1. 引言
碳纤维复合材料因其优异的力学性能，在航空航天、汽车、体育器材等领域得到了广泛应用。在航空航天领域，其轻量化特性显著提升了飞行器的燃油效率与续航能力；在汽车行业中，有助于减轻车身重量，从而提高车辆的动力性能与节能效果；在体育器材方面，赋予产品更高的强度与韧性，满足专业运动的需求[1]。然而，这些应用场景对材料的力学性能提出了严格要求，而力学性能又深受成型工艺的影响。因此，深入研究碳纤维复合材料成型工艺对力学性能的调控机制，对于优化材料性能、满足多样化应用需求具有重要意义[4]。
2. 碳纤维复合材料常见成型工艺
2.1 手糊成型工艺
手糊成型工艺是一种传统的复合材料制造方法，其原理在于手工将纤维增强材料与树脂交替铺放在模具表面，随后通过固化过程形成最终产品[3]。该工艺的操作流程相对简单，无需复杂的设备投入，因此成本较低。然而，由于整个过程依赖于人工操作，其生产效率受到显著限制，且产品质量的稳定性难以保证[5]。这种工艺特别适用于小批量生产以及形状复杂、难以用机械化方法成型的制品，例如某些航空航天部件或高端体育器材。尽管手糊成型工艺在特定领域仍具有不可替代的优势，但其固有的局限性促使研究者不断探索更为高效的替代方案。
2.2 真空袋压成型工艺
真空袋压成型工艺通过在铺好纤维增强材料和树脂的模具上覆盖真空袋，并抽取真空以排出空气，从而使材料紧密贴合并完成固化[7]。这一工艺能够有效减少材料内部的孔隙率，显著提高产品的质量均一性和力学性能[13]。然而，相较于手糊成型，真空袋压成型需要额外的设备和操作复杂性，包括真空泵、密封材料等，这在一定程度上增加了生产成本。尽管如此，该工艺因其较高的产品一致性和适中的生产规模，被广泛应用于中等规模的复合材料制造领域，如汽车零部件和风力发电叶片的生产。
2.3 热压罐成型工艺
热压罐成型工艺是将铺好材料的模具放入热压罐中，通过同时施加温度和压力使材料固化的一种高效成型方法[4]。该工艺能够生产出具有优异力学性能的高质量产品，尤其适用于对性能要求极高的应用场景，如航空航天结构件[9]。然而，热压罐设备的购置和维护成本较高，且能耗较大，这在一定程度上限制了其在大规模生产中的应用。此外，热压罐成型工艺对工艺参数的控制要求极为严格，包括温度、压力和时间等，任何细微的偏差都可能对最终产品的性能产生显著影响。因此，该工艺主要应用于高性能需求领域，而在成本敏感型市场中则相对较少采用。
2.4 树脂传递模塑成型工艺
树脂传递模塑成型工艺（RTM）是一种将树脂注入闭合模具中的纤维增强材料预成型体中，并通过固化形成最终产品的先进制造技术[3]。该工艺以其高生产效率和精确的尺寸控制能力而著称，特别适合于大批量生产[13]。然而，RTM工艺对模具和注射设备的要求较高，尤其是在复杂构件的制造中，模具设计和制造的难度显著增加。此外，树脂的流动性和固化特性对工艺参数的选择至关重要，不当的工艺设计可能导致产品内部缺陷，从而影响力学性能。尽管如此，RTM工艺在汽车、轨道交通等领域的应用日益广泛，充分体现了其在现代工业中的重要地位。
3. 成型工艺对力学性能的影响机制
3.1 温度的影响
成型温度在碳纤维复合材料的制备过程中扮演着至关重要的角色，其通过影响纤维与树脂之间的化学反应及分子链运动，显著改变材料的力学性能。在高温条件下，树脂基体的分子链运动加剧，促进了固化反应的进行，从而提高材料的交联密度和力学性能。例如，参考文献[7]指出，在较高的固化温度（125℃保温2 h）下，CCF300/BA9913复合材料的力学性能和耐湿热性能更加优异。这表明适当的升温能够增强树脂对纤维的浸润性，减少界面缺陷，进而提升材料的拉伸强度和弯曲强度。然而，过高的温度可能导致树脂分解或降解，降低材料的长期稳定性。此外，温度还影响树脂的黏度，较低的温度可能导致树脂流动性不足，无法充分浸渍纤维，从而形成孔隙率较高的复合材料[2]。因此，合理控制成型温度是优化碳纤维复合材料力学性能的关键因素之一。
3.2 压力的影响
成型压力对碳纤维复合材料的孔隙率和纤维取向具有显著作用，从而影响其力学性能。研究表明，适度的成型压力可以有效降低材料内部的孔隙率，并改善纤维的排列均匀性，从而提高材料的冲击韧性和层间剪切强度。例如，参考文献[6]通过分析EP/CF SMC模压制品的力学性能，发现合模速度和模压压力对材料的弯曲强度和拉伸强度有重要影响。具体而言，较高的成型压力有助于减少树脂基体中的微裂纹萌生点，避免局部应力集中，从而提升材料的整体承载能力[7]。然而，过高的压力可能导致纤维损伤或褶皱，反而降低材料的力学性能。此外，成型压力对纤维取向的影响也不容忽视，尤其是在层间剪切性能方面，纤维的均匀分布能够显著提高材料的抗剪能力[12]。因此，合理调节成型压力是调控碳纤维复合材料力学性能的重要手段。
3.3 时间的影响
成型时间通过影响固化程度和界面结合质量，对碳纤维复合材料的疲劳性能和长期稳定性产生深远影响。在复合材料制备过程中，充分的固化时间是确保树脂基体完全交联的关键因素。研究表明，固化时间不足会导致树脂基体未能完全固化，从而降低材料的力学性能，如拉伸强度和弯曲强度[5]。相反，过长的固化时间可能引起树脂老化或过度交联，导致材料脆性增加，影响其疲劳性能。此外，成型时间还影响纤维与树脂之间的界面结合强度。参考文献[9]指出，适当的成型时间能够促进树脂对纤维的充分浸润，形成良好的界面粘结，从而提高材料的层间剪切强度和长期稳定性。然而，若成型时间过长，可能导致界面处出现微观缺陷，削弱界面粘结效果[2]。因此，精确控制成型时间是优化碳纤维复合材料力学性能的重要环节。
4. 不同成型工艺力学性能对比
4.1 拉伸强度对比
碳纤维复合材料的拉伸强度是评价其力学性能的重要指标之一，不同成型工艺对其拉伸强度的影响显著。研究表明，高压-树脂传递模塑成型工艺所制备的碳纤维/环氧树脂复合材料单向板展现出较高的拉伸强度，这主要归因于该工艺中树脂分布均匀且纤维排列一致性较好[3]。然而，与湿法压膜成型工艺相比，尽管高压-树脂传递模塑成型工艺在拉伸强度上表现更优，但其纤维与树脂结合界面效果并未显现出显著优势。此外，VARTM成型工艺通过优化铺层方式和纤维含量，能够进一步提升复合材料的拉伸性能。例如，Ary等通过设计不同的混杂铺层方式，发现合适的铺层可以显著提高层合板的拉伸强度和模量[13]。因此，成型工艺的选择不仅影响树脂基体的浸润质量，还通过改变纤维排列和界面结合状态调控材料的拉伸强度。
从实验数据来看，针刺密度和针刺深度对三维针刺工艺制备的碳纤维复合材料拉伸性能具有显著影响。程海霞等的研究表明，随着针刺密度和针刺深度的增加，材料的拉伸性能呈下降趋势，这是因为针刺过程可能引入微缺陷，导致应力集中现象的发生[12]。相比之下，真空成型工艺通过控制固化温度和保温平台，能够有效降低孔隙率并提高拉伸强度。例如，在较高固化温度（125℃保温2 h）条件下，CCF300/BA9913复合材料的拉伸性能得到显著提升，这与其内部孔隙率降低密切相关[7]。综上所述，不同成型工艺对拉伸强度的影响机制主要包括树脂浸润质量、纤维排列一致性以及孔隙率等因素。
4.2 弯曲强度对比
弯曲强度是衡量碳纤维复合材料机械性能的另一个关键参数，其大小直接反映了材料承受复杂载荷的能力。研究表明，成型工艺参数对弯曲强度的影响主要体现在纤维与树脂基体的界面结合质量以及材料内部的孔隙率上。例如，环氧树脂/碳纤维复合材料（EP/CF）的弯曲强度受到合模速度、模压温度和模压压力等工艺参数的显著影响。根据正交实验结果，合模速度对弯曲强度的影响最为显著，其次为模压压力和模压温度，而保压时间的影响相对较小[6]。这一现象表明，快速合模有助于减少树脂流动过程中的不均匀性，从而提高材料的整体弯曲性能。
VARTM成型工艺在改善弯曲性能方面也表现出独特优势。Alok等通过在碳纤维表面涂覆石墨烯纳米血小板（GNPs），发现随着GNPs含量的增加，层合板的弯曲强度显著提高[13]。这一结果说明，表面改性技术能够有效增强纤维与树脂之间的界面结合强度，进而提升材料的弯曲性能。此外，针刺工艺参数对弯曲性能的影响也不容忽视。程海霞等的研究表明，针刺深度对弯曲性能的影响大于针刺密度，当针刺密度为25刺/cm²且针刺深度为13 mm时，复合材料表现出最优的弯曲性能，其弯曲强度达到493 MPa[12]。由此可见，合理控制成型工艺参数对于提高弯曲强度至关重要。
4.3 冲击韧性对比
冲击韧性是衡量碳纤维复合材料抗冲击性能的重要指标，其大小与材料的微观结构、孔隙率以及界面结合强度密切相关。研究表明，不同成型工艺对冲击韧性的影响机制存在显著差异。例如，真空成型工艺通过控制固化温度和保温平台，能够有效降低孔隙率并提高冲击韧性。王孟等的研究表明，当成型温度为360℃时，CF/PPEK复合材料的缺陷最少，其层间剪切强度和冲击韧性分别达到64 MPa和136 MPa，这与其内部孔隙率降低和界面结合强度增强密切相关[9]。因此，优化固化温度对于提高冲击韧性具有重要意义。
此外，针刺工艺参数对冲击韧性的影响也不容忽视。程海霞等的研究表明，针刺深度对冲击韧性的影响大于针刺密度，当针刺密度为25刺/cm²且针刺深度为13 mm时，复合材料表现出最优的冲击韧性，其层间剪切强度达到30 MPa[12]。这一现象说明，合理控制针刺工艺参数能够有效减少微缺陷的生成，从而提高材料的抗冲击性能。与此同时，VARTM成型工艺通过优化铺层方式和纤维含量，也能够显著改善复合材料的冲击韧性。例如，Ary等通过设计不同的混杂铺层方式，发现合适的铺层可以显著提高层合板的冲击韧性[13]。综上所述，成型工艺对冲击韧性的影响机制主要包括孔隙率、界面结合强度以及纤维排列方式等因素。
5. 成型工艺实际应用问题与优化
5.1 成本问题与优化
碳纤维复合材料成型工艺的成本构成主要包括原材料、设备投资、能耗以及人工费用等方面。例如，手糊成型工艺虽然设备投资较低，但其生产效率低下且产品质量不稳定，导致单位产品的劳动力成本较高；而热压罐成型工艺尽管能够生产高性能产品，但其高昂的设备购置费用和运行能耗显著增加了整体成本[4]。在保证力学性能的前提下，降低成本的策略可以从多个方面入手。首先，通过优化原材料选择，如使用性价比更高的树脂体系或改进纤维表面处理工艺以减少对高端材料的需求，可以有效控制材料成本。其次，改进工艺流程也是关键措施之一。例如，在VARTM成型工艺中，合理设计模具结构和注胶路径可缩短生产周期并减少树脂浪费，从而降低单位产品的制造成本[10]。此外，规模化生产也有助于摊薄固定成本，特别是在树脂传递模塑成型工艺中，通过提高自动化水平和批量生产能力，可以进一步压缩单件产品的成本。
5.2 效率问题与优化
提高成型工艺的生产效率是满足大规模市场需求的重要前提。当前，碳纤维复合材料的成型工艺普遍存在生产周期长、工序复杂等问题，这些问题在很大程度上限制了其应用范围。例如，手糊成型工艺由于依赖手工操作，其生产效率极低，难以适应现代化工业的快速节奏[5]。相比之下，自动化设备的引入为提升生产效率提供了新的解决方案。在真空袋压成型和热压罐成型工艺中，采用数控系统精确控制温度、压力和时间参数，不仅可以加快固化过程，还能确保产品质量的一致性[13]。同时，优化生产布局也是提高效率的有效手段。例如，通过合理安排原材料存储、模具准备和产品后处理等环节的空间位置，可以最大限度地减少物料搬运时间，从而缩短整体生产周期。值得注意的是，在追求高效生产的同时，必须兼顾力学性能的稳定性。研究表明，过快的固化速度可能导致材料内部应力集中，进而影响其拉伸强度和冲击韧性等关键指标[5]。因此，在实际生产中，应结合具体工艺特点，制定科学合理的生产计划，以实现效率与性能之间的平衡。
5.3 环保问题与优化
碳纤维复合材料成型工艺中的环保问题主要体现在废气、废液排放以及能源消耗等方面。例如，在预氧化和碳化过程中，会释放出大量的CO、CO₂、H₂O和NH₃等有害气体，这些物质不仅污染环境，还可能对人体健康造成危害[8]。此外，某些成型工艺中使用的有机溶剂和化学试剂，若未经妥善处理直接排放，将对水体和土壤造成严重污染。为了在保证力学性能的同时减少环境污染，研究人员提出了多种环保材料和工艺的改进方案。例如，采用水性环氧树脂替代传统的有机溶剂型树脂，不仅可以显著降低挥发性有机化合物（VOC）的排放量，还能改善材料的界面结合性能[11]。另外，高能辐照技术作为一种绿色改性方法，通过在纤维表面引入含氧官能团，增强了其与树脂基体的粘结强度，同时避免了传统化学处理过程中产生的废液问题[8]。在能源消耗方面，开发低温固化树脂体系和节能型成型设备也是未来的重要研究方向。这些措施不仅有助于缓解环境压力，还能为企业带来良好的社会效益和经济效益。
6. 研究展望
6.1 新型成型工艺开发
随着碳纤维复合材料应用领域的不断拓展，传统成型工艺在某些场景下的局限性逐渐显现。因此，开发新型成型工艺成为研究热点之一。例如，3D打印技术在碳纤维复合材料成型中的应用正受到广泛关注。3D打印技术能够实现复杂结构的快速制造，为个性化定制和小批量生产提供了新的可能性[14]。然而，该技术在碳纤维复合材料领域的应用仍面临诸多挑战，如材料兼容性、打印精度和界面结合等问题。尽管如此，其潜在优势不容忽视，包括减少材料浪费、缩短生产周期以及提高设计灵活性。未来研究应重点关注如何优化打印参数以改善材料内部结构均匀性和力学性能稳定性，从而推动3D打印技术在碳纤维复合材料领域的实际应用。
6.2 多尺度模拟技术发展
多尺度模拟技术作为一种跨学科研究方法，在揭示碳纤维复合材料成型工艺与力学性能关系方面展现出巨大潜力。通过结合分子动力学、细观力学和宏观力学等多尺度模型，可以全面预测材料在不同工艺条件下的性能表现[14]。这种技术不仅能够深入理解成型过程中微观结构演化的机制，还能够为工艺优化提供理论指导。例如，利用多尺度模拟可以精确预测纤维与树脂界面反应对材料力学性能的影响，从而帮助设计更合理的制备工艺参数。此外，多尺度模拟技术还可以显著降低实验成本和时间消耗，加速新材料的研发进程。然而，当前多尺度模拟技术在实际应用中仍存在一些瓶颈，如模型复杂性、计算资源需求高等问题。未来的研究应致力于开发更高效的算法和更精确的模型，以进一步提升多尺度模拟技术的实用性和可靠性。
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作者简介：汪伟华（1978—），男，汉族，江苏丹阳人，本科研究方向为技术检验。
