作者：段毅凱（英國，利茲大學機械工程）

一．介紹

復合材料（Composite Materials），通常由物理或化學方法將兩種或兩種以上不同性質的材料組合而成的一種新型材料。這些組合材料在宏觀上保持各自的獨立性，同時又能相互作用，從而使復合材料具有比單一材料更優異的性能。例如，復合材料在保持輕質的同時具有高比 強度和剛度，之所以能夠在重量只有鋼質 1/5 左右的情況下保持高強度，碳纖維增強塑料 (CFRP)就是我們所熟知的，而航天航空領域的應用也是非常廣泛的。除此之外，部分復合材 料還具有優良的耐腐蝕性能、良好的抗疲勞和抗沖擊性能以及熱電絕緣性能，等等，這些都 是目前國內生產的復合材料中這些優異的性能促使它廣泛應用于許多領域，如航空航天、汽 車、船舶、運動器材、建筑等。如現代商用飛機，如波音 787、空中客車 A350 等，其結構 大部分采用碳纖維復合材料，從而大大減輕了飛機重量，提高了燃油效率。優異的性質和結 構不僅帶來了優異的性能，同時還導致復合材料的加工要比傳統材料更加具有挑戰性。本文 的目的主要是對近幾年的復合材料加工方法進行分析和評估，總結并找到最新的復合材料加 工技術。

二．常見的復合材料加工技術

最常見的復合材料加工技術如下：

1. 手工鋪設(Hand Lay-up)

最簡單也是最基礎的方法，它用于制造簡單的、平面或者輕微的曲面的復合材料部件。通過手動將增強材料鋪設到模具上，然后將樹脂均勻的涂抹在上面。樹脂的作用是固化增強材料，形成最終的復合材料結構。這種方法的成本低，但勞動強度高，質量控制更依賴于工人的技能。

1. 真空輔助樹脂傳輸成型（VARTM）

主要用于制造大型或形狀復雜的復合材料部件的真空輔助樹脂傳輸成型（VARTM）。在成型過程中，首先需要將增強材料鋪設在模具上，然后覆蓋一層真空袋材料，通過管道，抽空空氣，注入樹脂。這種方法可以使樹脂分布更均勻，減少空氣夾雜和缺陷，但是整個過程需要較長的生產周期，且對模具和真空袋的密封性有較高的要求。

1. 自動鋪設(Automated Lay-up)

自動鋪設是一種先進的復合材料加工技術，主要用于高性能、大批量生產的復合材料部件，尤其是在航空航天領域。自動鋪設開始之前會預先設計好鋪設路徑，然后自動鋪設機器會自動把已經被樹脂浸透的增強材料放置在模具上進行鋪設。這種機器具有高精度和高重復性，可以提高生產效率，減少材料浪費，保持一致的產品質量，但是自動鋪設設備成本較高，且對設計和編程有嚴格要求。

三．創新的復合材料加工技術

由于科學技術和材料科學的不斷發展，近幾年出現了一些創新性的復合材料加工技術。

1. 三維打?。?D Printing）

3D打印技術是一種通過材料層層遞進，構建立體物體的創新制造方式。該技術在復合材料加工方面的應用，顯示出其多樣性和靈活性，尤其是在增強聚合物基材的開發方面。如熱塑性聚酯基彈性體、ABS、PC、PSU等材料，在熔融沉積建模(FDM)中比較常見，生產完全功能部件時缺乏強度。但3D打印可以克服這一限制，通過開發纖維增強聚合物基體，如黃麻纖維與聚乳酸(PLA)基體絲結合碳纖維或捻合，提供結構和機械性能優于傳統熱塑性塑料。

3D打印技術相對于傳統的復合材料加工方式有若干優點。3D打印技術能精確控制材料的布局與分布，從而可以優化結構的力學性能。如能對纖維或粒子進行精確的放置，提高復合材料的拉伸/儲存模量，耐磨性與介電常數。另外，核殼復合粒子的應用如聚苯乙烯/納米Al2O3復合材料，可改善激光吸收與納米粒子在基體中的分散，提高燒結行為與機械性能。3D打印技術在應用于核殼復合粒子方面也有提升。

然而，在復合材料加工中3D打印也有一定的限制性，陶瓷微粒等某些添加劑不兼容熔融沉積過程，這就限制了可用于3D打印的材料種類和復合材料的潛在應用范圍。綜合起來看，盡管3D打印技術在復合材料加工中表現出巨大的潛力和優勢，但在解決當前限制因素的同時，也要進行進一步的研究和開發來充分挖掘其未來的應用潛能。

1. 自動纖維放置（Automated Fiber Placement, AFP）

自動纖維鋪放技術(AFP)是一種通過自動化的方式對纖維進行安置和固化，從而制造出高性能復合材料的先進復合材料制造工藝。該技術尤其適用于纖維增強復合材料的生產，具有較窄的拖尾鋪裝、接近凈形輸出(浪費較低)、有效降低生產周期等特點。在AFP過程中，通常使用對纖維固化和復合材料質量至關重要的激光或熱氣噴燈(HGT)作為加熱源。

AFP技術的一個顯著優勢是可以生產高強度、重量比等機械性能優異的熱塑性復合材料，使之成為金屬在多個領域的替代產品。例如，研究CF-PEEK(碳纖維增強型聚醚醚酮)復合物顯示，這些材料的高效生產可以通過AFP技術實現，并保證其優越的機械特性。

然而，在很大程度上，AFP技術的有效性和效率依賴于選擇合適的加工參數。參數包括動力、置入轉速以及供熱源所施加的壓力等等。例如過高的激光功率(75W左右)會造成樹脂的退化，而過低的功率(20W左右)則會造成不充分的樹脂固化。另外，纖維損傷現象也可能在高負荷和高溫條件下被觀測到，從而使復合材料的機械性能受到明顯影響。

整體而言，AFP技術提供了一種高效、精確的生產方法，使復合材料在復合材料制造方面具有優越的生產性能。盡管如此，這也是該技術在廣泛應用中需要解決的主要挑戰之一，工藝參數的精確控制對保證材料質量和性能至關重要。

1. 微波固化技術

微波固化技術是以固化連續纖維增強的有機基體復合材料為主的復合材料制造的一種創新方法。該技術通過控制微波的照射強度和照射時間，使復合材料均勻固化，利用微波熱源對復合材料進行加熱固化。研究人員開發了用于預測微波固化過程中溫度分布、樹脂黏度、固化程度以及復合材料中樹脂含量等指標的模型和計算機程序。另外，該程序還可以對縫隙的大小以及固化后的殘余應力進行預測。

微波固化技術的應用包括玻璃纖維增強環氧復合物和石墨環氧復合物的固化如玻璃纖維增強環氧基體復合材料，不論層壓板的取向和偏振角，都能通過微波有效固化。但對于石墨環氧復合材料，含有多向層壓板，微波固化可能不夠有效。

微波固化技術的優點包括在均勻、完整和經濟固化的情況下，可以在不同的部件形態下實現。這種方法可以提高生產效率，對材料內部結構可能會造成沖擊。微波固化可以實現更快的加熱固化速度，降低能耗和生產時間，比傳統的熱固化方法更快。

然而，也有微波固化技術的限制。例如，由于材料的種類和厚度不同，微波能量的吸收和溫度分布可能會不均勻，從而造成復合材料內部固化不均勻。另外，在復合材料內部聚合物樹脂結構上，微波固化對多向層壓板復合材料效果不佳，目前還沒有得到充分的研究。因此，在處理具體類型的復合材料時，微波固化的效率和影響還需要進一步研究和考慮，盡管在某些方面微波固化比傳統固化方法要好。

 

三、結論

本文綜合分析了復合材料加工方法的現狀和發展趨勢。從手工鋪設到高級的自動化技術如自動鋪設、自動纖維放置（AFP）和微波固化技術，這些方法體現了材料科學和工程領域的進步。每種技術都有其特定的應用場景和優缺點，如手工鋪設在成本和工藝簡單性上有優勢，而自動鋪設和AFP則在生產效率、重復性和質量控制方面更勝一籌。

創新技術，如3D打印和微波固化，正在為復合材料加工帶來新的可能性。3D打印提供了更大的設計靈活性和材料優化潛力，而微波固化則能提高固化效率并減少能源消耗。然而，這些技術的發展仍面臨諸多挑戰，如材料的兼容性、工藝參數的優化和對最終產品性能的影響。

綜上所述，復合材料加工工藝的發展，既體現了產業需求的變化，也是科技進步的重要標志，我國的復合材料加工工藝水平不斷提高。未來的研發應以生產效率的提高、成本的降低和材料性能的增強為核心，同時也應克服現有技術為更好地適應不斷變化的工業應用需求所帶來的局限性。復合材料加工技術有望通過不斷的技術革新和改進，在推動材料科學與工程發展的各個領域發揮更大的作用。

參考文獻：

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1. 先進復合材料講義（七）：鋪層工藝介紹. OFweek 新材料網. 取自 https://xincailiao.ofweek.com/news/2023-02/ART-180424-11000-30587329.html
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