碳纤维复合材料：从制造到应用的全面指南 - 深圳国际3D打印展

与众多金属材料相较，碳纤维复合材料在比强度方面展现出了卓越的性能，即单位重量的强度更高。尽管其前期成本可能高于某些金属，但综合考虑整个生命周期，碳纤维复合材料的成本实际上相对较低。接下来，我们将深入探讨碳纤维的常见应用方式及其成本控制策略。

碳纤维预浸料，一种以环氧树脂或其他树脂为基体的单向碳纤维板，具有独特的性质。在室温下，这些预浸料展现出柔韧性，随着温度的逐渐升高，其柔韧性会进一步增强。当温度达到固化点时，环氧树脂会开始固化并逐渐硬化，从而形成结构的最终形态。这种预浸料在固化前后的性能差异，使得它们能够灵活地堆叠和叠置，进而进行层压板的固化。此外，热塑性基体材料同样可用于制备预浸料，这类材料的特点是在高温下冷却时会结晶并变硬，而再次加热则可使其重新变软或修复。

值得注意的是，环氧树脂基预浸料对储存条件有特殊要求，它们需要在使用前保存在冷冻室中，以防止室温下的固化。而热塑性材料则更为灵活，可在室温下储存。尽管热塑性塑料的价格通常高于环氧树脂，但环氧基复合材料需要额外的运输和储存成本。因此，在实际应用中，热塑性复合材料的总生产成本可能会高于或低于环氧树脂基系统，这取决于具体的使用情况和制造方法。

层合板加工工艺

在制造复合材料层压结构时，必须提供一个平整的工具表面，以便逐层放置预浸料。然而，这样的工具加工成本往往较高。同时，使用钢制模具也可能遇到问题，因为钢材的热膨胀速度远快于复合材料。因此，在加热至固化温度时，这种热膨胀不匹配可能导致复合材料产生翘曲。

为了解决这些问题，复合材料行业已研发出一种新型的复合模具材料。这种材料易于加工，与复合材料具有相似的热膨胀性，且在反复的加热和冷却过程中能提供稳定的支撑。与传统的机械加工钢制模具相比，这种复合模具材料具有更高的投资回报率，特别适合小批量生产。

层压板的制造通常采用手工铺层工艺。预浸料层被切割后，被精心地放置并堆叠在工具表面上。虽然手工叠放提供了设计原型阶段的灵活性，但这种方法的效率对于大规模生产而言显然不足。

自动化铺层技术

在过去的二十年间，自动化叠层设备已逐渐成为航空航天领域的主流。多家设备制造商推出了自动胶带铺放（ATL）和自动纤维铺放（AFP）设备，这些设备均采用机器人技术，能精准地将胶带或纤维铺设至工具表面。相较于传统的手糊工艺，这些自动化机器不仅速度更快、人力需求更少，而且铺放结果具有极高的重复性。

借助计算机软件，工程师们能轻松将层压板的CAD设计文件转化为AFP/ATL机器的编程指令，实现自动化铺层，这与CAM软件在零件加工中的应用如出一辙。此外，还有多种自动化系统可用于复合材料梁的拉挤、纤维的缠绕、热成型、帘布层的精准切割以及纤维贴片的放置等。这些系统共同的特点是显著降低了劳动力成本，同时提高了生产效率，从而为复合结构的制造带来了总体成本的降低。

直接加工工艺

直接加工工艺是另一种有效利用复合材料特性并降低零件生产成本的方法。该方法涉及将树脂直接注入干燥的层压板或织物中，与预浸渍纤维板的做法不同。在此过程中，纤维结构被置于工具内，随后注入树脂。

为确保结构的稳定性，可以使用带有少量塑料的纤维带和织物，在树脂注入前将其粘附于相邻层上。接着，模具被封闭在纤维预制件上，树脂通过树脂传递模塑（RTM）或真空辅助树脂传递模塑（VARTM）过程注入工具。这些过程均在高温下进行，以促进树脂向预制件内的渗透。一旦树脂充分浸透预制件，便会进行固化，从而硬化整个结构。

值得注意的是，该工艺同样适用于热塑性基体材料。热塑性材料在冷却时变硬，但可以通过重新加热进行改造，为零件的后续使用提供了灵活性。相较于传统的铺层工艺，直接加工处理方法能够显著降低成本，因为干纤维预制件的制造通常比铺设预浸料层压板更为经济高效。此外，预制件还可以通过编织、织物或缝合等方式引入更多的三维纤维结构，进一步优化零件的性能。同时，灌注和固化过程的一步化操作也节省了大量时间和成本。

短切碳纤维注塑成型

在注塑成型过程中，热塑性材料中可以掺入短切碳纤维，以增强注塑件的刚度和强度，同时降低其整体重量，满足特定的结构需求。尽管注塑模具的初始成本可能较高，且纤维的加入可能会增加模具的磨损，但这种方法非常适合大规模生产，能够在保持高性能的同时，实现成本的有效控制。

增材制造（3D打印）技术

增材制造，一种逐层构建结构的技术，正逐渐成为降低总体结构成本的有效手段。从手工铺层到现代的自动化机器人系统，这一工艺的演变不断推动着复合材料结构的创新。AFP/ATL工艺便是其中的佼佼者，通过更复杂的机器人系统，它能够创造出连续纤维支撑的复杂三维几何形状。此外，短切纤维的加入更是为现有的增材制造方法注入了新的活力，使得复合材料结构在硬度和强度上得到了显著提升，同时保持了轻量化的优势。熔融沉积建模（FDM）和选择性激光烧结（SLS）等技术，通过掺入短切碳纤维，进一步拓展了增材制造在托架、风道和手柄等部件制造方面的应用范围，其无需工具即可创建复杂形状的功能，无疑为企业带来了显著的成本优势。