熱塑性碳纖維復(fù)合材料是指由碳纖維與熱塑性樹(shù)脂融合后形成的產(chǎn)物，不同形態(tài)的碳纖維和不同類(lèi)型的熱塑性樹(shù)脂的融合難度存在巨大差異，融合后的性能差距也存在較大的區(qū)別。當(dāng)下以連續(xù)碳纖維與熱塑性聚醚醚酮樹(shù)脂形成的復(fù)合材料的性能較出色，且該復(fù)合材料的制備具備批量生產(chǎn)的可能。
　　
 
　　熱塑性碳纖維復(fù)合材料從理論到實(shí)踐的過(guò)程中，制備復(fù)合材料是難度較高的一個(gè)環(huán)節(jié)，而另外一個(gè)環(huán)節(jié)是如果將復(fù)合材料較為簡(jiǎn)便的制成各種外形的零部件，同時(shí)保持物理結(jié)構(gòu)上的完整與機(jī)械性能上的優(yōu)勢(shì)。想要解決以上2個(gè)環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題，不僅需要理論研究，而且實(shí)踐測(cè)試必不可少，現(xiàn)階段有哪些被證實(shí)可行的加工成型方案？智上新材料帶大家了解一下。
　　
　　現(xiàn)階段可實(shí)操的5種熱塑性碳纖維復(fù)合材料成型工藝
　　
　　1、熔融浸漬成型
　　
　　熔融浸漬是制備結(jié)晶性聚合物浸漬帶的最佳選擇，從熔融浸漬裝置的喂絲架引出單向、平行、固定張力的纖維絲束，送入熔融浸漬槽中浸漬熱塑性樹(shù)脂，經(jīng)過(guò)高溫爐和熱壓輥壓制成預(yù)浸帶后，由收卷系統(tǒng)繞成卷。熔融浸漬工藝的核心是讓纖維束最大程度地分散，并使得纖維束內(nèi)部得到充分浸潤(rùn)。
　　
　　在該方法中，達(dá)到熔融狀態(tài)的樹(shù)脂在一定壓力下對(duì)處于分散狀態(tài)的纖維束進(jìn)行浸漬，理想狀態(tài)下纖維束內(nèi)部將得到充分浸潤(rùn)，最后冷卻得到預(yù)浸料或預(yù)浸纖維條。熔融浸漬工藝簡(jiǎn)單，過(guò)程中基本不產(chǎn)生揮發(fā)性氣體，同時(shí)能精確地控制預(yù)浸料的纖維含量；但在高黏度樹(shù)脂體系下浸漬效果不佳，纖維展開(kāi)分散較為不易。
　　
　　實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將碳纖維穿過(guò)自行設(shè)計(jì)并安裝于單螺桿擠出機(jī)上的浸漬機(jī)頭后，向進(jìn)料斗加入與抗氧劑混合后的PA66樹(shù)脂，進(jìn)行熔融塑化，從而對(duì)連續(xù)碳纖維進(jìn)行包覆、浸漬，制得不同碳纖維含量的CF/PA66預(yù)浸料單向帶。
　　
現(xiàn)階段可實(shí)操的5種熱塑性碳纖維復(fù)合材料成型工藝
 
　　2、擠出-注射成型
　　
　　目前短切碳纖維（SCF）復(fù)合材料成型工藝以擠出-注射成型為主。在成型過(guò)程中，短切碳纖維復(fù)合材料熔體的流變性能主要受到加工溫度和剪切應(yīng)力的影響。加工溫度低于臨界值時(shí)，熔體的表觀黏度隨加工溫度升高而降低；超過(guò)臨界值時(shí)，表觀黏度不再隨加工溫度發(fā)生明顯變化，顯示出牛頓流體的特性，此時(shí)適宜復(fù)合材料的成型與加工。切主要影響熔體的黏流活化能，剪切應(yīng)力越小，黏流活化能越大。
　　
　　將PA66、集束性短切碳纖維、相容劑、耐磨助劑、抗氧劑等加入到高速混合機(jī)中，在室溫下混合；再將混合好的原料通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)熔融共混、擠出，經(jīng)水冷、干燥后進(jìn)行切粒；將制備好的粒料烘干后，通過(guò)注射成型制得了集束性SCF增強(qiáng)PA66復(fù)合材料。
　　
現(xiàn)階段可實(shí)操的5種熱塑性碳纖維復(fù)合材料成型工藝
 
　　3、模壓成型
　　
　　模壓成型是將裁好的熱塑性碳纖維復(fù)合材料預(yù)浸料片材或含有碳纖維的混合坯料放入模具中，隨后將熱塑性樹(shù)脂加熱到熔點(diǎn)或黏流溫度以上，使樹(shù)脂熔融、流動(dòng)、浸漬和包裹增強(qiáng)纖維，并通過(guò)界面緊密地結(jié)合在一起，最后冷卻定形的一種成型方法。該方法具有操作簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、能耗及成本均較低等優(yōu)點(diǎn)。
　　
　　實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料可直接在線模壓成型，工藝特點(diǎn)是全過(guò)程熔體只加熱一次，保留了連續(xù)碳纖維的形態(tài)下直接成型，最大程度地保留了碳纖維在產(chǎn)品中的長(zhǎng)度，而且生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品成型容易、生產(chǎn)成本較低，未來(lái)可生產(chǎn)汽車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)閥蓋、腳踏板、齒輪罩蓋等對(duì)尺寸及性能要求嚴(yán)格的零部件。
　　
現(xiàn)階段可實(shí)操的5種熱塑性碳纖維復(fù)合材料成型工藝
 
　　4、3D打印成型
　　
　　3D打印成型技術(shù)具有設(shè)計(jì)自由、可以直接快速打印傳統(tǒng)方法難以打印的復(fù)雜構(gòu)件的優(yōu)勢(shì)。熔融沉積成型（FDM）是一種簡(jiǎn)單的3D打印工藝，它通過(guò)加熱擠出頭的熔融塑料纖維，并將熔料鋪疊在平臺(tái)的單層上，每個(gè)鋪層都與前一個(gè)鋪層互相粘接，最終冷卻硬化成型。使用FDM打印的模型精確、工藝可靠；但是在打印形狀凸出的模型時(shí)，則需要額外的支撐結(jié)構(gòu)，否則會(huì)很容易塌陷或者斷裂。
　　
　　3D打印成型對(duì)復(fù)合材料的利用率高，能夠做到較高的精度和復(fù)雜程度，可以打印傳統(tǒng)方法難以打印的復(fù)雜構(gòu)件，而且它從數(shù)據(jù)模型到構(gòu)件成型的時(shí)間短，適合新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和小批量零件的生產(chǎn)。
　　
現(xiàn)階段可實(shí)操的5種熱塑性碳纖維復(fù)合材料成型工藝
 
　　5、自動(dòng)鋪放成型
　　
　　自動(dòng)鋪帶技術(shù)是一種增材制造工藝，通過(guò)帶有特殊加熱裝置的鋪絲或鋪帶設(shè)備進(jìn)行定位、鋪疊和原位固化，在構(gòu)件厚度方向上逐層增加，最終達(dá)到設(shè)計(jì)的尺寸、完成零件的制造。該技術(shù)多用于航空航天領(lǐng)域，適合生產(chǎn)復(fù)雜形狀雙曲面構(gòu)件。這種成型工藝具有生產(chǎn)效率高、自動(dòng)化程度高、易于數(shù)字化設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。
　　
　　自動(dòng)鋪帶系統(tǒng)通常由預(yù)浸料供料盤(pán)、自動(dòng)鋪帶頭、構(gòu)件模具、數(shù)控系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件等組成。系統(tǒng)工作時(shí)，將復(fù)合材料預(yù)浸帶放入鋪帶頭中，由多軸機(jī)械臂控制鋪帶位置，一組滾輪將預(yù)浸帶導(dǎo)出，經(jīng)過(guò)工藝加熱后在壓輥的作用下鋪放到模具上或上一層已鋪好的材料上，最后由切割刀將預(yù)浸帶切斷，這樣就完成了一次鋪帶。
　　
　　與手工鋪疊成型相比，自動(dòng)鋪放成型效率明顯提高、廢料量更少、尺寸精度更高、內(nèi)應(yīng)力更低，是未來(lái)大型構(gòu)件制造的發(fā)展方向。
　　
　　碳纖維復(fù)合材料成型工藝的改進(jìn)過(guò)程，貫穿整個(gè)碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。不管是當(dāng)下主流的熱固性碳纖維，還是未來(lái)具備較大潛力的熱塑性碳纖維，都會(huì)因?yàn)槌尚凸に嚨母纳?，從而得到產(chǎn)能和性能強(qiáng)度的提升。隨著對(duì)碳纖維復(fù)合材料研究的深入，更智能化的成型工藝必然會(huì)出現(xiàn)，碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展終將迎來(lái)更好的明天，智上新材料始終堅(jiān)信這一點(diǎn)。