單向碳纖維預(yù)浸料模壓熱固化工藝及其對(duì)力學(xué)性能的影響規(guī)律

郭聰 陳福龍 李紅 蘇友煌 何霽

摘要：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）具有密度小、比強(qiáng)度高、比模量大、抗沖擊性能好等優(yōu)點(diǎn)，是理想的輕量化用材。CFRP的快速成形工藝能夠顯著降低其制造成本，是目前國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。本文在不同工藝參數(shù)條件下采用模壓熱固化工藝完成CFRP的快速固化成形，通過(guò)不同方向的拉伸和壓縮試驗(yàn)對(duì)CFRP的力學(xué)行為進(jìn)行了測(cè)試，最后結(jié)合各向異性失效模型對(duì)CFRP的材料參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定。試驗(yàn)結(jié)果揭示了熱力工藝參數(shù)對(duì)成形性能的影響規(guī)律，為工藝窗口建立提供了一定的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；模壓熱固化成形；各向異性失效模型；參數(shù)標(biāo)定；工藝優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TQ327.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.01.013

基金項(xiàng)目：航空科學(xué)基金（201936057001）；上海市自然科學(xué)基金（19ZR1425800）；國(guó)家自然科學(xué)基金（51975364）

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐疲勞、耐腐蝕等優(yōu)勢(shì)，是理想的高性能輕量化用材[1-3]。CFRP常用的成形工藝包括模壓成形、真空袋成形、樹脂傳遞模塑成形、拉擠成形、熱壓罐成形等[4-6]。傳統(tǒng)的熱壓罐工藝存在工藝成本高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、熱壓罐價(jià)格昂貴等特點(diǎn)[7-8]，不適用大批量零部件的成形，低成本復(fù)合材料制備工藝成為未來(lái)CFRP零件制造的一個(gè)重要發(fā)展方向[9]。模壓熱固化工藝和快速固化預(yù)浸料的發(fā)展為快速低成本CFRP零件成形提供了新的研究思路[10]。一方面，通過(guò)模壓熱固化成形CFRP零件可以集成并利用原有熱沖壓工藝平臺(tái)，對(duì)設(shè)備的成本需求大大降低；另一方面，零件生產(chǎn)速度快，降低了制造成本。

近年來(lái)，模壓熱固化成形獲得了廣泛的關(guān)注。Wakeman等[11]將預(yù)加熱后再模壓熱固化的工藝對(duì)三維編織碳纖維層合板進(jìn)行試驗(yàn)，分析了沖壓參數(shù)對(duì)成形效果的影響，其研究結(jié)果表明復(fù)合材料預(yù)熱溫度和初始固結(jié)程度是影響成形效果的兩個(gè)主要因素。Alcock等[12]針對(duì)高強(qiáng)度復(fù)合材料板進(jìn)行模壓熱固化成形，總結(jié)出溫度和壓力是成形的主要影響因素。Lee等[13]研究了壓邊力對(duì)復(fù)合材料模壓熱固化成形的影響，發(fā)現(xiàn)增加壓邊力有助于改善球形制件的不對(duì)稱纖維剪切變形情況以及預(yù)防褶皺。Yanagimoto等[14]采用雙金屬薄板作為保護(hù)層和加熱介質(zhì)，分別對(duì)已固化的CFRP板材進(jìn)行了室溫和373K溫度下的成形試驗(yàn)。研究表明，設(shè)置金屬薄板保護(hù)層，對(duì)已成形板料加熱處理，可以有效改善二次成形性能。Xie等[15]采用模壓熱固化成形工藝制備聚丙烯腈基碳纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料，通過(guò)試驗(yàn)揭示了不同工藝參數(shù)（沖壓溫度、沖壓壓力、保壓時(shí)間、冷卻速率）對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

在CFRP模壓熱固化成形過(guò)程中，隨著溫度的升高，基體樹脂會(huì)發(fā)生軟化，樹脂與纖維之間約束下降。在外力作用下纖維束間通過(guò)相互擠壓和面內(nèi)剪切變形來(lái)適應(yīng)曲面曲率變化，同時(shí)樹脂基體隨纖維布流動(dòng)并及時(shí)填補(bǔ)纖維變形引入的材料空隙，從而獲得一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)[16]。在成形過(guò)程中，壓力載荷和化學(xué)固化兩種作用同時(shí)存在，熱、力載荷和固化反應(yīng)之間產(chǎn)生強(qiáng)烈交互，纖維彎折、堆疊和擠壓與樹脂流動(dòng)之間不易協(xié)調(diào)，對(duì)零件樹脂基體的固化程度、各鋪層間界面的結(jié)合狀態(tài)產(chǎn)生巨大影響。特別是不合理的熱、力工藝設(shè)計(jì)會(huì)使基體固化程度降低，缺陷數(shù)量劇增，界面結(jié)合強(qiáng)度減弱，內(nèi)應(yīng)力增加，引起局部固化狀態(tài)惡化甚至開裂[17]。另一方面，鋪層順序和方向在層合板制備過(guò)程中也至關(guān)重要。由于不同角度鋪層的各向異性，鋪層順序?qū)雍习逯苽涑善返膹?qiáng)度、剛度和損傷形態(tài)都有較大的影響[18-19]。一些特殊的鋪層方式，如3D編織、縫合和Z-pin技術(shù)等[20]能有效提高層間性能。然而，由于設(shè)計(jì)復(fù)雜、工藝質(zhì)量難以把控、生產(chǎn)成本較高、耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)等原因，3D編織和Z-pin預(yù)成形等技術(shù)在應(yīng)用中存在一定局限性，目前實(shí)際成形中還難以采用。因此，CFRP的模壓熱固化過(guò)程相比于傳統(tǒng)金屬板材成形過(guò)程更為復(fù)雜，亟須進(jìn)一步研究，為工程應(yīng)用提供必要的指導(dǎo)。

本文針對(duì)單向碳纖維快速預(yù)浸料，搭建模壓熱固化工藝平臺(tái)，進(jìn)行了不同初始?jí)毫?、固化溫度及升溫方式等工藝條件下的模壓熱固化試驗(yàn)，在成形零件上切割出0°、45°和90°三個(gè)方向的試樣進(jìn)行單向拉伸和單向壓縮力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)合各向異性失效模型對(duì)CFRP的材料參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定，定量研究固化工藝參數(shù)對(duì)CFRP不同方向拉伸、壓縮及斷裂性能的影響規(guī)律，為工藝參數(shù)的優(yōu)化提供可靠的指導(dǎo)依據(jù)。

1模壓熱固化試驗(yàn)

1.1 CFRP層合板制備

試驗(yàn)選用T700單向碳纖維快速固化預(yù)浸料，樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%，在固化溫度成形時(shí)間為5～10min?？焖兕A(yù)浸料的優(yōu)勢(shì)在于能夠降低固化時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)保持良好的力學(xué)性能以及良好的操作性和貼合性。將單層預(yù)浸料裁成尺寸為180mm×180mm的方形，以相同的方向鋪疊20層，CFRP層合板模壓熱固化平臺(tái)如圖1所示，在上下模表面均勻涂抹脫模劑，將制備好的預(yù)浸料層合板放置在下模上，控制模具合模施加設(shè)定的初始?jí)毫?，用溫控箱控制筒形加熱器同時(shí)給上下模加熱，用壓力傳感器和7個(gè)不同位置的熱電偶分別測(cè)量固化過(guò)程中的壓力和溫度變化，將相應(yīng)數(shù)據(jù)記錄在電腦端。

1.2工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

模壓熱固化過(guò)程中，固化時(shí)間、溫度、壓力等工藝參數(shù)對(duì)碳纖維板的力學(xué)性能有重要影響[21]。為研究固化工藝參數(shù)對(duì)成形零件力學(xué)性能的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)6組固化試驗(yàn)，各組固化工藝參數(shù)的設(shè)置見表1，1～2#為直接升溫方式，從室溫直接加熱至設(shè)定固化溫度并保溫10min，3～6#為階梯式升溫方式，先從室溫加熱至90℃，保溫10min后繼續(xù)加熱至設(shè)定固化溫度并保溫10min，3#、5#、6#設(shè)置了不同的初始?jí)毫Α?/p>

圖2為固化過(guò)程中預(yù)設(shè)溫度以及7個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的實(shí)際測(cè)量溫度隨時(shí)間變化曲線，基本符合固化試驗(yàn)需要。圖3為各組固化過(guò)程中壓強(qiáng)隨溫度變化的曲線。從圖中可以看出，隨著模內(nèi)溫度從室溫開始升高，模內(nèi)壓強(qiáng)逐漸下降，在95℃左右達(dá)到最低點(diǎn)，隨著溫度繼續(xù)上升，壓強(qiáng)（壓力）開始逐漸上升，直到固化過(guò)程結(jié)束。結(jié)合固化試驗(yàn)中的觀察可以發(fā)現(xiàn)，在初始升溫階段，樹脂逐漸融化，并在壓力的作用下流動(dòng)溢出，釋放了一部分模內(nèi)壓力；在95℃左右樹脂開始發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)固化，之后由于層合板受熱膨脹，壓強(qiáng)隨著溫度的升高逐漸上升，在溫度穩(wěn)定后，壓力值也基本穩(wěn)定。

2各向異性力學(xué)性能測(cè)試

2.1單向拉伸測(cè)試

為研究碳纖維板不同方向的力學(xué)性能，將固化成形的碳纖維層合板沿0°、45°、90°三個(gè)方向用水刀裁切得到測(cè)試試樣，試樣尺寸如圖4所示，試樣厚度由實(shí)際工藝條件下的固化成形零件決定。使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單向拉伸測(cè)試，獲取各組碳纖維板不同方向的拉伸特性。通過(guò)數(shù)字圖像相關(guān)法（digital image correlation， DIC）計(jì)算測(cè)試過(guò)程中試樣的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

各組試樣不同方向的拉伸曲線如圖5所示。從拉伸曲線可以發(fā)現(xiàn)，不同角度的拉伸性能具有明顯差異。0°試樣的模量和強(qiáng)度主要取決于碳纖維，纖維為主要負(fù)載，呈脆性斷裂的特點(diǎn)；45°試樣的模量和強(qiáng)度受到樹脂基體的制約，延伸率大大降低，呈塑性斷裂的特點(diǎn)；90°試樣的模量和強(qiáng)度取決于樹脂基體，拉伸曲線呈脆性斷裂特性。

各組拉伸斷裂試樣圖6所示，每一組從左到右依次為0°試樣、45°試樣和90°試樣。可以看出，0°試樣拉伸失效模式主要是纖維的斷裂，同時(shí)局部有纖維從樹脂中剝離的現(xiàn)象。45°和90°試樣的拉伸失效模式主要是樹脂基體的破壞，各方向拉伸試樣的斷裂裂紋基本是沿著纖維方向進(jìn)行擴(kuò)展，這也表明樹脂基體的破壞是制約碳纖維板強(qiáng)度的重要因素。

圖7展示了不同升溫方式和初始?jí)毫l件下的拉伸強(qiáng)度對(duì)比。對(duì)于不同的方向，固化工藝參數(shù)對(duì)拉伸強(qiáng)度影響規(guī)律也有所區(qū)別。在0°方向上，對(duì)比1#與3#和2#與4#的拉伸強(qiáng)度可以看出，在相同初始?jí)毫l件下，相比于直接升溫方式，階梯式升溫更有利于減少樹脂在固化過(guò)程中的溢出量，從而提高纖維絲間的樹脂量，降低孔隙率，增加纖維間的約束作用，達(dá)到提高拉伸強(qiáng)度的作用。對(duì)比5#、3#和6#的拉伸強(qiáng)度可以得到一個(gè)簡(jiǎn)單的規(guī)律：在相同溫度條件下，隨著初始?jí)毫Φ奶岣撸鞆?qiáng)度隨之減小，原因同樣與樹脂量相關(guān)。過(guò)高的初始?jí)毫κ钩尚螐?fù)材減薄嚴(yán)重，樹脂的大量溢出直接影響了碳纖維之間的基體含量，造成碳纖維間空隙的增加，從而降低復(fù)材的拉伸強(qiáng)度。在45°和90°方向上，一般情況下較高的溫度、壓力和直接升溫方式等條件會(huì)導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度降低，同時(shí)初始?jí)毫^(guò)低也會(huì)導(dǎo)致垂直纖維方向上的拉伸強(qiáng)度降低。

2.2單向壓縮測(cè)試

單向壓縮測(cè)試參考ASTM-D6641標(biāo)準(zhǔn)[22]，壓縮測(cè)試過(guò)程中為防止試樣失穩(wěn)，設(shè)計(jì)制作了碳纖維板的壓縮測(cè)試夾具。夾具以及試樣尺寸參數(shù)如圖8所示。試樣被4個(gè)夾塊通過(guò)緊固螺栓夾緊，兩個(gè)限位導(dǎo)柱限制夾塊的運(yùn)動(dòng)方向，通過(guò)試驗(yàn)機(jī)的平板豎直方向擠壓帶動(dòng)夾塊進(jìn)行試樣的壓縮測(cè)試。試樣厚度由實(shí)際工藝條件下的固化成形零件決定。

使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單向壓縮測(cè)試，各組碳纖維板不同方向的壓縮曲線如圖9所示。從壓縮曲線發(fā)現(xiàn)，不同角度壓縮性能差異明顯，且壓縮測(cè)試的力隨位移變化關(guān)系同拉伸測(cè)試有較大的不同，這是由于0°試樣測(cè)試區(qū)在壓縮過(guò)程中出現(xiàn)彎折，而45°試樣測(cè)試區(qū)在壓縮時(shí)出現(xiàn)纖維的轉(zhuǎn)動(dòng)。0°試樣的壓縮曲線有多次的波動(dòng)，而45°、90°試樣的曲線較為平緩。與拉伸曲線不同，0°試樣的壓縮位移量減小到與45°、90°試樣相當(dāng)，甚至絕大多數(shù)情況，45°方向有更大的壓縮量。

各組壓縮斷裂試樣圖10所示，每一組從左到右依次為0°試樣、45°試樣和90°試樣?？梢园l(fā)現(xiàn)，0°試樣的壓縮斷裂存在兩種主要的失效模式，一種是沿著纖維方向撕裂，一種是發(fā)生纖維的扭折。45°、90°試樣的斷裂裂紋基本與纖維方向平行，其主要失效模式是樹脂基體的壓縮剪切破壞，斷裂裂紋基本是沿著纖維方向進(jìn)行擴(kuò)展；0°試樣的主要失效模式是纖維的扭折失效，如一部分試樣沿垂直纖維方向折斷（2#、3#、6#），另一部分發(fā)生沿纖維方向的開裂（1#、4#、5#），這是試樣發(fā)生樹脂剪切開裂的現(xiàn)象。

碳纖維板各方向試樣的壓縮斷裂強(qiáng)度見表3。圖11展示了不同升溫方式和初始?jí)毫l件下的壓縮強(qiáng)度對(duì)比。在0°方向上，對(duì)比1#與3#和2#與4#的壓縮強(qiáng)度可以看出，在相同的初始?jí)毫ο拢袒瘻囟葘?duì)碳纖維板的壓縮強(qiáng)度起到主要影響，壓縮斷裂強(qiáng)度隨固化溫度升高而提高，而升溫方式的影響不明顯。提高固化溫度有利于提高樹脂的固化度及纖維與樹脂的黏合度，從而提高軸向壓縮強(qiáng)度。對(duì)比5#、3#和6#的拉伸強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn)，在相同溫度條件下，隨著初始?jí)毫Φ奶岣?，壓縮強(qiáng)度也隨之提高，合理提高固化壓力有利于降低孔隙率，增加纖維間的約束作用，達(dá)到提高壓縮強(qiáng)度的作用。初始固化壓力對(duì)45°、90°試樣的壓縮強(qiáng)度影響較小。

3力學(xué)性能表征

3.1 CFRP失效模型

目前，用于判斷復(fù)合材料強(qiáng)度失效的準(zhǔn)則有很多，其中Pinho等[23-24]將復(fù)合材料的失效模式分為纖維拉伸失效、基體拉伸失效、基體壓縮失效和纖維扭結(jié)失效，Pinho準(zhǔn)則試驗(yàn)量適中，參數(shù)簡(jiǎn)潔，本文主要參考該準(zhǔn)則。如圖12所示，設(shè)a、b、c分別表示單向CFRP的軸向、橫向和厚向，？為斷裂面角度，σn為斷裂面上正應(yīng)力，τT為斷裂面上垂直纖維方向（垂向）的切應(yīng)力，τL為斷裂面上沿纖維方向（縱向）的切應(yīng)力。

3.2材料參數(shù)標(biāo)定

基于Pinho失效準(zhǔn)則，根據(jù)試驗(yàn)獲取材料參數(shù)，對(duì)碳纖維層合板的力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。圖14為測(cè)量的橫向壓縮斷裂界面角度，力學(xué)性能參數(shù)標(biāo)定結(jié)果見表4。

3.3工藝參數(shù)對(duì)性能影響分析

3.3.1對(duì)彈性性能的影響

從升溫方式角度來(lái)看，對(duì)比1#試樣和3#試樣，階梯式升溫方式使軸向彈性模量降低了0.3%，橫向彈性模量提高了1.3%，泊松比減小了8.5%。相似地，對(duì)比2#試樣和4#試樣，階梯式升溫方式使軸向彈性模量降低了2.0%，橫向彈性模量提高了1.3%，泊松比減小了0.7%。另外，直接升溫方式使樹脂具有更快的軟化速率，更多的樹脂在壓力作用下溢出，導(dǎo)致板厚減小?？梢园l(fā)現(xiàn)，通過(guò)階梯式的升溫方式，可以增加樹脂固化反應(yīng)時(shí)間，有效提高基體材料的彈性模量，其中橫向的彈性模量提升效果更為顯著。從固化溫度的角度來(lái)看，對(duì)比1#試樣和2#試樣，較高的固化溫度使得軸向彈性模量提高了3.1%，橫向彈性模量提高了7.2%，泊松比增加了9.3%。相似地，對(duì)比3#試樣和4#試樣，較高的固化溫度使得軸向彈性模量提高了1.4%，而橫向彈性模量提高了9.4%，泊松比增加了26.5%?？梢园l(fā)現(xiàn)，150℃相比于120℃更有利于使樹脂完全固化，基體材料的彈性性能有明顯的提高。

從初始?jí)毫Φ慕嵌葋?lái)看，對(duì)比5#試樣、3#試樣和6#試樣，隨著初始?jí)毫Φ纳?，軸向彈性模量分別增加了11.1%和4.7%，橫向彈性模量分別增加了0.4%和3.9%，泊松比分別增加了3.0%和39.3%。可以發(fā)現(xiàn)，增加初始?jí)毫τ欣谔岣叱尚螐?fù)材的彈性模量，但初始?jí)毫^(guò)大也會(huì)使樹脂大量溢出，減薄嚴(yán)重，影響零件的綜合性能。

3.3.2對(duì)斷裂強(qiáng)度的影響

從升溫方式角度來(lái)看，對(duì)于拉伸強(qiáng)度而言，對(duì)比1#試樣和3#試樣，階梯式升溫方式使軸向拉伸強(qiáng)度提高了35.1%，橫向拉伸強(qiáng)度提高了36.8%；對(duì)比2號(hào)試樣和4號(hào)試樣，階梯式升溫使軸向拉伸強(qiáng)度提高了60.5%，橫向拉伸強(qiáng)度提高了28.0%。可以發(fā)現(xiàn)，階梯式升溫方式不僅提高了樹脂基體的強(qiáng)度，而且有利于樹脂在反應(yīng)過(guò)程中與碳纖維之間的黏合，對(duì)成形復(fù)材拉伸強(qiáng)度具有顯著的提升作用。對(duì)于壓縮強(qiáng)度而言，3#試樣相比于1#試樣軸向壓縮強(qiáng)度降低了6.9%，橫向壓縮強(qiáng)度提高了17.4%；4#試樣相比于2#試樣軸向壓縮強(qiáng)度提高了0.7%，橫向壓縮強(qiáng)度降低了6.3%?？梢园l(fā)現(xiàn)，升溫方式對(duì)復(fù)材軸向壓縮強(qiáng)度的影響較小，對(duì)橫向壓縮強(qiáng)度的影響更為明顯，總體上有利于強(qiáng)度的提高。

從初始?jí)毫Φ慕嵌葋?lái)看，對(duì)比5#試樣、3#試樣和6#試樣，隨著初始?jí)毫Φ奶岣?，?fù)材軸向拉伸強(qiáng)度先降低8.2%，再降低3.5%；橫向拉伸強(qiáng)度先提高70.3%，再降低36.1%；軸向壓縮強(qiáng)度先提高6.7%，再提高15.6%；橫向壓縮強(qiáng)度先降低4.3%，再降低29.7%?？梢园l(fā)現(xiàn)，過(guò)低的初始?jí)毫?huì)導(dǎo)致過(guò)多的基體承載，造成橫向拉伸強(qiáng)度的降低，同時(shí)復(fù)合材料在承受軸向壓縮時(shí)更傾向于發(fā)生基體的剪切失效；相反，過(guò)高的初始?jí)毫κ钩尚螐?fù)材減薄嚴(yán)重，樹脂的大量溢出影響了碳纖維之間的基體含量，造成碳纖維間空隙的增加，從而降低復(fù)合材料的軸向拉伸強(qiáng)度。

以90°試樣拉伸和壓縮斷裂為例，破壞形式分別為基體拉伸失效和基體壓縮失效，根據(jù)失效準(zhǔn)則式（3）和式（8），在斷裂面上，當(dāng)τL= 0或τT= 0時(shí)，有關(guān)于正應(yīng)力與切應(yīng)力的失效包絡(luò)線如圖15所示。

從斷裂面失效包絡(luò)線可以發(fā)現(xiàn)，采用階梯式升溫方式時(shí)，基體的剪切系數(shù)提高，可承受的拉應(yīng)力也提高；隨著固化溫度提高，基體的剪切系數(shù)增強(qiáng)，可承受的拉應(yīng)力減?。浑S著初始?jí)毫Φ脑黾?，基體的剪切系數(shù)影響較小，基體可承受的剪切強(qiáng)度明顯下降，基體可承受的拉應(yīng)力先增加后減小。由此可以得出工藝條件對(duì)基體強(qiáng)度的影響規(guī)律：階梯式升溫方式可以整體提升基體強(qiáng)度，較高的固化溫度可以提高基體受壓時(shí)的強(qiáng)度，而過(guò)低或過(guò)高的初始?jí)毫Χ疾焕诨w強(qiáng)度。

4結(jié)論

本文搭建碳纖維預(yù)浸料模壓熱固化平臺(tái)，針對(duì)單向鋪疊的快速預(yù)浸料纖維布進(jìn)行不同工藝條件下的模壓熱固化成形試驗(yàn)。設(shè)計(jì)測(cè)試夾具，通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)碳纖維板進(jìn)行不同方向的力學(xué)性能測(cè)試，實(shí)現(xiàn)對(duì)碳纖維快速預(yù)浸料從制備到固化成形再到性能測(cè)試的全過(guò)程研究，得到如下結(jié)論。

（1）樹脂在固化過(guò)程中的流動(dòng)溢出量與升溫方式和初始?jí)毫γ芮邢嚓P(guān)。相比于直接升溫至固化溫度，階梯式升溫更有利于減少樹脂在固化過(guò)程中的溢出量，對(duì)提高板厚有促進(jìn)作用；初始?jí)毫?duì)樹脂溢出量具有更直接的影響，過(guò)高的初始?jí)毫?huì)使樹脂大量溢出，碳纖維間空隙增加，成形復(fù)合材料減薄嚴(yán)重，從而影響零件的綜合性能。

（2）固化工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料性能具有明顯的影響。階梯式升溫方式更有利于保證樹脂固化度，提高纖維樹脂間的結(jié)合強(qiáng)度，使拉伸強(qiáng)度得到明顯的提高，但對(duì)壓縮強(qiáng)度的影響較小，150℃比120℃更適合作為該牌號(hào)碳纖維快速預(yù)浸料的固化溫度。另一方面，隨著初始?jí)毫Φ奶嵘辶系膹椥阅Ａ亢洼S向壓縮強(qiáng)度均有所提高，但由于樹脂的大量溢出直接影響了碳纖維之間的基體含量，軸向拉伸強(qiáng)度有所下降。

（3）總結(jié)上述影響規(guī)律可以得到以下優(yōu)化機(jī)制：通過(guò)調(diào)整固化溫度、升溫方式、初始?jí)毫Φ裙に噮?shù)可以改變材料的厚度、樹脂固化度以及纖維-樹脂結(jié)合力，從而影響成形零件的綜合力學(xué)性能。該影響規(guī)律對(duì)優(yōu)化單向碳纖維快速預(yù)浸料模壓熱固化工藝，提高復(fù)合材料成形性能有重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]趙稼祥. 2008世界碳纖維前景會(huì)[J].高科技纖維與應(yīng)用， 2008（5）：1-6. Zhao Jiaxiang. Global outlook for carbon fiber[J]. Hi-Tech Fiber andApplication， 2018（5）： 1-6. （in Chinese）

[2]沈軍，謝懷勤.先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的研發(fā)與應(yīng)用[J].材料科學(xué)與工藝， 2008（5）： 737-740. Shen Jun， Xie Huaiqin. Development of research and application of the advanced composite materials in the aerospace engineering[J]. Materials Science and Technology， 2008（5）： 737-740. （in Chinese）

[3]程健男，徐福泉，張?bào)w磊.樹脂基復(fù)合材料在直升機(jī)的應(yīng)用及其制造技術(shù)[J].航空科學(xué)技術(shù)， 2021， 32（1）： 109-114. Cheng Jiannan， Xu Fuquan， Zhang Tilei. Application and manufacturing technology of composites in helicopter[J]. Aeronautical Science & Technology， 2021， 32（1）： 109-114. （in Chinese）

[4]田琳娜.碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料的成形工藝及力學(xué)性能研究[D].長(zhǎng)春：長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，2012. Tian Linna. Study on forming process and mechanical properties of carbon fiber reinforced thermoplastic resin based composite material[D]. Changchun： Changchun University of Technology， 2012. （in Chinese）

[5]張亞萍.石墨烯改性碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的制備與性能研究[D].上海：上海大學(xué)，2019. Zhang Yaping. The preparation and performance research on graphene modified carbon fiber/epoxy resin composites[D]. Shanghai： Shanghai University， 2019. （in Chinese）

[6]黃家康.復(fù)合材料成形技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011. Huang Jiakang. Composite material molding technology and application[M]. Beijing： Chemical Industry Press， 2011. （in Chinese）

[7]張璇，沈真.航空航天領(lǐng)域先進(jìn)復(fù)合材料制造技術(shù)進(jìn)展[J].紡織導(dǎo)報(bào)，2018（S1）：72-79. ZhangXuan，ShenZhen.Progressinmanufacturing technology of composite materials in the aerospace field[J]. China Textile Leader， 2018（S1）： 72-79. （in Chinese）

[8]胡曉睿.復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)成形降低飛行器制造成本[J].國(guó)防制造技術(shù)，2011（1）：32-34. Hu Xiaorui. Composite material integral structure forming reduces aircraft manufacturing cost[J]. Defense Manufacturing Technology， 2011（1）： 32-34. （in Chinese）

[9]朱苗，高麗紅，劉剛，等.民用飛機(jī)VARI碳纖維復(fù)合材料性能研究[J].航空科學(xué)技術(shù)， 2017， 28（10）： 35-39. Zhu Miao， Gao Lihong， Liu Gang， et al. Properties research of VARI carbon fiber composite for civil aircraft[J]. Aeronautical Science & Technology， 2017，28（10）： 35-39. （in Chinese）

[10]張衡.編織碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料疊層模型及熱沖壓工藝研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2017. Zhang Heng. Lamination model and thermoforming process investigation of carbon woven fabric reinforced thermoplastic composites[D]. Shanghai： Shanghai Jiao Tong University， 2017. （in Chinese）

[11]Wakeman M D，Zingraff L，Bourban P E，et al. Stamp forming of carbon fibre/PA12 composites：a comparison of a reactive impregnation process and a commingled yarn system[J]. Composites Science and Technology，2006，66（1）：19-35.

[12]Alcock B，Cabrera N O，Barkoula N M，et al. Direct forming of all- polypropylene composites products from fabrics made of co-extruded tapes[J]. Applied Composite Materials，2009，16（2）：117-134.

[13]Lee J S，Hong S J，Yu W R，et al. The effect of blank holder force on the stamp forming behavior of non-crimp fabric with a chain stitch[J]. Composites Science and Technology，2007，67（3）：357-366.

[14]Yangimoto J，Ikeuchi K. Sheet forming process of carbon fiber reinforced plastics for lightweight parts[J]. Cirp Annals Manufacturing Technology，2012，61（1）：247-250.

[15]Xie J，Wang S，Cui Z，et al. Process optimization for compression molding of carbon fiber reinforced thermosetting polymer[J]. Materials，2019，12（15）：2430.

[16]韓賓，王宏，于楊惠文，等.碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料盒形件熱沖壓成形研究[J].航空制造技術(shù)，2017，60（16）：40-45. Han Bin， Wang Hong， Yu Yanghuiwen， et al. Hot stamping of carbon fiber-reinforced thermoplastic composite boxes[J]. Aeronautical Manufacturing Technology， 2017，60（16）： 40-45.（in Chinese）

[17]曹景斌，王松，章強(qiáng).樹脂基復(fù)合材料濕熱壓縮性能研究[J].航空科學(xué)技術(shù)， 2020， 31（3）： 47-52. Cao Jingbin，Wang Song，Zhang Qiang. Research on resin composite hydrothermal compressive properties[J]. Aeronautical Science & Technology， 2020， 31（3）： 47-52. （in Chinese）

[18]Chen J Q，Takezono S，Nagata M，et al. Influence of stacking sequence on the damage growth in quasi-isotropic CFRP laminates[J]. Materials Science Research International，2001，7（3）：178-185.

[19]莊福建，陳普會(huì).纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)虛擬試驗(yàn)技術(shù)[J].航空科學(xué)技術(shù)， 2019， 30（10）： 1-15. Zhuang Fujian， Chen Puhui. Virtual testing of fiber reinforced composite laminated structures[J]. Aeronautical Science & Technology， 2019， 30（10）： 1-15. （in Chinese）

[20]鄭錫濤，羅貴，李宇徒.復(fù)合材料層間性能改善方法研究進(jìn)展[J].航空制造技術(shù)，2013，56（15）：26-29. Zheng Xitao， Luo Gui， Li Yutu. Review of methods on improving interlaminar properties of composites laminate[J]. Aeronautical Manufacturing Technology， 2013，56（15）： 26-29.（in Chinese）

[21]Guo C，He J，Su Y H. Thermo-stamping co-curing process for CFRP/steelhybridsheetsanditsinterfacestrength improvement[J]. Composite Structures，2020，241：112108.

[22]ASTM International. ASTM D6641/D6641M-16Standard test method for compressive properties of polymer matrix composite materials using a combined loading compression（clc）test fixture[S]. West Conshohocken，PA：ASTM International，2016.

[23]Pinho S T，Iannucci L，Robinson P. Physically-based failure models and criteria for laminated fiber-reinforced composites with emphasis on fiber kinking：Part I：Development[J]. Composites Part A：Applied Science and Manufacturing，2006，37（1）：63-73.

[24]Pinho S T，Iannucci L，Robinson P. Physically based failure models and criteria for laminated fiber-reinforced composites with emphasis on fiber kinking. Part II：FE implementation[J]. Composites Part A：Applied Science and Manufacturing，2006，37（5）：766-777.

Compression Molding and Curing Process of Unidirectional Carbon Fiber Composite and Its Effect on Mechanical Property

Guo Cong1，2，Chen Fulong3，Li Hong3，Su Youhuang1，2，He Ji1，2

1. State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China

2. Shanghai Key Laboratory of Digital Manufacture for Thin-walled Structures，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China

3. AVIC Manufacturing Technology Institute，Beijing 100024，China

Abstract： Carbon Fiber Reinforced Plastics （CFRP） has the advantages of low density， high specific strength， large specific modulus and good impact resistance. It is an ideal material for lightweight component. The fast curing process will significantly reduce the manufacturing cost of CFRP， and has become a hot research issue. In this paper， several CFRP laminates are fabricated by compression molding and curing process under different process parameters. The mechanical behavior of the laminates in different directions is tested by tensile and compression experiments， and the material parameters of CFRP are calibrated with an anisotropic failure model. The experimental results reveal the influence law of the process parameters on the forming behavior， which provides a certain basis for the establishment of the process window.

Key Words： CFRP； compression molding and curing process； anisotropic failure model； parameter calibration； process optimization

3066500338279