纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料制造技術(shù)研究進(jìn)展

王振林，孫 浩，何 芳，文穎慧，崔彧菁，董杰濤，趙立偉

（1.哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱150060；2.黑龍江省科學(xué)院 石油化學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱150040）

前 言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，現(xiàn)代制造業(yè)更新升級(jí)不斷加速，作為高強(qiáng)度、高性能、輕量化的新材料的主導(dǎo)者，纖維材料掀起了一場(chǎng)新材料領(lǐng)域的革命，在現(xiàn)代先進(jìn)復(fù)合材料制備中發(fā)揮了不可替代的作用，被視為21 世紀(jì)最具有生命力的新型材料。將樹(shù)脂和纖維進(jìn)行有機(jī)結(jié)合得到的一類復(fù)合材料稱作纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（簡(jiǎn)稱FRP）。纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料已經(jīng)成為繼鋁合金、鈦合金之后在航空航天及軍工等高技術(shù)領(lǐng)域最重要的結(jié)構(gòu)材料之一。此外，纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸擴(kuò)大，在機(jī)械制造、醫(yī)療器械、電子電器、建筑材料等民用領(lǐng)域也有較多應(yīng)用。先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域具有非常重要的戰(zhàn)略意義，是發(fā)展先進(jìn)航天器和飛機(jī)不可缺少的關(guān)鍵材料，而先進(jìn)復(fù)合材料的制造技術(shù)水平則制約著復(fù)合材料的應(yīng)用。

本文將從樹(shù)脂基復(fù)合材料出發(fā)，總結(jié)介紹近年來(lái)國(guó)內(nèi)外纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料成型制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、工藝特點(diǎn)，介紹纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料制造技術(shù)的研究熱點(diǎn)。先進(jìn)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的成型屬于設(shè)計(jì)制造一體化，易于大面積整體成型，其成型工藝較多，目前主要使用的有模壓成型、模塑成型、熱壓罐成型、纏繞成型、自動(dòng)絲束鋪放成型、拉擠成型、增材制造技術(shù)等。

1 模壓成型

模壓成型（Compression Molding）又稱壓縮模塑，是將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的預(yù)浸料（或纖維、樹(shù)脂混合物）在模具中鋪展疊放，然后加熱熔融，再以相應(yīng)的壓力壓制，保壓冷卻成型脫模[1]。模壓成型包括兩種成型工藝：固態(tài)模壓成型（又稱干法成型）和流動(dòng)態(tài)模壓成型（又稱濕法成型）。

張?chǎng)斡竦热薣2]進(jìn)行了復(fù)合材料螺旋槳整體模壓成型模具設(shè)計(jì)技術(shù)研究。在現(xiàn)有模具設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，研究并設(shè)計(jì)出一種整體成型的復(fù)合材料螺旋槳模具,有效解決了分體成型時(shí)的裝配誤差、粘接強(qiáng)度低等技術(shù)難題。隨和[3]以某汽車衣帽架主體為研究對(duì)象，提出了一種內(nèi)飾件模壓成型模具的輕量化設(shè)計(jì)流程及方法，對(duì)模具凸凹模結(jié)構(gòu)進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，在保證模具結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度前提下，減少質(zhì)量15.6%。Kim 等人[4]采用有限元分析軟件，對(duì)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)預(yù)浸料的整個(gè)壓縮成型過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，估算了流動(dòng)分析過(guò)程中的填充時(shí)間和纖維分布，分析了熱殘余應(yīng)力和纖維取向引起的固化變形，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，兩者吻合較好。謝懷勤等人[5]根據(jù)固化動(dòng)力學(xué)和熱傳導(dǎo)理論，建立了非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)和固化動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型；利用有限單元與有限差分相結(jié)合的方法，建立了溫度場(chǎng)和固化度數(shù)值模型，在此基礎(chǔ)上編制了計(jì)算機(jī)程序，對(duì)聚合物基復(fù)合材料模壓過(guò)程溫度場(chǎng)與固化度動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了數(shù)值模擬。王貴彬等人[6]對(duì)某運(yùn)動(dòng)器材的碳纖維復(fù)合材料加固件模壓成型過(guò)程進(jìn)行有限元模擬和分析，為復(fù)合材料產(chǎn)品及其模具設(shè)計(jì)提供了優(yōu)化設(shè)計(jì)依據(jù)。

2 模塑成型

模塑成型工藝主要包括樹(shù)脂傳遞模塑成型（Resin Transfer Molding，簡(jiǎn)稱RTM）和樹(shù)脂膜熔融浸漬成型（Resin Film Infusion，簡(jiǎn)稱RFI）兩種類型[7]。

近年來(lái)出現(xiàn)了各種RTM 的改進(jìn)和變形工藝，如真空輔助RTM、壓縮RTM、樹(shù)脂滲透模塑、真空滲透法、結(jié)構(gòu)反應(yīng)注射模塑、真空輔助樹(shù)脂注射等10 多種方法。RTM 工藝具有高度靈活性，制品質(zhì)量高，可生產(chǎn)高質(zhì)量復(fù)雜形狀制品，適用的增強(qiáng)材料多種多樣，工藝過(guò)程環(huán)保且自動(dòng)化適應(yīng)性強(qiáng)，并具有模塑壓力小、原材料利用率高的特點(diǎn)[8]。

RFI 工藝是從RTM 法中孕育出來(lái)的，主要用于成型高性能復(fù)合材料，尤其適合制造大型制件，如空中客車公司A380 飛機(jī)的圓頂、波音公司的大型機(jī)翼等。RFI 工藝具有諸多優(yōu)點(diǎn)，比如基體樹(shù)脂貯存條件要求寬泛，產(chǎn)品運(yùn)輸便捷；使用到的模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，基于該技術(shù)得到的產(chǎn)品質(zhì)量高；此外還可用于制造復(fù)雜的大型結(jié)構(gòu)件。但是能滿足RFI 工藝要求的基體樹(shù)脂很少[9]。Lawrence 等人[10]利用充型模擬工具，在傳感器和執(zhí)行器的幫助下，建立了一種設(shè)計(jì)和控制方法，識(shí)別流動(dòng)擾動(dòng)，并重新引導(dǎo)樹(shù)脂流動(dòng)，從而成功地完成充型過(guò)程，通過(guò)傳感器的反饋，可以自動(dòng)且主動(dòng)地控制樹(shù)脂的流動(dòng)，使所有的纖維完全浸漬而不受過(guò)程中的干擾。Devillard 等人[11]使用過(guò)程模型和仿真以及傳感和控制策略來(lái)處理低擾動(dòng)的方法，在虛擬環(huán)境中，通過(guò)選擇性地放置傳感器來(lái)識(shí)別干擾的位置，并有策略地打開(kāi)和關(guān)閉輔助門(mén)來(lái)引導(dǎo)樹(shù)脂流浸漬所有纖維，可以顯著提高成功率。Luo 等人[12]在建立RTM 虛擬制造(仿真)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法優(yōu)化，將仿真模型用于預(yù)測(cè)樹(shù)脂的流動(dòng)模式和加工效率。Geng 等人[13]為了研究樹(shù)脂在彎曲區(qū)域的浸漬行為，開(kāi)發(fā)了一種分析方法來(lái)評(píng)估壓力損失系數(shù)和總體滲透率變化。這種分析方法為預(yù)測(cè)彎曲模具上的樹(shù)脂流動(dòng)過(guò)程提供了一種可靠而簡(jiǎn)明的方法，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

研究人員圍繞樹(shù)脂膜制備及樹(shù)脂膜性能研究、工藝過(guò)程模擬仿真、復(fù)合材料性能研究等內(nèi)容，對(duì)RFI 工藝方法展開(kāi)了較為廣泛的研究。管清寶等人[14]采用超支化聚硅氧烷（HBPSi）改性O(shè),O’-二烯丙基雙酚/雙馬來(lái)酰亞胺-三嗪（BD-CE）樹(shù)脂體系，制備了適宜于RFI 成型工藝的樹(shù)脂體系并采用RFI 工藝制備玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。Alfred 和John 等人[15]建立了一個(gè)分析模型，用于模擬單一葉片加筋板的RFI 工藝過(guò)程。利用加筋板模擬結(jié)果，研究了壓實(shí)壓力對(duì)樹(shù)脂總滲透時(shí)間的影響，并討論了溫度、樹(shù)脂黏度以及浸潤(rùn)和固化過(guò)程中的固化程度的模型預(yù)測(cè)。Joohyuk 等人[16]使用半固化熱固性樹(shù)脂膜對(duì)RFI 工藝進(jìn)行了數(shù)值分析，他們建立了纖維壓縮和樹(shù)脂黏度的數(shù)學(xué)模型。

3 熱壓罐成型

熱壓罐成型工藝（Autoclave Processing）是將復(fù)合材料毛坯、蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)或膠接結(jié)構(gòu)用真空袋密封在模具上，置于熱壓罐中，在真空（或非真空）狀態(tài)下，經(jīng)過(guò)升溫、加壓、保溫（中溫或高溫）、降溫和卸壓等過(guò)程，使其成為所需要的形狀和質(zhì)量的成型工藝方法[17]?，F(xiàn)已經(jīng)發(fā)展成熟的技術(shù)有真空袋成型法、壓力袋成型法和雙真空袋成型法。

在國(guó)內(nèi)外航空航天領(lǐng)域，熱壓罐成型工藝主要用于大尺寸、外形較復(fù)雜的航空、航天FRP 構(gòu)件的制造，如蒙皮件、肋、框、各種壁板件、地板及整流罩。此外，熱壓罐成型技術(shù)還被廣泛應(yīng)用于先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)及金屬或復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)的成型中。熱壓罐成型工藝過(guò)程中罐內(nèi)壓力、空氣溫度均勻，保證了制品受熱均勻，適用范圍較廣；模具相對(duì)簡(jiǎn)單，效率高，適合大面積復(fù)雜型面的蒙皮、壁板和殼體的成型；此外，成型工藝穩(wěn)定可靠，制品尺寸精度高，且制品的纖維體積含量高、強(qiáng)度好、質(zhì)量輕[18]。但是熱壓罐投資成本及維護(hù)費(fèi)用高，隨著復(fù)合材料構(gòu)件的整體尺寸越來(lái)越大，所需的熱壓罐尺寸跟著加大，這是制約它進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用的主要障礙之一。

提高鋪層效率、降低成本是碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓罐成型技術(shù)的主要難點(diǎn)和研究重點(diǎn)，通過(guò)優(yōu)化固化工藝路線，使其向著能源節(jié)約型、環(huán)境友好型、效率最大化方向發(fā)展是未來(lái)的發(fā)展方向[19]。熱壓罐成型工藝的控制是至關(guān)重要的，研究者認(rèn)為通過(guò)優(yōu)化零件、工裝在罐內(nèi)的合理布局，是目前工藝設(shè)計(jì)的趨勢(shì)，也是降低復(fù)合材料制造成本的重要途徑。數(shù)值模擬能夠?qū)?fù)合材料熱壓罐工藝過(guò)程和最終零件外形質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，通過(guò)建立數(shù)值模擬方法來(lái)有效指導(dǎo)工藝、工裝的設(shè)計(jì)與優(yōu)化等，也成為研究熱點(diǎn)之一。劉望子等人[20]以窄腔翻邊復(fù)合材料蒙皮為研究對(duì)象，采用熱壓罐成型工藝方法，選取Invar 鋼框架模成型，能夠減少固化中熱容帶來(lái)的殘余應(yīng)力釋放，減少零件變形。Ucan 等人[21]提出一種以“Masterbox”作為熱壓罐工藝的在線控制系統(tǒng)，可借助有效的傳感器和調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料固化工藝的智能優(yōu)化。向炳東等人[22]基于Fluent 軟件建立了考慮樹(shù)脂固化反應(yīng)放熱的溫度場(chǎng)分析方法，并選取圓筒結(jié)構(gòu)典型位置的溫度變化歷程對(duì)仿真結(jié)果的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，研究結(jié)果對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中圓簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)的熱壓罐固化成型工藝優(yōu)化有一定的指導(dǎo)意義。李彩林[23]利用PAMAUTOCLAVE 軟件平臺(tái)，建立分析模型，利用數(shù)值計(jì)算方法模擬熱壓罐內(nèi)多物理場(chǎng)耦合情況，利用可視化研究方法，展示了罐內(nèi)有效區(qū)域的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布。此外，以熱壓罐為基礎(chǔ)，相關(guān)衍生的工藝如熱壓罐/VARI 組合工藝也成為了研究熱點(diǎn)。

4 纖維纏繞成型

纖維纏繞成型工藝（Filament Winding Technology）是指通過(guò)絲嘴與模具間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將連續(xù)纖維或帶經(jīng)過(guò)樹(shù)脂浸膠后，或者采用預(yù)浸膠纖維或帶，按照一定的規(guī)律纏繞到芯模上，然后在加熱或常溫下固化，通過(guò)一系列處理最后制成一定形狀的制品的一種生產(chǎn)工藝。

由于其機(jī)械自動(dòng)化程度高、效率高以及穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，纖維纏繞技術(shù)成為復(fù)合材料制造工藝中最重要的手段之一。纖維纏繞技術(shù)制造的產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于航天航空器材以及民用玻璃鋼管、儲(chǔ)罐等。纖維纏繞成型也存在缺點(diǎn)，沿制品軸向鋪設(shè)純縱向纖維較為困難，限制了它在某些結(jié)構(gòu)類管狀制品的應(yīng)用；纏繞得到的制品呈各向異性，層間剪切強(qiáng)度低；而且受限于機(jī)器和設(shè)備，不能進(jìn)行任意結(jié)構(gòu)件的成型。纖維纏繞成型工藝可分為干法纏繞、濕法纏繞和半干法纏繞三種工藝。廣大研究人員針對(duì)纖維纏繞成型樹(shù)脂基體研發(fā)、纏繞成型構(gòu)件形狀設(shè)計(jì)、纏繞工藝優(yōu)化等內(nèi)容開(kāi)展了系列研究。

李默宇等人[24]針對(duì)制備高性能碳纖維纏繞復(fù)合材料的要求，進(jìn)行了適合于T-800、T-700 碳纖維復(fù)合材料纏繞成型的樹(shù)脂基體的研究。張鵬等人[25]針對(duì)菱形圖案，建立了菱形圖案網(wǎng)格結(jié)構(gòu)纏繞線型的數(shù)學(xué)模型，分析了螺旋肋的布滿規(guī)律，改進(jìn)了環(huán)向肋的纏繞方法，提出了環(huán)向肋與螺旋肋同時(shí)纏繞的多絲嘴纏繞方案。Henninger 等人[26]將一種新的浸漬輪浸漬技術(shù)與纖維纏繞的工藝組合，提出了一種纖維束在線熔融浸漬與纖維纏繞直接結(jié)合的新工藝，具有浸漬速度較高結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量較輕且易于操作的特點(diǎn)。韓振宇等人[27]提出了纖維纏繞CAD/CAM 系統(tǒng)的總體方案，并對(duì)其中纏繞數(shù)學(xué)模型、線型優(yōu)化、絲嘴軌跡生成等重要組成部分進(jìn)行了分析與研究，為CAD/CAM 系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。Luca 等人[28]介紹了一種將自動(dòng)化系統(tǒng)和先進(jìn)的加工設(shè)備與纖維纏繞成型技術(shù)結(jié)合的方法，制造復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)件的創(chuàng)新技術(shù)—機(jī)械纖維纏繞成型（Robotic Filament Winding，簡(jiǎn)稱RFW）。RFW 包含一個(gè)工業(yè)機(jī)器人，它們適用于在操作過(guò)程中沿著零件所受的應(yīng)力方向鋪貼膠帶，在過(guò)程控制、可重復(fù)性和制造時(shí)間等方面表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，RFW 能擴(kuò)展到復(fù)雜軌跡的生成。

5 自動(dòng)絲束鋪放成型技術(shù)

復(fù)合材料自動(dòng)絲束鋪放成型技術(shù)，也稱為纖維鋪放技術(shù)，可分為自動(dòng)鋪帶技術(shù)（Automated Tape Layer，簡(jiǎn)稱ATL）和纖維自動(dòng)鋪放技術(shù)（即自動(dòng)鋪絲技術(shù)，Automated Fiber Placement，簡(jiǎn)稱AFP）[29]。

自動(dòng)鋪帶技術(shù)最早起源于美國(guó)，第一臺(tái)數(shù)控龍門(mén)式自動(dòng)鋪帶機(jī)由美國(guó)Vought 公司于20 世紀(jì)60年代研制成功。經(jīng)過(guò)30 多年的發(fā)展，美國(guó)自動(dòng)鋪帶技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到第五代，開(kāi)發(fā)了多鋪帶頭和針對(duì)特定構(gòu)件的專用化鋪帶機(jī)。自動(dòng)鋪絲技術(shù)是由美國(guó)Boeing、Hercules 等公司于20 世紀(jì)80 年代在纖維纏繞技術(shù)和鋪帶技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)。自動(dòng)鋪放技術(shù)是復(fù)合材料成型向自動(dòng)化轉(zhuǎn)變的標(biāo)志，可以將預(yù)浸帶剪裁、定位、鋪疊、壓實(shí)等功能通過(guò)自動(dòng)化手段集成于一體，并實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)控制和質(zhì)量檢測(cè)的自動(dòng)化。自動(dòng)鋪帶與自動(dòng)鋪絲的優(yōu)點(diǎn)主要是自動(dòng)化高速成形、質(zhì)量可靠，尤其適用于大型復(fù)合材料構(gòu)件制造，其中自動(dòng)鋪帶主要用于小曲率或單曲率構(gòu)件（如翼面、柱／錐面）的自動(dòng)鋪疊。由于預(yù)浸帶較寬，以高效率見(jiàn)長(zhǎng)，而自動(dòng)鋪絲側(cè)重于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀的雙曲面（如機(jī)身、翼身融合體及S 進(jìn)氣道等），適應(yīng)范圍寬[30]。自動(dòng)鋪帶缺點(diǎn)是應(yīng)用被限制在小曲率多平面等場(chǎng)合，因?yàn)樵趶?fù)雜曲面上進(jìn)行鋪放時(shí)極易出現(xiàn)褶皺、翹曲等缺陷。自動(dòng)鋪絲的主要缺點(diǎn)是成型效率要低于自動(dòng)鋪帶且對(duì)軌跡規(guī)劃具有更高的要求。

Pitchumani 等人[31]介紹了熱塑性鋪放成型工藝過(guò)程，通過(guò)建立理論模型，成功描述了成型過(guò)程對(duì)層間結(jié)合和層間空隙的影響。Tumkor 等人[32]研究了成型工藝參數(shù)對(duì)熱塑性層合構(gòu)件質(zhì)量的影響，并利用計(jì)算機(jī)繪出了溫度分布圖。李志猛等人[33]建立了熱塑性碳纖維預(yù)浸絲鋪放過(guò)程中二維溫度場(chǎng)分布的模型，利用ANSYS 對(duì)整個(gè)鋪放過(guò)程熱量的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)進(jìn)行了仿真，得到復(fù)合材料構(gòu)件在整個(gè)鋪放過(guò)程中溫度場(chǎng)分布及其隨時(shí)間的變化。黃當(dāng)明[34]采用自動(dòng)鋪帶運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鋪帶風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判，提高鋪疊效率和鋪帶操作的安全性，通過(guò)使用VERICUT 軟件自主開(kāi)發(fā)運(yùn)動(dòng)仿真軟件，優(yōu)化程序控制，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示鋪帶圖形功能。李金鍵等人[35]研究了基于纖維鋪放技術(shù)的光纖智能復(fù)合材料自動(dòng)化制造工藝，將光纖的植入過(guò)程與纖維絲束鋪放過(guò)程相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)光纖智能復(fù)合材料的自動(dòng)制造。

6 拉擠成型

拉擠成型（Pultrusion）是指在牽引設(shè)備的作用下，將浸漬樹(shù)脂的連續(xù)纖維或其織物通過(guò)模具加熱使樹(shù)脂固化生產(chǎn)復(fù)合材料型材的工藝方法。拉擠成型工藝作為一種自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)的復(fù)合材料成型工藝方法，類似于金屬的擠出工藝，其最大特點(diǎn)是連續(xù)成型，制品長(zhǎng)度不受限制[36]。

拉擠成型技術(shù)起源于美國(guó)，早在1951 年就有利用液態(tài)聚合物浸漬纖維來(lái)生產(chǎn)釣魚(yú)竿的專利。玻璃纖維原絲連續(xù)氈的面世，解決了拉擠制品橫向強(qiáng)度問(wèn)題，有可能制成各種截面、形狀的拉擠型材，此后拉擠成型技術(shù)高速發(fā)展。從國(guó)外發(fā)展趨勢(shì)看來(lái)，拉擠成型是向著生產(chǎn)大型產(chǎn)品，改進(jìn)現(xiàn)有的設(shè)備，提高產(chǎn)品外觀質(zhì)量和橫向強(qiáng)度等方面發(fā)展。傳統(tǒng)拉擠成型原材料利用率高，樹(shù)脂／纖維含量可精確控制，生產(chǎn)效率高，適于大批量生產(chǎn)，制造長(zhǎng)尺寸的產(chǎn)品，制品長(zhǎng)度可隨意控制，加工成本相對(duì)較低；此外，纖維呈縱向且體積比較高（40%～80%），因而拉擠型材軸向力學(xué)性能非常好，制品質(zhì)量穩(wěn)定，外觀平滑，具有高強(qiáng)、輕量的特點(diǎn)[37]。

對(duì)于拉擠成型工藝，固化階段是影響制品的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需外熱源加熱模具從而達(dá)到熱固性樹(shù)脂固化反應(yīng)的溫度條件，而樹(shù)脂在固化反應(yīng)過(guò)程中會(huì)釋放出大量熱量，從而影響復(fù)合材料內(nèi)部非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。因此為改善拉擠成型工藝，針對(duì)固化階段的研究成為一個(gè)熱點(diǎn)。此外，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和專業(yè)分析軟件技術(shù)的發(fā)展，模擬仿真技術(shù)進(jìn)入到拉擠成型研究領(lǐng)域。

盧少微等人[38]對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)塑料拉擠成型非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)與固化度進(jìn)行數(shù)值模擬，依據(jù)固化動(dòng)力學(xué)和非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱理論，建立了溫度場(chǎng)和固化度動(dòng)力學(xué)模型。利用有限元與有限差分相結(jié)合的方法，建立溫度場(chǎng)和固化度數(shù)值模型。Carlone 等人[39]采用有限差分法對(duì)拉擠成形過(guò)程進(jìn)行仿真，提出單形法與遺傳算法相結(jié)合的混合方法，提高了零件的尺寸精度。Chen 等人[40]采用有限元、有限差分和間接解耦相結(jié)合的方法求解碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料桿件的拉擠成型工藝控制方程。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了仿真結(jié)果，開(kāi)發(fā)了優(yōu)化拉擠速度和模具溫度的程序。Silva等人[41]提出了一種內(nèi)部安裝加熱器的模具結(jié)構(gòu)。目標(biāo)是增加現(xiàn)有安排的數(shù)目，并找出最佳排布，盡量減少能源消耗。采用基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）和隨機(jī)優(yōu)化算法（粒子群算法）的數(shù)值方法進(jìn)行優(yōu)化。

7 增材制造技術(shù)

增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing），又稱快速成型技術(shù)（Rapid Prototyping）、3D 打印技術(shù)（3D Printing），其采用“離散－堆積”原理，以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，高度集成CAD/CAE/CAM 技術(shù)，使材料逐點(diǎn)累積形成面，逐面累積成體，按照逐層累加材料的方法制造實(shí)體物品，是一種新興制造技術(shù)[42]。

增材制造技術(shù)密切結(jié)合了信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與先進(jìn)材料技術(shù)、數(shù)字制造技術(shù)，是先進(jìn)制造業(yè)的重要組成部分，由于增材制造的多功能化特點(diǎn)，在汽車、航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。因此，增材制造技術(shù)被榮稱為“具有第三次工業(yè)革命重要標(biāo)志意義”的制造技術(shù)，西方發(fā)達(dá)國(guó)家將其列為戰(zhàn)略發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。增材制造技術(shù)發(fā)展至今，按照其成型機(jī)理主要分為疊層實(shí)體制造、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)、立體光固化技術(shù)、熔融沉積成型技術(shù)四種。針對(duì)適用于增材制造的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、打印機(jī)及打印噴頭設(shè)計(jì)、3D 打印的連續(xù)性路徑規(guī)劃算法、4D打印技術(shù)等內(nèi)容，研究者開(kāi)展了大量研究。

譚瑞詩(shī)等人[43]對(duì)碳纖維長(zhǎng)纖復(fù)合材料3D 打印過(guò)程的成型路徑進(jìn)行合理規(guī)劃，提出方向可調(diào)的“Z”字填充算法，采用填充角度動(dòng)態(tài)可調(diào)的平行線掃描填充方式，并將相關(guān)聯(lián)交線按照奇偶原則連接，減少跳轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)路徑連續(xù)最大化。Nanya 等人[44]提出了一種新型的三維打印方法，該方法考慮了負(fù)載傳輸路徑和連續(xù)碳纖維增強(qiáng)長(zhǎng)絲的各向異性特性，沿荷載傳遞路徑鋪設(shè)碳纖維結(jié)構(gòu)，大大降低了應(yīng)力集中，達(dá)到了準(zhǔn)各向同性的性能，可用于制備碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。Wang 等人[45]提供了一種數(shù)值方法來(lái)研究在大面積增材制造聚合物復(fù)合沉積過(guò)程中螺桿旋流對(duì)預(yù)測(cè)纖維取向和相關(guān)有效彈性性能的影響。采用弱耦合分析方法，利用有限元法對(duì)聚合物熔體流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬了聚合物L(fēng)AAM 噴絲頭熔體流動(dòng)和纖維取向。隨后出現(xiàn)的4D 打印技術(shù)，又在3D 打印技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)時(shí)間維度，使制品可以隨外界環(huán)境發(fā)生相應(yīng)變化[46]。

將增材制造技術(shù)與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，為低成本、高效能、綠色制造提供了可能[47]。也為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料產(chǎn)品的簡(jiǎn)潔化、輕量化、高強(qiáng)化設(shè)計(jì)和制造提供了實(shí)現(xiàn)路徑，在材料利用率方面有了較大提高，同時(shí)也降低了設(shè)備及能源消耗率，因此具有廣闊的發(fā)展前景[48]。

8 結(jié)論與展望

先進(jìn)的纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料已經(jīng)成為一類最重要的航空航天結(jié)構(gòu)材料，而復(fù)合材料的制造技術(shù)是制約材料應(yīng)用的重要因素。未來(lái)的主要發(fā)展方向是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)向整體化、制造工藝的機(jī)械自動(dòng)化、工藝過(guò)程的智能化以及材料的環(huán)保高效循環(huán)再利用化。

生產(chǎn)制造復(fù)合材料的模塊化結(jié)構(gòu)，可大大減少?gòu)?fù)合材料構(gòu)件內(nèi)和構(gòu)件間的連接，簡(jiǎn)化制造過(guò)程、提升制造效率、提高質(zhì)量。大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件成型模具的開(kāi)發(fā)可以提高大型構(gòu)件的精度及質(zhì)量。應(yīng)高度重視大型復(fù)合材料構(gòu)件成型模具技術(shù)，以支撐大型復(fù)合材料構(gòu)件的高效研制。將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、模擬仿真技術(shù)和纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料制造進(jìn)行緊密聯(lián)系，采用仿真手段能夠大幅減少材料和能源消耗，通過(guò)智能化方式，建立數(shù)值模擬來(lái)有效指導(dǎo)工藝過(guò)程，可以大幅減少試驗(yàn)次數(shù)，降低研發(fā)成本、縮短研發(fā)周期。當(dāng)前對(duì)于環(huán)境友好材料的要求日益突出，實(shí)現(xiàn)纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料高效循環(huán)再利用是重要的研究目標(biāo)。