摘要

熱塑性復合材料憑借優異的耐疲勞性、短成型周期及可回收性等優勢，在航空航天、軌道交通等領域展現出廣闊應用前景。本文系統梳理了連續纖維增強熱塑性預浸料的制備工藝（溶液浸漬法、熔融浸漬法、懸浮熱熔法等）及復合材料成型技術（模壓成型、自動鋪放成型、原位固結成型等），分析了各工藝的技術特點、工程化應用可行性及研究進展，并對未來發展方向進行了展望。

關鍵詞：熱塑性預浸料；制備工藝；懸浮熱熔法；成型工藝；自動鋪放

樹脂基復合材料在航空航天裝備中占據重要地位，其用量已成為衡量裝備先進性的重要指標。熱塑性復合材料因具備耐疲勞性能優異、成型周期短、可二次加工等特性，成為輕量化結構的理想選擇。本文聚焦熱塑性預浸料制備與復合材料成型工藝，旨在為工程化應用提供技術參考。

2. 熱塑性預浸料制備工藝

熱塑性預浸料制備工藝的核心在于實現纖維與樹脂的均勻浸潤及結構穩定化。

2.1溶液浸漬法

溶液浸漬法作為傳統工藝，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，隨后經高溫烘箱去除溶劑。該工藝對樹脂溶解度要求嚴苛，需滿足溶劑沸點介于浸漬溫度與樹脂分解溫度之間，且存在溶劑殘留風險，目前僅用于實驗室研究。例如，采用 PES 改性 T700 碳纖維表面，結合溶液浸漬法制備的 CF/PEEK 復合材料拉伸強度提升 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將樹脂加熱至熔融態（如 PEEK 需 360-380℃），借助浸漬模具與纖維束的動態接觸實現浸潤。該工藝具有樹脂含量控制精確（±2%）、纖維準直性好等優勢，但對樹脂熔體流動性要求極高。李興樂等研究發現，360℃拉擠溫度下 PEEK 預浸絲束拉伸強度達 1660MPa，而溫度過高（370℃）會導致樹脂降解。白艷博通過優化 PA6 浸漬模具參數，成功制備纖維體積分數 66.5% 的預浸帶，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，再與增強纖維復合，工藝簡單，可分段控制質量。但該方法適用于低黏度熱塑性樹脂，高黏度樹脂（如PEEK）預浸料浸潤效果較差，需后續熱壓成型加強纖維浸潤。但壓力過大易致纖維褶皺，影響樹脂浸潤，故薄膜疊層法中壓力是關鍵參數。

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，對樹脂粒徑要求高，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化技術，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促進纖維束展開，經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。該工藝具有環保、連續化生產的特點，已實現 PEEK、PPS 預浸料的規模化制備。美國 Barrday 公司采用該工藝生產的 CF/PEEK 預浸帶，0° 拉伸強度達 2669MPa，日本 Toray 公司的 Cetex TC1220 產品層間剪切強度突破 106MPa。國內研究顯示，優化分散劑配比（如 Triton-100 與 PEG 復配）可使懸浮液穩定時間延長至 50min，纖維體積分數達 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纖維進行經緯編織，利用熱壓過程中樹脂纖維的熔融實現界面結合。該工藝適合制備復雜曲面構件，但樹脂紡絲成本較高且纖維體積分數受限（通常 < 50%）。Hasan 等采用再生碳纖維混編技術制備的 PA6 復合材料，拉伸強度達 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度 825MPa，彎曲強度 520MPa。

整體而言，懸浮熱熔法憑借其環保性和工藝穩定性成為高性能預浸料的主流制備技術，而纖維混編法在復雜結構成型中展現獨特優勢。國內在熔融浸漬與懸浮熱熔工藝方面已突破關鍵技術，但規模化生產裝備仍依賴進口，需加強專用樹脂體系開發與智能化生產線建設。

3.熱塑性復合材料成型工藝

熱塑性復合材料成型工藝的核心目標在于充分利用熱塑性樹脂的快速熔融流動性與可重復加工特性，實現結構件的高效制造。

3.1模壓成型

模壓成型作為傳統工藝的代表，通過將預浸料層疊體置于模具中進行加熱加壓，具有操作簡便、成型周期短（通常≤10 分鐘）的優勢，目前在汽車內飾板、飛機艙門等平板類構件中已實現規模化應用。研究表明，優化模壓參數（如 310-330℃加熱溫度、9MPa 成型壓力）可有效控制 PPS 復合材料的孔隙率至 1% 以下，層間剪切強度達 53MPa。然而，該工藝對復雜曲面的適配性較差，限制了其在航空主承力結構中的應用。

3.2自動鋪放成型

自動鋪放成型技術通過數控設備將預浸帶 / 絲束精確鋪貼于模具表面，結合激光加熱（400-420℃）實現原位局部熔融，顯著提升了鋪放效率（可達 12m/min）和層間結合強度。國內外研究均表明，鋪放壓力（10-15N）與速度（60-100mm/min）的協同優化是關鍵參數，可使 CF/PEEK 復合材料的層間剪切強度突破 68MPa。值得注意的是，德國 DLR 研究所采用該技術成功制備了 8 米長的機身蒙皮，驗證了其在大型航空結構件中的工程化潛力。

3.3原位固結成型

原位固結成型作為自動鋪放技術的升級，通過精確控制模具溫度場（如 130-140℃結晶窗口）實現鋪放與固化的一體化，避免了二次熱壓工序。國內研究顯示，優化激光功率（6kW）與壓輥壓力（1500N）可使 CF/PPS 復合材料的層間結合度達 85%，性能接近熱壓罐成型水平。該技術對預浸料的結晶動力學調控要求極高，需結合分子鏈擴散模型進行工藝參數優化。

3.4 3D 打印成型

3D打印成型技術借助熔融沉積（FDM）或選擇性激光燒結（SLS）實現復雜結構的增材制造，尤其在醫療植入體、定制化工裝等領域展現獨特優勢。研究表明，采用雙噴頭技術（連續纖維 + 短切纖維增強）可使 CF/PA6 打印件的拉伸強度提升至 110MPa，但層間強度仍低于傳統成型工藝（約為模壓件的 60%）。未來需通過打印路徑優化、界面改性等手段突破層間性能瓶頸。

4. 結論與展望

4.1 研究現狀

國內在預浸料制備與成型工藝方面取得階段性成果，但工程化應用仍落后于歐美。懸浮熱熔法和模壓成型技術相對成熟，而原位固結、3D 打印等自動化工藝尚處實驗室階段。

在我國預浸料制備與成型工藝的研究領域，目前已實現了階段性的進展。然而，與歐美國家相比，我們在工程化應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已經較為成熟，但原位固結、3D打印等自動化工藝還停留在實驗室研究階段。

4.2 發展方向

展望未來，預浸料制備領域的發展方向將主要集中在以下幾個方面：一是開發具有高穩定性的樹脂體系及連續化生產裝備，以解決PEEK等高性能樹脂在浸潤過程中的難題。在成型工藝方面，將進一步深化激光輔助鋪放、原位固結等關鍵技術研究，以提高層間性能和生產效率。此外，還將積極推動熱塑性復合材料在航空結構件、軌道交通輕量化等領域的示范應用，拓展其應用范圍。

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