复合材料纤维铺放技术及其应用
环氧树脂碳纤维复合材料的成型工艺与应用
碳纤维缠绕复合材料成型工艺
碳纤维缠绕复合材料的制备过程主要包括纤维铺放、树脂浸润和热处理等环 节。下面分别介绍这些步骤及其对材料性能的影响。
1、纤维铺放：此步骤是碳纤维缠绕复合材料制备的关键环节之一。纤维的 排列方向、密度和厚度等因素都会影响最终产品的性能。铺放过程中需采用专门 的设备和工艺，确保纤维分布的准确性和稳定性。
引言：碳纤维增强环氧树脂复合材料是一种具有优异性能的材料，因其具有 高强度、高韧性、耐腐蚀、轻质等优点而被广泛应用于航空、航天、汽车、体育 器材等领域。随着科技的发展，对于这种复合材料的研究和应用也越来越广泛。 液体成型是一种常见的复合材料制造工艺，具有成本低、效率高等优点，因此， 研究碳纤维增强环氧树脂复合材料的液体成型工艺及其性能具有重要意义。
在航天领域，碳纤维树脂基复合材料被广泛应用于火箭箭体、卫星平台等关 键部位。其轻质、高强度、耐腐蚀等优点使得它在航天领域具有广泛的应用前景。
在汽车领域，碳纤维树脂基复合材料被广泛应用于汽车车身、底盘等部位。 其高强度、耐腐蚀和轻质等优点可以提高汽车的性能和舒适性，同时也可以提高 汽车的安全性。
四、结论
环氧树脂碳纤维复合材料的成型工艺主要包括以下步骤： 1、纤维浸润：将碳纤维或其它纤维浸入环氧树脂中，使其充分浸润。
2、固化：在一定的温度和压力下，环氧树脂发生固化反应，形成固态复合 材料。
3、后处理：对固化后的复合材料进行切割、打磨、钻孔等后处理，以满足 不同应用场景的需求。
3、后处理：对固化后的复合材 料进行切割、打磨、钻孔等后处 理
三、碳纤维树脂基复合材料的应 用研究进展
碳纤维树脂基复合材料在航空、航天、汽车等领域得到了广泛应用。近年来， 随着技术的不断发展，其在这些领域的应用研究也取得了显著的进展。
2.碳纤维复合材料常用制作工艺与注意事项
碳纤维复合材料常用制作工艺主要有以下几种：1. 手糊成型工艺：在模具工作面上涂敷脱模剂、胶衣，将剪裁好的碳纤维预浸布铺设到模具工作面上，刷涂或喷涂树脂体系胶液，达到需要的厚度后，成型固化、脱模。
手糊工艺适用于石油化工容器、贮槽、汽车壳体等许多领域，但其缺点是质地疏松、密度低，制品强度不高，而且主要依赖于人工，质量不稳定，生产效率很低。
2. 喷射成型工艺：属于手糊工艺低压成型中的一类，使用短切纤维和树脂经过喷枪混合后，压缩空气喷洒在模具上，达到预定厚度后，再手工用橡胶锟按压，然后固化成型。
喷射成型工艺用于制造汽车车身、船身、浴缸、储罐的过渡层，改进了手糊成型，提高了工作效率。
3. 层压成型工艺：将逐层铺叠的预浸料放置于上下平板模之间加压加温固化，这种工艺可以直接继承木胶合板的生产方法和设备，并根据树脂的流变性能，进行改进与完善。
层压成型工艺主要用来生产各种规格、不同用途的复合材料板材，具有机械化和自动化程度高、产品质量稳定等特点，但是设备一次性投资大。
4. 缠绕成型工艺：将经过树脂胶液浸渍的连续纤维或布带按一定规律缠绕到芯模上，然后固化、脱模成为复合材料制品。
缠绕成型工艺特别适用于制作圆柱体和空心器皿。
5. 挤拉成型工艺：先将碳纤维完全浸润，通过挤拉除去树脂和空气，然后在炉子里固化成型。
这种方法简单，适用于制备棒状、管状零件。
在制作碳纤维复合材料时，需要注意以下事项：1. 设计模具：根据产品设计要求，制作出具有相应形状和尺寸的模具，通常采用数控加工等技术。
2. 确定布料：根据设计要求，选择合适的碳纤维布料和树脂体系。
3. 预浸料制备：将碳纤维布料与树脂混合均匀，制备成预浸料。
4. 成型工艺：根据产品特点和设计要求，选择合适的成型工艺，如手糊成型、喷射成型、层压成型、缠绕成型或挤拉成型等。
5. 固化：将成型后的复合材料进行固化，通常采用热压罐固化、热风循环固化或红外线固化等方法。
6. 脱模：固化后的复合材料需要从模具中脱出，注意避免变形和损伤。
复合材料自动铺带技术应用及方案示例
复合材料自动铺带技术应用及方案示例单位：中航工业哈尔滨飞机工业（集团）有限责任公司作者：徐福泉高大伟等发布时间：2009-12-10 10:27:17大飞机复合材料的应用国外大型军用、民用飞机中复合材料构件的比重迅速增加，波音787的复合材料构件已占结构重量的50%以上，A350复合材料构件将占结构重量的52%，俄罗斯开发中的MC21，复合材料用量也将占结构重量的40%～45%，A400M军用运输机上复合材料用量已达结构重量的35%。
国内ARJ21复合材料用量不多，大型结构件仅在方向舵上采用了复合材料。
大飞机正在研发过程中，考虑到当前和飞机生产出来后（至少7～8年后）的国际水平，参照国外的A380、波音787、A350、A400M、MC21等大型飞机，以及国内设计能力、试验能力、生产设备条件和工艺水平等，大飞机上复合材料构件占结构重量至少应不低于25%，达到舵面或机翼采用复合材料结构的水平。
而对舵面或机翼复合材料结构件的制造，当前最有优势的制造方法就是自动铺带技术。
自动铺带技术的发展所谓自动铺带技术，就是采用数控铺层设备，通过数字化、自动化的手段实现复合材料预浸布、带的连续自动切割和自动铺放。
主要工作过程为：将复合材料预浸料卷安装在铺放头中，预浸材料由一组滚轮导出，并由压紧滚轮或可随形机构压紧在工装或上一层已铺好的材料上，切割刀将材料按设定好的方向切断，能保证铺放的材料与工装的外形相一致。
铺放的同时，回料滚轮将背衬材料回收。
自动铺带作为典型的增料加工成型技术，其成型设备的制造技术涉及机电装备技术、CAD/ CAM软件技术和材料工艺技术等多个研究领域，可实现：（1）最大限度地利用单向预浸带（优于手工铺层采用的预浸布），并可减轻结构重量；（2）可更自由地设计铺层，发挥复合材料可设计性优势，在应力梯度和应力异常的区域选择性铺放补强，实现了整个结构的零剩余强度；（3）提高工作质量和铺放效率。
采用该技术，可提高复合材料裁片外形、纤维方向等几何参数的精确度和铺叠位置、方向、角度的准确性，从而避免了人为铺放产生的偏差，如产品出现缺陷的几率大、零件制造质量重复性差、质量分散性大，以及尺寸精度和铺放位置准确度不能满足大尺寸、高精度零件制造的要求等问题。
大型复合材料壁板先进制造技术及应用
大型复合材料壁板先进制造技术及应用李林【摘要】The large and integrative composite panels can not only reduce the plane weight, but also improve the plane performance, simplify assembly. Because of layup complexity in the large-sized co-cured composite part, it is dif-ficult for traditional molding technology and quality is unstable. With the theory of design for manufacture, DFM, and ap-plying the advanced digital manufacture technique to the composite part , it is a good method for solving the large-sized composite panel manufacture.%大型整体化的复合材料壁板会起到较好的减重效果,明显提升飞机的整体效能,简化装配工艺.大尺寸共固化的复合材料制件铺层结构复杂,传统成型工艺难度大,质量稳定性差,组合元件形位尺寸有偏差.随着设计制造一体化(DFM)理念的出现,先进数字化制造技术在复合材料零件制造方面的应用很好地解决了大尺寸复合材料壁板类零件制造的难题.【期刊名称】《航空制造技术》【年(卷),期】2017(000)011【总页数】5页(P105-109)【关键词】设计制造一体化;自动铺带;加热预成型;激光定位组合【作者】李林【作者单位】航空工业沈阳飞机工业(集团)有限公司,沈阳 110850【正文语种】中文相较金属材料，复合材料有较好的比刚度、比强度、耐疲劳、抗冲击、耐腐蚀性能。
自动铺带技术在复合材料制造中的应用探索
自动铺带技术在复合材料制造中的应用探索自动铺带技术是一种现代化的复合材料制造方法，通过利用机器人或自动化设备来将预浸料或干型纤维材料连续地铺放在模具上，进而实现复合材料的制造。
这种技术相比传统的手工铺带，具有更高的生产效率、更好的一致性和更高的品质控制。
本文将探讨自动铺带技术在复合材料制造中的应用，并分析其优势和潜在的挑战。
一、自动铺带技术的优势1.提高生产效率：自动铺带技术利用机器人或自动化设备代替人工操作，能够大幅提高生产效率。
在传统的手工铺带中，工人需要一遍遍地将铺带逐一放置，而自动铺带技术可以连续不断地进行铺带，大大减少了制造时间。
2.保证产品一致性：自动铺带技术能够精确地控制铺带的速度、压力和纤维摆放方向，保证每一块复合材料的质量一致性。
而手工操作容易受到工人技术水平和疲劳程度的影响，导致产品质量的波动。
3.提高产品质量：自动铺带技术可以实现更精确、更均匀地铺放纤维材料，避免了手工操作中可能出现的误差。
同时，自动铺带技术还能控制纤维材料的厚度和纤维摆放的角度，使得复合材料具有更好的力学性能和表面质量。
二、自动铺带技术在复合材料制造中的应用1.航空航天领域：复合材料在航空航天领域具有广泛的应用前景，而自动铺带技术可以大幅提高复合材料的制造效率和产品质量。
通过自动铺带技术，可以制造出轻质、高强度的航空航天结构件，满足航空航天工业对材料性能和质量控制的高要求。
2.汽车工业：自动铺带技术在汽车工业中有着广泛的应用。
通过在汽车零部件中使用复合材料，可以实现车身的轻量化，并提高汽车的燃油效率。
自动铺带技术可以大幅提高复合材料零部件的制造效率，满足汽车工业对大规模生产和高品质产品的需求。
3.建筑领域：自动铺带技术也可以应用于建筑领域的复合材料制造。
复合材料在建筑领域有着广泛的应用前景，可以用于制造建筑结构件、装饰材料等。
自动铺带技术可以提高建筑材料的生产效率，同时保证产品的一致性和质量，满足建筑行业对快速和高质量产品的需求。
复合材料的成型工艺与应用研究
复合材料的成型工艺与应用研究在当今的材料科学领域，复合材料以其优异的性能和广泛的应用受到了越来越多的关注。
复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学的方法组合而成的一种新型材料，其性能往往优于单一材料。
而复合材料的性能不仅取决于组成材料的性质，还与成型工艺密切相关。
本文将对复合材料的成型工艺及其应用进行深入探讨。
一、复合材料的成型工艺1、手糊成型工艺手糊成型是一种古老而简单的复合材料成型方法。
它是在模具上涂刷脱模剂，然后将增强材料（如玻璃纤维、碳纤维等）铺放在模具上，再用刷子或喷枪将树脂均匀地涂覆在增强材料上，使其浸润，最后通过固化得到复合材料制品。
手糊成型工艺的优点是设备简单、投资少、能生产大型制品；缺点是劳动强度大、生产效率低、产品质量不稳定。
2、喷射成型工艺喷射成型是将树脂和短切纤维通过喷枪同时喷射到模具上，然后压实、固化得到复合材料制品。
这种工艺可以提高生产效率，减少人工操作，但纤维含量相对较低，制品的力学性能不如手糊成型的制品。
3、模压成型工艺模压成型是将预浸料（树脂浸渍过的增强材料）放入模具中，在一定的温度和压力下固化成型。
模压成型工艺生产效率高、产品质量稳定、尺寸精度高，但模具成本较高，适合大批量生产。
4、缠绕成型工艺缠绕成型是将连续的纤维或带材通过缠绕机缠绕在芯模上，然后经过固化得到复合材料制品。
缠绕成型可以实现等强度设计，制品的强度高，但设备复杂，只适合生产圆柱形或球形等回转体制品。
5、拉挤成型工艺拉挤成型是将连续的纤维通过树脂浸渍槽，然后在牵引机的作用下通过加热模具固化成型。
拉挤成型工艺生产效率高、产品性能好，但只能生产截面形状不变的制品。
6、树脂传递模塑（RTM）成型工艺RTM 成型是将树脂注入闭合模具中，浸润预先放置在模具中的增强材料，然后固化成型。
RTM 成型工艺可以生产复杂形状的制品，纤维含量高，产品质量好，但模具设计和制造较为复杂。
二、复合材料的应用1、航空航天领域在航空航天领域，复合材料由于其轻质、高强、耐高温等性能，被广泛应用于飞机、卫星、火箭等飞行器的结构件中。
光纤智能复合材料纤维自动铺放制造工艺研究
光纤智能复合材料纤维自动铺放制造工艺研究摘要：光纤智能复合材料之所以受到广泛关注，主要与它所能实现的实时在线监测功能有直接关系，主要是针对复合材料内部应力与微小损伤的监测。
可是当前制造光纤智能复合材料的手段多局限于手工制造，不仅效率低，效果一致性也很难得到保证。
面对现实情况和人们的应用需求，基于纤维铺放技术的光纤智能复合材料自动化制造工艺正在成为光纤智能复合材料制造的主要手段，将光纤的植入过程与纤维丝束铺放过程相结合，实现光纤智能复合材料的自动制造。
下面本文将对光纤智能复合材料纤维自动铺放制造工艺研究。
关键词：光纤；智能复合材料；纤维自动铺放技术；制造工艺研究一、实验设备与材料首先要指出的是，本文所论述的光纤智能复合材料制造，是在结合纤维铺放系统使用的情况下来实现连续性制造的。
纤维铺放系统的正常运行与相应功能发挥，是靠机器人式纤维铺放机去实现的，在16束7 mm宽纤维窄带（最大工作量）的同作用下，纤维铺放机可在平均每分钟内完成30m铺放操作（最快速度），相比手工这样的铺放速度已经非常快了，并且质量也能够得到很好保证。
在整个操作过程中，“系统”首先会进行碳纤维预浸带的铺放，当铺放到合理厚度时（即光纤植入需要的厚度），绕在光纤缠绕卷中的光纤便会借助两个输圆柱形送辊相互反方向运转时所产生的摩擦力作用下完成向前运动操作，然后在铺放压辊的压紧力作用下，以及红外灯的加热作用下，被植入到预定位置。
在光纤被传输的过程中，“张力”大小是个很重要的因素，从张力调节控制装置构成与内部结构上看，传感器在里面发挥了很大的作用，张力控制器将张力传感器采集到的信号转换为控制信号，从而调节光纤缠绕卷输送电机相应的转速而达到张力控制的目的。
但需要注意的是，光纤在实际传送过程中很容易会因曲率弯曲较大而出现破损，为了解决这个问题，我们还是需要从张力调节控制装置构成与内部结构设计上去寻找办法，当前较为有效的一种处理方法是，增加张力传感器与其两侧导向轮之间的距离，这样会使光纤得到较大的平滑过渡，增大光纤的弯曲半径。
纤维束自动铺放工艺
纤维束自动铺放工艺
纤维束自动铺放工艺是一种用于制造复合材料构件的工艺，通过自动化系统将纤维束按照设计要求铺放在模具内部，然后固化成所需形状的工艺。
该工艺主要包括以下几个步骤：
1. 纤维预处理：将纤维束进行预处理，如去除杂质、整理纤维的走向等操作，以便更好地进行铺放。
2. 模具准备：根据设计要求，准备好所需形状的模具，并做好模具表面的处理，以确保纤维能够平稳地铺放在模具内。
3. 自动铺放：利用自动化系统，根据设计要求将纤维束自动地铺放在模具内。
自动化系统可以根据设计图纸或程序来控制铺放的路径和方式，以确保纤维束的均匀分布和准确位置。
4. 粘结剂喷涂：在纤维束铺放完成后，可以通过喷涂粘结剂来增加纤维束之间的粘结强度，以便更好地固化成所需形状。
5. 固化处理：铺放完成后，将模具置于固化设备中，进行热固化或其他固化处理，使纤维束能够固化成所需形状，并具有足够的强度。
纤维束自动铺放工艺可以提高生产效率，减少人工操作对于产品质量的影响，同时也降低了劳动强度。
它广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域的复合材料构件制造中。
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复合材料纤维铺放技术及其应用
摘要：先进复合材料比传统材料具有诸多优点，例如轻质量、高强度、低密度、高模量、抗疲劳、耐腐蚀、设计制造一体化等等。
复合材料对减轻结构重量、提
高经济性和可靠性具有不可替代的作用。
复合材料已经广泛应用于制造领域，尤
其是航空航天领域，在航空航天设备上的用量和应用部位已经成为衡量航空航天
器结构先进性的重要标志之一。
关键词：复合材料；纤维铺放技术；应用
一、纤维铺放技术的成型原理和特点
纤维铺放技术是树脂基复合材料制造技术中的一种，其工作原理是将连续的
纤维丝束或纤维带通过预浸胶或树脂之后，按照设定好的路径铺放到芯模上，最
后在一定温度下固化，制成所需形状的制品。
复合材料纤维铺放成型技术（Fiber placementFP）是自动窄带铺放成型技术（Automanted tep placement, ATP）和自
动铺丝束成型技术（Automated tow placement, ATP）的总称。
纤维铺放技术的成
型工艺是在纤维铺放机上将平行的纤维丝束或纤维带预浸处理，通过铺放头装置
将预浸过的纤维束压到需要加工的工件或芯模表面。
纤维铺放与纤维缠绕和带铺
放不同，它不是按照测地线在芯模或模具上布纱；纤维铺放可精确控制丝束宽度，且各丝束可单独铺放，通过切断、重续等工序控制铺放厚度的增减。
此外，纤维
丝束是通过纤维铺放机上的铺放头压在模具上的，能保证铺放每一层紧密贴合避
免出现分层现象。
总结纤维铺放技术的优点有:（1）通过铺丝头剪断丝束、重新
开始等，可以对铺放厚度进行精确控制；（2）工艺过程中铺丝头可调节施加力，实时加压密实；（3）铺放精度高，不易出现孔隙；（4）纤维铺放角度可以调节，不受限制；（5）铺放材料利用率高，浪费少。
二、复合材料纤维铺放技术应用
1.加热工艺研究。
在自动纤维铺放过程中，为提高铺放效率，通常设置预加
热及主加热2 个加热环节。
在这2 个环节中，都会涉及到选择热源、建立加热模
型及确定加热温度三方面的问题。
目前，应用在自动纤维铺放中的热源主要有激
光热源、红外线热源和高温气体热源3 种。
选择热源时，针对不同的加工原料及
结合具体的应用场合，需对所选热源的加热温度（或加热功率），可连续加热时间，加热温度是否可控及热源自身的价格、质量、体积、热利用率等方面进行综
合考虑。
首先，设置预加热区，可显著缩短主加热所需时间，提高纤维铺放速率，同时，可避免铺层啮合点处温度梯度变化过大而引起过多的残余应力。
预加热时，为保持基体材料原有的物理化学性质及最大限度提高铺放速率，预加热温度通常
应略低于基体材料玻璃转化温度，因此，预加热热源的加热温度选择应略高于基
体材料玻璃转化温度。
在主加热区，基体材料的安全加热温度通常应低于基体材
料的退化温度，为使基体材料充分熔融，主加热区的温度又应高于基体材料的玻
璃转化温度，同时，考虑铺放效率，选择主加热区热源的加热温度略高于基体材
料退化温度是较为合理的。
其次，热源使用场所空间的大小及安装的难易程度，
在热源选择过程中也需要充分的考虑。
根据热源的不同，铺放设备及周围的实际
环境，确定相应的热传递方式，建立热传递模型的边界条件。
鉴于热传递模型及
其边界条件的复杂性，多数情况采用有限元的方式对模型进行数值求解，来研究
不同时刻、温度在纤维束中不同位置的分布情况以及时间、温度、位置三者之间
的关系，然后与试验数据进行对比，分析所建模型的合理性，同时对所建模型进
行合理修正。
自动纤维铺放过程中，在加热温度、加热热源、加热模型三者确立
之后，可以通过计算加热时间确定的铺放速率理论值范围，指导实际铺放过程铺
放参数的设定。
2.冷却工艺研究。
用于自动纤维铺放的碳纤维单向增强树脂基预浸丝或预浸带，其基体材料通常为半结晶聚合物。
在这类聚合物兼有无定形聚合物和结晶聚
合物的优点，其使用温度、抗蠕变性、硬度和强度主要受结晶度的影响，随结晶
度的增大而增大，但结晶度过高，又会使聚合物变脆。
因此，在实际应用中，需
严格控制半结晶聚合物成品的结晶度来保证产品质量。
在纤维铺放过程，通常会
设置特定的冷却区对熔合后的铺层进行冷却以完成其最终的结晶固化，而不是让
其在室温条件下自然冷却。
对于半结晶聚合物，结晶速率是材料结晶程度和结晶
状态的显著影响因素，而冷却速率及冷却时间决定了结晶速率。
因此，在纤维铺
放过程中，只要严格控制这个参数，就可保证最终的产品品质。
而合理的冷却速
率主要是通过大量试验数据得到的。
首先，基体材料性能最优时所对应的结晶度
值的范围可从材料制造厂商处得到；其次，设定具体的冷却条件（等温冷却或以
一定的冷却速率冷却），通过试验确定在此条件下的基体材料的结晶速率，结晶
速率的测定方法通常有膨胀计法、光学解偏振法、DSC 法、热台偏光显微镜法、
小角激光光散射法等；最后，通过仿真软件，可计算出在此冷却速率下达到要求
结晶度所需的时间，即在纤维铺放过程中，铺层需在特殊冷却区所停留的时间。
在计算得到冷却时间后，可以确定在这一区域合理铺放速率理论值的范围，但纤
维铺放过程中，铺放速率只能是一个值，当由加热时间所计算的铺放速率与由冷
却时间所计算的铺放速率不能协调一致时，可以通过调整加热区间的长度或特定
冷却区间的长度来达到二者速率的一致。
3.纤铺层间强度研究。
利用自动纤维铺放技术加工的复合材料构件，其基体
材料的性能指标由加热工艺参数和冷却工艺参数共同决定；其整体性能指标还与
铺层间强度有关，即与任意相邻两铺层熔合后所能达到的铺层间强度有关。
铺层
间强度受到两铺层间紧密接触程度、两铺层熔合时分子渗透距离及纤维铺放压力
三方面因素的共同影响。
铺层间紧密接触度被定义为：在任意给定时间，两铺层
接触面积占铺层面积总面积的百分比，与温度、压力、接触时间有关。
由于表面
粗糙度的原因，预浸丝或预浸带表面与铺层表面（或芯模表面）的微观几何形貌
为不规则体，在未加热和未施加压力的条件下，预浸丝或预浸带表面与铺层表面（或芯模表面）不可能完全接触。
为理论计算方便，国外研究人员首先将不规则
的微观几何体简化成大小不同的矩形（指截面），然后再将上述矩形简化成大小
相同的矩形。
纤维铺放过程中，在加热到一定温度时，当压辊对预浸丝或预浸带
施加一定的铺放压力后，预浸丝或预浸带与铺层表面（或芯模表面）的突起的矩
形将发生变形，矩形高度将减小，宽度将增大，然后根据这一模型，建立计算铺
放压力与铺层间紧密接触度之间的函数关系。
将现行的粗糙度评价指标融入上述
计算模型中，可显著提高实际应用的方便程度。
铺层间熔合是指相邻两铺层表面，当加热到温度高于自身基体熔化温度时，并在一定的铺放压力作用下，会发生一
铺层表面的分子向另一铺层扩散的现象。
分子扩散的距离决定了铺层间强度，这
与温度、压力与扩散时间有关。
复合材料纤维铺放技术是未来复合材料构件极端
制造发展的一个重要方向，复合材料在航空航天器的大量应用直接推动了自动铺
放技术的发展，铺放技术虽已成熟，但仍在不断发展和进步，并通过开发新技术
来实现复合材料构件低成本高效益制造。
参考文献
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