一、 材料形態(tài)

熱塑性復(fù)合材料的增強體形態(tài)包括單向帶、織物和隨機氈，且每種形態(tài)的浸漬程度各不相同。完全浸漬型材料可快速加工為最終制件，但質(zhì)地偏硬、挺括；部分浸漬型材料在室溫下具備柔韌性，可鋪貼成復(fù)雜曲面形狀，不過由于高黏度聚合物需要更長時間流動以浸潤增強纖維，這類材料的成型周期相對更長。

單向帶必須采用完全浸漬工藝制備，原因在于其橫向缺乏類似熱固性預(yù)浸料所用的載體材料提供支撐。市面上供應(yīng)的單向帶寬度大多為305毫米，少數(shù)規(guī)格可達到610毫米；同時也有適用于自動纖維鋪放（AFP）和自動帶鋪放（ATL）工藝的窄幅產(chǎn)品，最窄可至3.2毫米。

織物和氈類材料的形態(tài)種類更為豐富，既包含完全浸漬型，也包含多種部分浸漬型 —— 這類材料中聚合物與增強纖維僅實現(xiàn)物理混合，并未完全浸潤纖維。部分浸漬型材料的常見制備方式有粉末涂覆法、聚合物與增強纖維共混法，以及在增強體表面貼合聚合物薄膜的方法。部分浸漬型材料的一大優(yōu)勢在于，室溫下即可直接鋪貼成制件的目標外形；另一優(yōu)勢是，織物或氈的織造結(jié)構(gòu)能夠在熔融成型過程中約束纖維的變形行為。此類材料的寬度通常由織物或氈的幅寬決定，最大可達1.5米。

除了成型周期更長，部分浸漬型材料還存在體積因子較高的特點，這一點在部分成型工藝中需重點關(guān)注。例如在模壓成型時，材料需在對模中完成壓實，體積因子過高會直接影響壓實效果。此外還需注意，采用部分浸漬型材料時，纖維 - 基體界面是由成型廠商在加工過程中形成的。由于熱塑性聚合物黏度較高，其對纖維表面的浸潤性較差，可能導(dǎo)致最終制件的界面性能偏低。

單向帶、織物和氈均可進一步復(fù)合為層合板，這類層合板可實現(xiàn)快速成型加工。層合板屬于熱塑性復(fù)合材料的中間制品，使用它可以省去材料的鋪層和預(yù)壓實工序，讓成型廠商能夠?qū)Ｗ⒂谥萍某尚团c裝配環(huán)節(jié)。目前多家供應(yīng)商均可生產(chǎn)此類層合板，最大尺寸可達3.7米×1.2米。

從自動纖維鋪放到模壓成型的各類快速成型工藝，均要求使用完全浸漬型材料，因為這類工藝的熔融周期較短，沒有充足時間讓聚合物完成對纖維的浸潤。而模壓成型、熱壓罐成型和僅用真空袋（VBO）固結(jié)工藝，則既適用于完全浸漬型材料，也可用于部分浸漬型材料。通常情況下，材料形態(tài)的選擇主要取決于制件的性能要求，但對于熱塑性復(fù)合材料而言，必須將材料形態(tài)與成型工藝結(jié)合起來統(tǒng)籌選擇。

二、 材料形態(tài)與成型工藝的關(guān)聯(lián)性

綜上所述，熱塑性復(fù)合材料的形態(tài)種類繁多，與之匹配的成型工藝也十分豐富。部分材料形態(tài)已處于半成品質(zhì)態(tài)，可直接加工為最終制件；另一部分則需要先完成鋪層，再在成型前或成型過程中進行預(yù)壓實處理，這些材料主要分為三大類：

1. 層合板或有機板材，這類材料大多采用織物作為增強體；

2. 單向帶，此類材料必須為完全浸漬型；

3. 織物及氈增強的單層材料，這類材料通常為部分浸漬型。

層合板因?qū)儆谕耆n且經(jīng)過預(yù)壓實的材料，可直接用于模壓成型等快速加工工藝。層合板的生產(chǎn)主體可以是材料供應(yīng)商、中間加工商，也可以是最終制件的生產(chǎn)商。

單向帶和織物在加工前，需按照設(shè)計要求完成鋪層方向和鋪層結(jié)構(gòu)的布置，具體方式有多種。以單向帶為例，可采用纖維 / 帶鋪放工藝，通過低能加熱實現(xiàn)鋪層間的初步粘接定位，或通過高能加熱實現(xiàn)高程度的預(yù)壓實，最終得到層合板或高致密性預(yù)成型體。單向帶和織物鋪層的拼接可采用自動或人工拾取 - 放置的方式完成，由于熱塑性材料本身不具備黏性，鋪層之間需通過局部加熱或超聲點焊的方式實現(xiàn)固定。同理，單向帶的邊緣通常需要采用縫焊工藝連接，以確保鋪層位置固定，避免相鄰鋪層出現(xiàn)重疊或間隙。由此可見，熱塑性復(fù)合材料的尺寸一致性至關(guān)重要 —— 例如鋪層若無法保持平整，或邊緣出現(xiàn)翹曲、尺寸偏差，都會直接影響鋪層裝配的精度。

連續(xù)模壓成型（CCM）是一種特殊的成型工藝：該工藝將鋪層以連續(xù)卷材的形式，按照預(yù)設(shè)角度（0°、90°、+45°、-45° 等）排布，然后連續(xù)送入模具的加熱區(qū)和冷卻區(qū)完成成型。因此，連續(xù)模壓成型可在一道工序內(nèi)同時完成鋪層整合與制件成型。完全浸漬型和部分浸漬型的單向帶、織物、氈均可用于該工藝。通過調(diào)整模具結(jié)構(gòu)，既能生產(chǎn)用于后續(xù)成型的層合板，也可直接制得成品型材。連續(xù)模壓成型在大批量生產(chǎn)層合板或型材時具有顯著的成本優(yōu)勢。

為優(yōu)化制件的重量與性能，實際生產(chǎn)中常需要設(shè)計變厚度結(jié)構(gòu)。當(dāng)制件不同區(qū)域需要增減鋪層數(shù)量時，精準控制鋪層邊界的位置就成為貫穿整個生產(chǎn)流程的關(guān)鍵 —— 從鋪層裝配，到中間制品加工，再到最終制件成型，均需嚴格把控。這一點在對模成型工藝中尤為重要：厚度變化區(qū)域的位置必須與模具精準匹配，才能確保制件的壓實和成型質(zhì)量滿足要求。

完成鋪層裝配的坯料，既可以通過多種工藝固結(jié)為層合板，也可以直接進入最終成型工序。從層合板上裁切得到的坯料，可用于模壓成型等快速加工工藝。過去業(yè)界普遍認為，此類坯料的質(zhì)量必須達到成品制件的水準，因為快速成型工藝僅能實現(xiàn)坯料的形狀重塑，沒有足夠時間進行二次浸漬或壓實。但近年來的研究表明，即便是未完全壓實、但致密度良好的坯料，經(jīng)過高壓快速成型后，也能制得高性能制件。這一發(fā)現(xiàn)拓展了低成本坯料制備工藝的應(yīng)用空間，例如僅采用高能纖維鋪放工藝，或?qū)︿亴舆M行真空袋固結(jié)的方法，都可用于制備合格坯料。

此外，完成鋪層的坯料還可通過多種工藝直接加工為最終制件，包括對模成型（如靜態(tài)或連續(xù)模壓機成型）和靜壓成型方法（如真空袋固結(jié)、熱壓罐成型，以及采用單側(cè)模具和柔性面的隔膜成型）。上述部分工藝既可以用于中間層合板的固結(jié)，也可直接用于最終制件的成型。當(dāng)然，不同工藝在成型周期、模具與設(shè)備成本、耗材成本等方面各有優(yōu)劣。因此，成型工藝的選擇需綜合考量多方面因素，包括制件尺寸與復(fù)雜度、生產(chǎn)批量、生產(chǎn)效率以及現(xiàn)有設(shè)備條件等，這些因素都會直接影響制件質(zhì)量，以及一次性成本和單件生產(chǎn)成本。

三、 材料形態(tài)對成型及性能的影響

熱塑性復(fù)合材料的不同形態(tài)之間，還存在一些更細微的差異，這些差異主要體現(xiàn)在聚合物 - 纖維分布狀態(tài)、聚合物牌號以及界面特性等方面。

（一） 熱塑性單向帶預(yù)浸料

不同材料供應(yīng)商采用的高黏度、高熔融溫度熱塑性聚合物與增強纖維的復(fù)合工藝各不相同。目前市面上有多家單向帶供應(yīng)商，即便是采用同種聚合物和同種增強纖維制備的單向帶，其微觀形貌也可能存在顯著差異，進而導(dǎo)致產(chǎn)品性能、操作工藝性和成型特性各不相同。

幾種商用狀態(tài)下的 PEEK / 碳纖維單向帶顯微照片。這些單向帶均以 PEEK 為基體，碳纖維體積含量約為 60%，標稱鋪層厚度一致，產(chǎn)品說明和物性數(shù)據(jù)表的參數(shù)也幾乎相同，但微觀形貌卻大相徑庭。它們在局部厚度、表面粗糙度、聚合物 - 纖維分布狀態(tài)以及浸漬程度等方面均存在明顯差異。其中預(yù)浸料 A 和 C 的纖維 / 基體分布相對均勻，厚度一致性好，且無孔隙缺陷；即便如此，預(yù)浸料 A 仍存在表層纖維含量偏高、芯層聚合物含量偏高的特點。預(yù)浸料 B 則表現(xiàn)為厚度不均、表面粗糙、聚合物 - 纖維分布雜亂，表層存在大量富膠區(qū)域，纖維密集區(qū)則分布著大量微孔。這些微觀形貌的差異會直接影響加工過程，并最終反映在制件性能上。

在模壓成型等高壓快速成型工藝中反而表現(xiàn)出更優(yōu)異的成型性能。這可能是因為預(yù)浸料表層的富膠區(qū)域在成型過程中形成了層間滑移面，也可能是粗糙的表面形貌有助于鋪層間的相對滑動，具體原因還有待進一步研究。除了提升層間滑移性，預(yù)浸料表層輕微的富膠狀態(tài)，對于纖維鋪放、帶鋪放以及焊接等工藝也有積極作用 —— 表層較高的聚合物含量有助于鋪層或制件間快速形成熱粘接。

而在其他工藝中，微觀形貌更均勻的預(yù)浸料則能表現(xiàn)出更優(yōu)的加工性能和制件質(zhì)量。例如在自動纖維鋪放結(jié)合真空袋固結(jié)的工藝中，更傾向于選擇纖維分布均勻、浸漬充分的預(yù)浸料。原因在于自動纖維鋪放的工序節(jié)拍短，且真空袋固結(jié)的成型壓力較低，材料本身的均勻性會直接決定最終制件質(zhì)量。有研究數(shù)據(jù)表明，采用此類工藝制備的層合板，可達到與熱壓罐固結(jié)層合板相當(dāng)?shù)母咝阅芩健?/span>

（二） 聚合物基體的影響

即便是同一種化學(xué)體系的聚合物，其性能也可能存在較大差異。熱塑性聚合物的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，高纖維含量復(fù)合材料僅占其市場份額的很小一部分。

部分熱塑性復(fù)合材料供應(yīng)商具備自主生產(chǎn)聚合物的能力，并可針對復(fù)合材料的應(yīng)用需求對聚合物進行改性。其中聚合物牌號是核心影響因素，牌號的差異本質(zhì)上體現(xiàn)在聚合物的黏度上，而黏度又與分子量及分子量分布直接相關(guān)。不同成型工藝和應(yīng)用場景，對聚合物的分子量范圍要求不同 —— 例如，用于復(fù)雜制件注塑成型的通常是 “高流動性”（低黏度）牌號，而用于熱塑性纖維和薄膜擠出成型的則多為 “低流動性” 牌號。

分子量對聚合物黏度具有決定性影響，進而影響復(fù)合材料的浸漬效果和成型加工性能，同時也會左右聚合物自身的韌性。對于高纖維含量復(fù)合材料而言，低黏度聚合物更有利于浸漬纖維，但這類聚合物的韌性通常偏低，需要注意的是，存在一個臨界分子量值，當(dāng)分子量低于該值時，聚合物分子鏈的纏結(jié)程度會急劇下降，導(dǎo)致材料韌性大幅衰減。

除分子量外，影響復(fù)合材料性能的聚合物特性還包括分子鏈的線性度、支化度、端基類型以及具體分子結(jié)構(gòu)。以 PEKK 樹脂為例，其聚合過程中可調(diào)控 “對位 / 間位” 單體比例，這一參數(shù)會直接影響聚合物的熔融溫度、結(jié)晶速率和結(jié)晶度。因此，聚合物的分子結(jié)構(gòu)需與成型工藝相匹配。

所有熱塑性聚合物都具有一個共性：有效黏度對剪切速率高度敏感。這一特性在聚合物行業(yè)已形成共識，相關(guān)數(shù)據(jù)可在各類工藝指導(dǎo)手冊中查詢。數(shù)據(jù)顯示，隨著加工剪切速率的提高，聚合物黏度降幅超過一個數(shù)量級。自動纖維鋪放和焊接工藝屬于低剪切速率過程，而模壓成型則屬于高剪切速率過程，因此在制定最優(yōu)工藝參數(shù)時，必須充分考慮聚合物的有效黏度變化規(guī)律。值得注意的是，與剪切速率相比，加工溫度對黏度的影響要小得多 —— 即便溫度從 360℃升高至 400℃，黏度變化也相對有限，尤其是在高剪切速率條件下，溫度的影響更為微弱。

（三） 纖維 - 基體界面性能的影響

纖維與基體的界面性能，會對熱塑性復(fù)合材料的加工過程和最終性能產(chǎn)生顯著影響。對于完全浸漬型材料，界面是由材料供應(yīng)商在預(yù)浸料制備階段形成的；而對于部分浸漬型材料，界面則是由成型廠商在中間制品或最終制件的加工過程中形成的。如前文所述，熱塑性聚合物黏度高，對小直徑纖維表面的浸潤性較差，且黏度對剪切速率高度敏感。因此在加工過程中，通常需要通過剪切作用促使聚合物滲入纖維束內(nèi)部，確保纖維表面得到充分浸潤。即便聚合物與纖維實現(xiàn)緊密接觸，仍有多個因素會影響界面結(jié)合強度。

在絕大多數(shù)應(yīng)用場景中，都需要強韌的纖維 - 基體界面，以實現(xiàn)纖維與基體之間的載荷傳遞（抗彈應(yīng)用可能是個例外）。通常情況下，碳纖維表面會涂覆一層上漿劑，目的是減少纖維在加工過程中因相互摩擦造成的損傷。但目前市面上的大部分上漿劑是針對熱固性樹脂開發(fā)的，其固化溫度相對較低（如 177℃），且配方設(shè)計與環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂等基體具有良好的相容性。這類上漿劑在熱塑性復(fù)合材料的高溫加工過程中易發(fā)生降解，從而導(dǎo)致界面性能下降。

長期以來，業(yè)界普遍認為無漿碳纖維與熱塑性聚合物的界面相容性最佳，但無漿碳纖維在浸漬和加工過程中更容易出現(xiàn)損傷和磨損，給生產(chǎn)帶來挑戰(zhàn)。近年來，熱塑性相容型上漿劑逐漸問世，這類上漿劑既能有效保護纖維免受損傷，又能顯著提升界面結(jié)合強度 —— 這一點可通過橫向彎曲強度測試得到驗證。相關(guān)研究表明，采用熱塑性相容型上漿劑的碳纖維復(fù)合材料，其斷裂面表現(xiàn)出更優(yōu)異的纖維 - 基體粘接效果。

四、 材料與成型工藝的選擇原則

熱塑性復(fù)合材料的形態(tài)與成型工藝種類繁多，選擇時往往容易陷入困惑。部分工藝（如層合板坯料模壓成型）已在生產(chǎn)中成熟應(yīng)用；還有一些工藝則通過了研發(fā)驗證和小批量生產(chǎn)考核，目前正處于規(guī)?；慨a(chǎn)的技術(shù)成熟階段。材料形態(tài)與成型工藝的合理匹配，對制件性能和成型方案的可行性起著決定性作用。針對特定制件，最終的工藝選擇還會受到生產(chǎn)批量和生產(chǎn)效率的顯著影響。

除上述核心選擇依據(jù)外，還需考慮一些更細微的影響因素，包括纖維-基體分布狀態(tài)、材料均勻性、纖維-基體界面性能，以及具體的聚合物牌號等。因此，終端用戶、設(shè)計人員、材料供應(yīng)商和成型廠商之間的密切協(xié)作，是實現(xiàn)特定應(yīng)用場景下材料與工藝最優(yōu)匹配的關(guān)鍵。

此文由中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會搜集整理編譯，部分數(shù)據(jù)來源于網(wǎng)絡(luò)資料。文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請注明出處。