高性能连续纤维增强热塑性预浸料及复合材料制备工艺研究进展（多图）

摘要

热塑性复合材料凭借优异的耐疲劳性、短成型周期及可回收性等优势，在航空航天、轨道交通等领域展现出广阔应用前景。本文系统梳理了连续纤维增强热塑性预浸料的制备工艺（溶液浸渍法、熔融浸渍法、悬浮热熔法等）及复合材料成型技术（模压成型、自动铺放成型、原位固结成型等），分析了各工艺的技术特点、工程化应用可行性及研究进展，并对未来发展方向进行了展望。

关键词：热塑性预浸料；制备工艺；悬浮热熔法；成型工艺；自动铺放

树脂基复合材料在航空航天装备中占据重要地位，其用量已成为衡量装备先进性的重要指标。热塑性复合材料因具备耐疲劳性能优异、成型周期短、可二次加工等特性，成为轻量化结构的理想选择。本文聚焦热塑性预浸料制备与复合材料成型工艺，旨在为工程化应用提供技术参考。

2. 热塑性预浸料制备工艺

热塑性预浸料制备工艺的核心在于实现纤维与树脂的均匀浸润及结构稳定化。

2.1溶液浸渍法

溶液浸渍法作为传统工艺，通过将树脂溶解于溶剂中形成低黏度浸渍液，使纤维束在轧辊挤压下完成浸润，随后经高温烘箱去除溶剂。该工艺对树脂溶解度要求严苛，需满足溶剂沸点介于浸渍温度与树脂分解温度之间，且存在溶剂残留风险，目前仅用于实验室研究。例如，采用 PES 改性 T700 碳纤维表面，结合溶液浸渍法制备的 CF/PEEK 复合材料拉伸强度提升 13.69%（申维新等，2021）。

图1 溶液浸渍法工艺流程图

2.2熔融浸渍法

熔融浸渍法通过螺杆挤出机将树脂加热至熔融态（如 PEEK 需 360-380℃），借助浸渍模具与纤维束的动态接触实现浸润。该工艺具有树脂含量控制精确（±2%）、纤维准直性好等优势，但对树脂熔体流动性要求极高。李兴乐等研究发现，360℃拉挤温度下 PEEK 预浸丝束拉伸强度达 1660MPa，而温度过高（370℃）会导致树脂降解。白艳博通过优化 PA6 浸渍模具参数，成功制备纤维体积分数 66.5% 的预浸带，孔隙率仅 1.33%。

图2 熔融浸渍法工艺流程图

2.3 薄膜叠层法

先制成树脂薄膜，再与增强纤维复合，工艺简单，可分段控制质量。但该方法适用于低黏度热塑性树脂，高黏度树脂（如PEEK）预浸料浸润效果较差，需后续热压成型加强纤维浸润。但压力过大易致纤维褶皱，影响树脂浸润，故薄膜叠层法中压力是关键参数。

图3 薄膜层叠法工艺流程图

2.4 粉末浸渍法

包括硫化床粉末法和撒粉法。前者使树脂粉末填充纤维间再加热固结，对树脂粒径要求高，树脂含量精度控制难；后者将树脂粉末撒在纤维上加热制备，适用于流动性好的树脂。

图4 硫化床粉末法和撒粉法工艺流程图

2.5 悬浮热熔法

悬浮热熔法作为主流工业化技术，将树脂粉末（粒径 5-25μm）分散于水基悬浮液中，利用超声波空化效应促进纤维束展开，经轧辊压力使树脂颗粒嵌入纤维间，再通过高温（380-400℃）熔融固结。该工艺具有环保、连续化生产的特点，已实现 PEEK、PPS 预浸料的规模化制备。美国 Barrday 公司采用该工艺生产的 CF/PEEK 预浸带，0° 拉伸强度达 2669MPa，日本 Toray 公司的 Cetex TC1220 产品层间剪切强度突破 106MPa。国内研究显示，优化分散剂配比（如 Triton-100 与 PEG 复配）可使悬浮液稳定时间延长至 50min，纤维体积分数达 60%。

图5 悬浮热熔法工艺流程图

2.6 纤维混编法

纤维编织法通过将树脂纤维与增强纤维进行经纬编织，利用热压过程中树脂纤维的熔融实现界面结合。该工艺适合制备复杂曲面构件，但树脂纺丝成本较高且纤维体积分数受限（通常 < 50%）。Hasan 等采用再生碳纤维混编技术制备的 PA6 复合材料，拉伸强度达 1364MPa，弯曲模量 100GPa。张雷等通过碳纤维 / 尼龙 6 混编工艺，制备的层合板拉伸强度 825MPa，弯曲强度 520MPa。

整体而言，悬浮热熔法凭借其环保性和工艺稳定性成为高性能预浸料的主流制备技术，而纤维混编法在复杂结构成型中展现独特优势。国内在熔融浸渍与悬浮热熔工艺方面已突破关键技术，但规模化生产装备仍依赖进口，需加强专用树脂体系开发与智能化生产线建设。

3.热塑性复合材料成型工艺

热塑性复合材料成型工艺的核心目标在于充分利用热塑性树脂的快速熔融流动性与可重复加工特性，实现结构件的高效制造。

3.1模压成型

模压成型作为传统工艺的代表，通过将预浸料层叠体置于模具中进行加热加压，具有操作简便、成型周期短（通常≤10 分钟）的优势，目前在汽车内饰板、飞机舱门等平板类构件中已实现规模化应用。研究表明，优化模压参数（如 310-330℃加热温度、9MPa 成型压力）可有效控制 PPS 复合材料的孔隙率至 1% 以下，层间剪切强度达 53MPa。然而，该工艺对复杂曲面的适配性较差，限制了其在航空主承力结构中的应用。

3.2自动铺放成型

自动铺放成型技术通过数控设备将预浸带 / 丝束精确铺贴于模具表面，结合激光加热（400-420℃）实现原位局部熔融，显著提升了铺放效率（可达 12m/min）和层间结合强度。国内外研究均表明，铺放压力（10-15N）与速度（60-100mm/min）的协同优化是关键参数，可使 CF/PEEK 复合材料的层间剪切强度突破 68MPa。值得注意的是，德国 DLR 研究所采用该技术成功制备了 8 米长的机身蒙皮，验证了其在大型航空结构件中的工程化潜力。

3.3原位固结成型

原位固结成型作为自动铺放技术的升级，通过精确控制模具温度场（如 130-140℃结晶窗口）实现铺放与固化的一体化，避免了二次热压工序。国内研究显示，优化激光功率（6kW）与压辊压力（1500N）可使 CF/PPS 复合材料的层间结合度达 85%，性能接近热压罐成型水平。该技术对预浸料的结晶动力学调控要求极高，需结合分子链扩散模型进行工艺参数优化。

3.4 3D 打印成型

3D打印成型技术借助熔融沉积（FDM）或选择性激光烧结（SLS）实现复杂结构的增材制造，尤其在医疗植入体、定制化工装等领域展现独特优势。研究表明，采用双喷头技术（连续纤维 + 短切纤维增强）可使 CF/PA6 打印件的拉伸强度提升至 110MPa，但层间强度仍低于传统成型工艺（约为模压件的 60%）。未来需通过打印路径优化、界面改性等手段突破层间性能瓶颈。

4. 结论与展望

4.1 研究现状

国内在预浸料制备与成型工艺方面取得阶段性成果，但工程化应用仍落后于欧美。悬浮热熔法和模压成型技术相对成熟，而原位固结、3D 打印等自动化工艺尚处实验室阶段。

在我国预浸料制备与成型工艺的研究领域，目前已实现了阶段性的进展。然而，与欧美国家相比，我们在工程化应用方面还存在一定的差距。具体来看，悬浮热熔法和模压成型技术已经较为成熟，但原位固结、3D打印等自动化工艺还停留在实验室研究阶段。

4.2 发展方向

展望未来，预浸料制备领域的发展方向将主要集中在以下几个方面：一是开发具有高稳定性的树脂体系及连续化生产装备，以解决PEEK等高性能树脂在浸润过程中的难题。在成型工艺方面，将进一步深化激光辅助铺放、原位固结等关键技术研究，以提高层间性能和生产效率。此外，还将积极推动热塑性复合材料在航空结构件、轨道交通轻量化等领域的示范应用，拓展其应用范围。

参考文献：

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