹脂體系及連續(xù)化生產(chǎn)裝備，以解決PEEK等高性能樹脂在浸潤(rùn)過程中的難題。在成型工藝方面，將進(jìn)一步深化激光輔助鋪放、原位固結(jié)等關(guān)鍵技術(shù)研究，以提高層間性能和生產(chǎn)效率。此外，還將積極推動(dòng)熱塑性復(fù)合材料在航空結(jié)構(gòu)件、軌道交通輕量化等領(lǐng)域的示范應(yīng)用，拓展其應(yīng)用范圍。

參考文獻(xiàn)：

1.霍紅宇，姚鑫，高亮，等 . 高性能連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性預(yù)浸料及復(fù)合材料制備工藝研究進(jìn)展［J］. 材料工程，2025，53（3）：44-53. HUO Hongyu，YAO Xin，GAO Liang，et al. Research progress in preparation technology of high performance continuous fiber reinforced thermoplastic prepreg and its composites［J］. Journal of Materials Engineering，2025，53（3）：44-53.

2.申維新，姜云龍，朱愛萍 . 聚醚砜對(duì)連續(xù)碳纖維/聚醚醚酮復(fù)合材料性能的影響［J］. 復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2021，38（6）：1809-1816.SHEN W X，JIANG Y L，ZHU A P. Effect of polyethersulfone on the properties of continuous carbon fiber/polyetheretherketone  composites［J］. Acta Materiae Compositae Sinica，2021，38（6）：1809-1816.

3.HASAN M M B，BACHOR S，ABDKADER A，et al. Low twist hybrid yarns from long recycled carbon fibers for high perfor‐mance thermoplastic composites［J］. Materials Science Forum，2022，1063：147-153.