真空固结工艺助推碳纤维热塑性复合材料的大规模应用

板材固结工序是碳纤维单向带材成型的重要步骤，固结质量的好坏将直接影响最终成品的质量。然而，目前用于板材固结的液压压机、热压罐和双钢带压机都非常耗时，且投资成本高、能耗巨大，为此，Fraunhofer ICT发明了真空固结工艺，这为碳纤维单向带材的广泛应用铺平了道路。

热塑性复合材料渐成趋势

碳纤维是前沿材料的代表，自20世纪60年代发明以来就一直被视为“黑色黄金”。从航空航天、尖端武器到体育休闲用品和电子消费品，目前，碳纤维的应用已非常广泛。仅就汽车行业而言，从最初追求速度与安全的F1赛车，到后来的高端超跑，直至现在的豪华车和改装车，碳纤维复合材料的应用已逐步大众化，覆盖了汽车的内外饰和车身部件，与普罗大众的距离日益缩短。

纵观碳纤维产品在民用汽车行业的应用，有一条清晰的发展路线：整车企业通常是从内外饰件、高端选配件开始使用碳纤维，进而随着对碳纤维特性的了解，逐步由外及里，将应用范围扩展到车身件和底盘件。随着碳纤维应用范围的扩大，其突出优势如轻质高强、耐腐蚀和耐疲劳等特性也得到了充分发挥。曾于2016、2017年陆续上市的宝马新7系和奥迪A8等车型，就向人们展示了未来汽车用材料的趋势，即多材料混合设计，在最合适的地方选用最合适的材料，让碳纤维真正发挥其价值。

在工业应用上，碳纤维通常是与树脂基体组合成复合材料来发挥其潜力。目前，应用最成熟的树脂基体是热固性树脂，如环氧树脂和不饱和树脂等。近年来，汽车行业对车用材料提出了日益严格的环保、绿色和可回收等方面的要求，这使得热塑性树脂基体逐渐成为热点。由于具有成本优势，玻纤增强热塑性复合材料首先在汽车行业的应用中取得突破，截止目前，已在多种车型上获得了成熟应用，如于2018年量产的福特福克斯车型的热塑性车门模块（图1）、2018年量产的某款车型的热塑性刹车踏板（图2），以及于2021年量产的奔驰S级轿车的电池负载舱（图3）。相比之下，碳纤维热塑性复合材料的应用还主要局限在内外饰件以及一些零部件的加强部位上，高昂的成本是限制其应用范围扩大的主要原因。

图1福特福克斯的热塑性车门模块

图2 2018年量产的某款车型的热塑性刹车踏板

图3 奔驰S级轿车的电池负载舱

如何让碳纤维热塑性复合材料发挥优势

目前，连续纤维增强热塑性复合材料主要有两种形态：单向带材和织物板材。就玻纤增强热塑性复合材料而言，汽车行业使用较多的是织物板材。而就碳纤维而言，由于其表面的上浆剂多为热固性树脂，意味着与热塑性材料的直接结合较为困难，从而导致碳纤维热塑性织物板材的成本高昂。此外，在织物板材的成型过程中，还需要切割掉多余的边角料，由此导致的浪费进一步增加了制造成本。相比之下，碳纤维热塑性单向带材的制造却相对容易，成本约为织物板材的一半。不仅如此，铺层时，还可订制碳纤维热塑性单向带材的铺放角度，实现在需要补强的地方进行补强，这极大地减少了成型过程中的边角料浪费，因而就综合使用成本而言，碳纤维单向带材在汽车行业的应用前景要优于碳纤维织物板材。

图4和图5所示分别为织物板材的成型工艺和单向带材的成型工艺，由此可见，它们之间存在明显的不同：模压前，织物板材需要经过裁切步骤，这会造成材料的浪费，而单向带材却可以通过多角度切割和铺层，实现产品造型的“准净尺寸”铺层，减少材料损耗。

图4 织物板材成型

图5 单向带材成型

随着自动化技术的飞速发展，碳纤维增强复合材料成型工艺的自动化程度也逐步提高，尤其是用于热塑性单向带材的自动化铺层设备和板材固结设备的技术水平越来越成熟，这也成为碳纤维热塑性复合材料得到广泛应用的重要推动力。

关键的板材固结工序

从图5可以看出，经角度铺层后的单向带材还需要经历板材固结工序。在此工序中，单向带材将经历“加热-冷却-固结”的过程，以此可以消除层间缝隙，减少孔隙率，同时提高热塑性树脂的浸润质量，以确保获得密实的平板。随后，对固结好的板材进行注射或模压成型，以制成最终的产品。因此，板材固结工序是单向带材成型的重要步骤，固结质量的好坏将直接影响最终成品的质量。在固结过程中，对压力和温度的控制尤为关键。

首先，施加的压力要足够高，以确保各层带材紧密接触，同时避免材料在加热过程中体积增大。但工艺压力也不能太高，以免纤维间的空间被压得过小而影响热塑性树脂的渗透，从而降低浸润质量。此外，过高的压力还易导致熔融状态下的热塑性塑料引起纤维方向的改变，从而降低板材的机械性能，并增加翘曲的风险。

其次，还要精确控制温度。只有足够高的工艺温度才能降低材料黏度，增加流动性。然而，温度也不能过高，否则会造成热塑性塑料和纤维的降解。许多材料如PA6，当暴露于热和氧气中时，会因热氧化降解而受损。

同时我们需要注意到，固结过程中，热塑性塑料需要从常温加热到其熔点之上，然后再降温冷却到常温。目前，液压压机、热压罐和双钢带压机都可以做到这一点，但都非常耗时，且投资成本高、能耗巨大，这无疑阻碍了碳纤维带材应用范围的扩大。由德国弗劳恩霍夫化学研究院（Fraunhofer ICT）发明的真空固结工艺，则很好地解决了这一问题。

真空固结工艺原理

图6 真空固结工艺原理示意图

如图6所示，在真空固结工艺中，带材铺层被放置在两个能被热辐射穿透的耐高温玻璃之间，在玻璃间还放置有密封胶条。真空泵将位于两块玻璃之间的密封区内的空气抽走，并对带材铺层施加压力。在整个固结过程中，保持真空环境，同时，将残留的水分、空气、溶剂或其他气体通过真空泵抽走，以此来保护材料，使其免受热氧化而降解。然后，通过红外辐射来加热带材铺层，使其温度高于热塑性塑料的熔化温度。相比传统模具的热传导方式，在此工艺中，带材铺层直接吸收热辐射带来的热量，令加热时间明显缩短，同时还降低了能耗。随后的冷却过程是将玻璃和带材一起转移到水冷站，通过循环的冷却水来持续地带走玻璃上的热量，从而冷却材料，获得固结的板材。

真空固结工艺的节拍远高于现有的模压机和热压罐，其循环时间不仅取决于红外灯管的功率和灯管到带材铺层的距离，还取决于带材铺层的厚度。对于较薄的平板，整个固结过程不到两分钟。另外，由于作用在材料上的压力来自真空，且可以稳定在1bar（0.1MPa），因而可以避免因液压机或双钢带压机的压力变化而导致的板材厚度差异。

Fraunhofer ICT使用以PA6作为基体的碳纤维单向带，对真空固结工艺的性能作了研究，包括对14层0°/90°的铺层结构作了4点弯曲试验。直接对比结果表明，通过真空固结工艺得到的板材，其弹性模量要比用双钢带压机制作的板材的弹性模量提高了25%，弯曲强度则提高了15%，如图7所示。

图7 不同板材的弯曲性能对比

图8 不同板材的CT扫描图（左为真空固结板材，右为双钢带压机板材；上为俯视图，下为截面图）

随后的计算机断层扫描（CT）揭示了导致这两种板材机械性能差异的原因。如图8所示，从板材扫描结果看，用真空固结工艺做出的板材，孔隙率低于1%，且纤维几乎不存在方向紊乱问题。而双钢带压机制成的板材却存在明显的孔隙（图中的黑点），且纤维方向有部分紊乱，这些孔隙和纤维紊乱导致了板材性能的下降。孔隙的产生，是因为双钢带压机在制板时无法提供真空环境，而纤维方向紊乱的原因，则是因为双钢带压机的压力过高。

结论

真空固结工艺可以在较短的时间内低能耗地实现对碳纤维单向带材的铺层固结，且孔隙率低，机械性能优异，可以为后续板材的模压或注射成型打下良好基础。换言之，真空固结工艺可以用较低的制造成本来制备高性能的板材，并能与自动化的带材铺层工艺相结合，大幅降低了碳纤维单向带材的成型成本，从而为实现该材料的大规模应用创造了条件。

作为国内最大的侧重于复合材料量产成型技术的开放式研发平台，ACTC与Fraunhofer ICT合作，并引进了Diffenbacher最新的真空固结设备Fibercon和带材自动化铺层设备Fiberforge，可以为感兴趣的合作伙伴提供最优质的服务。