作者：段毅凯（英国，利兹大学机械工程）

一．介绍

复合材料（Composite Materials），通常由物理或化学方法将两种或两种以上不同性质的材料组合而成的一种新型材料。这些组合材料在宏观上保持各自的独立性，同时又能相互作用，从而使复合材料具有比单一材料更优异的性能。例如，复合材料在保持轻质的同时具有高比 强度和刚度，之所以能够在重量只有钢质 1/5 左右的情况下保持高强度，碳纤维增强塑料 (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 料还具有优良的耐腐蚀性能、良好的抗疲劳和抗冲击性能以及热电绝缘性能，等等，这些都 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 大部分采用碳纤维复合材料，从而大大减轻了飞机重量，提高了燃油效率。优异的性质和结 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。本文 的目的主要是对近几年的复合材料加工方法进行分析和评估，总结并找到最新的复合材料加 工技术。

二．常见的复合材料加工技术

最常见的复合材料加工技术如下：

1. 手工铺设(Hand Lay-up)

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。

1. 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。

1. 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。

三．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。

1. 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。

1. 自动纤维放置（Automated Fiber Placement, AFP）

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。

1. 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。

 

三、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。

创新技术，如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。

参考文献：

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