试述纤维增强树脂基复合材料制造技术研究进展

乔飞  李震

摘要：FRP（纤维增强树脂基复合材料）以自身优异的力学性能，备受现代结构工程领域欢迎，已经建筑领域、军工领域以及航空领域发展的关键性材料。随着制造技术的发展，FRP材料的应用更加广泛。文章围绕模压成型、拉挤成型以及增材制造等FRP材料制造技术，分析了制造技术的工艺流程与特点，并对FRP材料铸造技术的未来发展趋势进行了展望，旨在为相关人员在此方面的研究提供一定参考。

关键词：纤维增强树脂基；复合材料；制造技术

FRP材料主要采用纤维材料和基体材料根据特殊比例混合而制造成的高性能材料，具有质轻而硬，不导电，机械强度高，回收利用少，耐腐蚀等优势，在很多高技术领域都发挥了良好的作用。FRP材料为设计制造一体化成型，适合大面积整体制造，涉及大量的成型工艺，本文将以模压成型、热压罐成型与拉挤成型等成型工艺来分析FRP材料制造技术的研究进展。

1模压成型制造技术

模压成型（又称压制成型或压缩塑膜），先把FRP材料的预浸透料根据特定的形式放到满足成型温度的塑型模具中，然后加热模具中的材料，使其熔融，根据标准值下的额压力实现压制，最后将压制好的模型冷却脱模。模压成型工艺一般可以分为两类，一为固态类，属于干法成型；二为动态类，属于湿法成型。

关于模压成型工艺的研究，以FRP材料螺旋桨整体模压为例，这种模压成型工艺攻克了分体成型过程中遇到的装配误差与粘接强度不足的研究困境，在汽车衣帽架主体设计上体现出了良好的应用效果[1]。根据汽车衣帽架主体结构特性来设置，结合与汽车内饰件相适应的模压成型模工艺流程与操作方式实现轻量化设计，可以进一步保证模具整体所具有的强度以及刚度。

业界有研究人员利用FEM软件，模拟了模压成型中的长纤维增强预浸料的各项数值，预测了流动分析过程中预计要填充的时间以及纤维的整体分布趋势，分析了热残余应力与纤维去向所导致的变形程度，由此发现模拟的结果与试验结果高度吻合。后续的研究人员在此基础上利用FEA技术分析了运动机械的CFRP材料，为满足FRP产品的完整性设计给予了良好的支撑。

2拉挤成型制造技术

拉挤成型属于制造具有恒定横截面的废料的连续过程，需要牵引设备辅助完成的制造工艺。拉挤成型把浸透树脂的纤维放入固定模具中加热，使树脂通过固化的形式形成相关复合材料型。拉挤成型制造技术的系统化与连续性特征较强，高度类似金属挤出工艺，能够保证制造产品的长度不会受到限制，因此受到很多领域的欢迎[2]。但在拉挤成型工艺制造的产品中，固化环节产生的影响较大，要利用外热源对模具进行加热才能够达到热固性树脂发生固化反应所需要的高温，树脂在这种反应期间会释放出大量的热量，会严重的影响到FRP材料内部的非稳态温度场。所以，为了解决这一问题，需要规范拉挤成型的制造工艺流程，围绕固化环节展开分析和研究。

随着分析软件技术的更新与发展，模拟仿真技术的应用更加广泛，在拉挤成型研究领域实现了良好的应用效果。业界某些研究人员利用模拟仿真软件，数值化模拟了玻璃钢材料拉挤成型过程中的非稳态温度场与固化度之间存在的关系，构建了二者的力学模型。还有某些研究人员为了进一步促进产品尺寸精度的提升，强化拉挤成型工艺的应用效果，借助FDM分析法实现了仿真模拟，并在此基础上引入了单纯形算法和GA算法。这些方面的研究皆是为了优化拉挤成型工艺流程，并减少能耗，实现资源的合理利用。

3增材制造工艺

增材制造（又称AM技术或3D打印技术），主要利用离散与堆积的原理来实现，在当今社会的应用中比较广泛。AM技术在实际操作过程中，集合了数模技术、计算机辅助制造技术、数值分析技术，可以将FRP材料以逐点累积的形式构成统一的平面，然后把所有的平面构成一个整体框架，从而形成简单化的产品[3]。AM技术具有多样化功能，能够在汽车制造、航天制造以及军工制造等高技术领域中应用，并显示出良好的效果。在高科技发展的推动下，AM技术的功能更加高端，现今已经可以结合成型机理来科学合理地划分技术类别。当前增材制造的技术类别主要有四个方面，一为层实体制造技术；二为选择性激光烧结技术；三为立体光固化技术；四为熔融沉积成型技术。FRP材料制造技术所涉及的3D打印连续性路径的相关算法正是其中的关键，需要为此展开全面、深入的研究。

在实际制造过程中的应用中，为了使FRP材料与AM技术更好地融合，并全面发挥二者融合的技术优势与制造特点，必须做到取长补短，能够紧随时代发展的脚步，践行绿色、节能、可持续发展的理念，从而减少制造成本投入，强化制造工艺的应用效能。不仅如此，FRP材料与AM技术的有机融合也能够促进FRP产品的发展，使相关产品的设计流程更加简化、轻量，并全方位提升FRP材料的利用率，促进经济社会的发展，高质、高效地推动绿色节能技术的应用与发展。

4结论与展望

综上所述，纤维增强树脂基复合材料现已成为很多高技术领域的关键材料，FRP制造技术在其中发挥了重要作用。在FRP制造技术的未来发展趋势中，着重于FRP材料制造工艺朝着机械自动化、流程智能化与材料循环利用的方向发展。实现FRP材料模块化结构的设计与制造，能够最大程度减少FRP构件内与FRP构件间的连接，优化制造流程，提高生产质量与生产效率。大型FRP成型模具的开发能够提升其构件制造的精度，保证构件的质量，所以要着重研究大型FRP构件成型模具的制造技术，在FRP材料制造过程中，加强现代化计算机技术与模拟仿真技术的有机融合，通过模拟仿真技术来降低材料的损耗与能源的消耗，利用计算机技术构建数模，以此为制造工艺提供科学指导，这样就能够合理减少试验次数，有效减少研发时间，节省研发成本，促进FRP材料更好的研究和应用。

参考文献

[1]冯志远.纤维增强树脂基复合材料的应用分析[J].中国科技期刊数据库 工业A, 2023(4):4.

[2]高佳佳,楚珑晟,马天阳,等.纤维增强树脂基复合材料连接结构强度与失效分析[J].航空制造技术, 2020, 63(11):8.

[3]单忠德,范聪泽,孙启利,等.纤维增强树脂基复合材料增材制造技术与装备研究[J].中国机械工程, 2020, 31(02):221-226.