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纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料是以連續(xù)纖維為增強(qiáng)材料、樹脂為基體的復(fù)合材料總稱，其具有比強(qiáng)度較高、比模量較高、質(zhì)量較輕、抗疲勞性較好、膨脹率較小及減振性較好等優(yōu)異的綜合性能。隨著纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制備技術(shù)的快速發(fā)展及成本的逐漸降低，纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料在汽車部件領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。例如，采用樹脂基碳纖維復(fù)合材料制備電動(dòng)汽車BMWi3車身，整車質(zhì)量可以降低至1224 kg。采用碳纖維及玻璃纖維2種增強(qiáng)材料與環(huán)氧樹脂基體材料生產(chǎn)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩的質(zhì)量減輕了51.2%。隨著新技術(shù)、新材料在汽車輕量化中的應(yīng)用，將具有較好力學(xué)性能的纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料與塑料組合應(yīng)用于復(fù)雜承載功能件的成型是未來的發(fā)展趨勢(shì)。連續(xù)纖維增強(qiáng)的樹脂基熱壓件與注塑件組合為常用方法，即采用連續(xù)纖維板材熱壓成型骨架承載結(jié)構(gòu)，注塑成型如高筋等增強(qiáng)結(jié)構(gòu)、凸臺(tái)等定位結(jié)構(gòu)、卡槽等裝配功能結(jié)構(gòu)，能充分發(fā)揮材料的性能優(yōu)勢(shì)。目前，連續(xù)纖維增強(qiáng)的樹脂基熱壓件及注塑件組合可采用三步成型法及兩步成型法。其中，三步成型法是以“熱壓+注塑+膠粘”的方式，存在工序復(fù)雜、精度較差的缺陷，已經(jīng)逐漸被淘汰; 兩步成型法是通過熱壓模具把連續(xù)纖維板預(yù)壓成型，再作為嵌件(insert)放入注塑模具(注射機(jī))中注塑成型，該成型方法是目前連續(xù)纖維增強(qiáng)的樹脂基骨架及注塑部分組合應(yīng)用的主要方法，節(jié)省了膠粘工序，但是，需要2套模具，因此，加工成本較高，成型周期較長。

德國Krauss-Maffei基于兩步成型技術(shù)，提出Fiber Form技術(shù)，即熱壓-注塑一體成型(HPIM)技術(shù)概念，是在一副模具上完成復(fù)合板材的熱壓及功能結(jié)構(gòu)的注塑成型。熱壓-注塑一體成型技術(shù)可以有效地簡化生產(chǎn)步驟，縮短生產(chǎn)周期; 在提高制品剛度的同時(shí)，保證了較好的功能性及可組裝性。因此，熱壓-注塑一體成型技術(shù)具有較好的應(yīng)用前景。

熱壓-注塑一體成型技術(shù)作為復(fù)合材料的新興成型工藝，生產(chǎn)的制品具備承載能力強(qiáng)、成型周期短、適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)、自動(dòng)化程度高等特征,已在汽車生產(chǎn)制造方面得到了廣泛的應(yīng)用。德國生產(chǎn)的汽車變速箱殼體應(yīng)用連續(xù)編織碳纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料，采用熱壓及注塑組合技術(shù),將熱壓模具與注塑模具集成在一臺(tái)注塑機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了熱壓工藝及注塑工藝的一體化，提高了設(shè)備的利用率，但是，實(shí)質(zhì)仍然是基于嵌件的Insert Molding模式，并且，制造的產(chǎn)品較簡單，為熱壓-注塑一體成型工藝的可制造性提供了技術(shù)支持。

熱壓-注塑一體成型技術(shù)能實(shí)現(xiàn)工件的一次成型，僅需要先將有熱塑性樹脂基體的纖維增強(qiáng)半成品加熱，再置于相應(yīng)的模具中進(jìn)行成型。模具特征在型芯上設(shè)置了用于形成加強(qiáng)筋、螺紋柱及裝配卡扣的凹腔。一體成型生產(chǎn)制造了汽車零部件，其樣品零件如圖1所示。利用熱塑性樹脂實(shí)現(xiàn)功能性結(jié)構(gòu)包覆，幾何復(fù)雜的部件包含多個(gè)增強(qiáng)筋及功能元件，為具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的汽車零件賦予了較好的功能性及加固效果，工藝特性可以更精準(zhǔn)地控制零部件成型，從而更好地發(fā)揮輕量化結(jié)構(gòu)潛力。將注塑設(shè)備應(yīng)用在同一副模具中，將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板材熱壓成型與功能結(jié)構(gòu)注塑成型相結(jié)合，不僅能提高生產(chǎn)效率，還可以使熱壓-注塑一體成型工藝更加節(jié)能環(huán)保。隨著該技術(shù)在汽車零部件領(lǐng)域逐漸得到研究人員的重視，該領(lǐng)域的研究工作也得到逐漸推進(jìn)及深化。

1-熱塑性樹脂功能結(jié)構(gòu)包覆 2-纖維增強(qiáng)復(fù)合材料成型主體

圖1一體成型樣品零件圖

2.1熱壓-注塑一體成型工藝流程

熱壓-注塑一體成型工藝為在一副模具上同時(shí)完成復(fù)合片材的熱壓成型及其功能結(jié)構(gòu)的注塑成型。其主要工藝流程如圖2所示。首先需要對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料片材進(jìn)行加熱預(yù)處理; 然后，利用高速運(yùn)作的多軸機(jī)械臂將柔軟狀態(tài)的復(fù)合片材在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)放入模具中，避免柔軟狀態(tài)的片材發(fā)生堆疊及起皺;復(fù)合片材是在注塑機(jī)合模力的作用下完成熱壓成型的同時(shí)，熔融狀態(tài)的熱塑性樹脂被注射到骨架要求的部位，完成筋、凸臺(tái)及塑料與復(fù)合板的交疊與包覆。冷卻系統(tǒng)冷卻后，得到一體成型的復(fù)合材料制品。該工藝既能發(fā)揮纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的較好特性，又能保證制品主承力部件的剛度及強(qiáng)度，還能利用注塑成型的優(yōu)勢(shì)，快速制造出具有復(fù)雜幾何形狀的制品。一體成型取代原熱壓及注塑2個(gè)步驟，縮短了生產(chǎn)周期。

(a)取復(fù)材板 (b)加熱 (c)放入模具 (d)完成熱壓及注塑 (e)取出復(fù)合件

圖2熱壓-注塑一體成型工藝流程圖

2.2 復(fù)合構(gòu)件熱壓-注塑一體成型關(guān)鍵技術(shù)

熱壓-注塑一體成型工藝的關(guān)鍵技術(shù)主要由2部分組成，分別為利用熱壓成型工藝制造纖維增強(qiáng)骨架及塑料的注塑包覆成型。這2項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)組合使熱壓-注塑一體成型技術(shù)能夠在復(fù)合工藝中實(shí)現(xiàn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料骨架成型及塑料的包覆成型，充分利用纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的高強(qiáng)度及塑料成型的靈活性，進(jìn)行復(fù)雜承載功能件成型，同時(shí)保證了纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料與塑料之間具有較好的界面粘接性能。

2.2.1 熱壓成型

熱壓成型是一種重要的制造纖維增強(qiáng)復(fù)合材料骨架的方法。該方法是在模壓成形及沖壓成形工藝基礎(chǔ)上開發(fā)的一種熱塑性復(fù)合材料快速成型工藝。熱壓成型工藝流程如圖3所示，當(dāng)加熱溫度大于成型溫度時(shí)，將復(fù)合板轉(zhuǎn)移至成型模具中，增加壓力，使其貼合模具型腔，冷卻得到最終的骨架。該成型方法可以制造出高強(qiáng)度、高剛度、低密度且具有較好的耐腐蝕性能的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料骨架，廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車及體育器材等領(lǐng)域。

(a)復(fù)合板預(yù)熱 (b)放入模具 (c)熱壓 (d)冷卻成型

圖3熱壓成型工藝流程

2.2.2 注塑包覆成型

熱壓成形工藝能將預(yù)制復(fù)合板成型為所需骨架，但是，該方法僅限于制造具有簡單曲面形狀、壁厚均勻的板殼類零件，難以滿足零件復(fù)雜化及功能化的成型要求。而利用注塑包覆成型(IOM)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件的一體化成型。例如，高強(qiáng)筋等加強(qiáng)結(jié)構(gòu)、凸臺(tái)等定位結(jié)構(gòu)、卡槽等裝配功能結(jié)構(gòu)，能夠充分發(fā)揮材料的性能優(yōu)勢(shì)。將熱塑性復(fù)合制件嵌入注塑模腔中，然后，在其表面注塑成型聚合物或短纖增強(qiáng)聚合物附件，冷卻固化形成多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，得到的制品如圖4所示。

(a)注塑過程 (b)復(fù)合構(gòu)件制品

1-模具 2-纖維增強(qiáng)復(fù)合材料嵌件 3-注射結(jié)構(gòu)4-注塑機(jī) 5-定位孔 6-加強(qiáng)筋7-裝配結(jié)構(gòu) 8-FRP骨架

圖4注塑包覆成型工藝及其制品

3.1 復(fù)合構(gòu)件搭接區(qū)域界面粘接強(qiáng)度

熱壓-注塑一體成型工藝將熱壓與注塑包覆相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)纖維增強(qiáng)的樹脂基熱壓部分與注塑結(jié)構(gòu)的緊密組合，熱壓-注塑復(fù)合制品搭接區(qū)域的界面粘接強(qiáng)度是影響制品質(zhì)量的關(guān)鍵，其直接反映了連續(xù)纖維增強(qiáng)的樹脂基熱壓件與注塑件之間的結(jié)合情況，影響整個(gè)復(fù)合件的綜合性能。因此，需要選取與纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料相適配的塑料及成型工藝參數(shù)，從而保證制品在一定溫度及壓力下能達(dá)到預(yù)期的強(qiáng)度及穩(wěn)定性。

3.1.1復(fù)合構(gòu)件搭接區(qū)域界面粘接強(qiáng)度的表征

界面粘接性能的表征是表面科學(xué)與工程領(lǐng)域的重要組成部分，也是研判及預(yù)防界面失效的基本依據(jù)。復(fù)合構(gòu)件搭接區(qū)域的界面粘接強(qiáng)度的表征可以采用宏觀測(cè)試方法及微觀測(cè)試方法。

宏觀測(cè)試方法主要包括三點(diǎn)短梁彎曲、剝離試驗(yàn)、偏軸拉伸、導(dǎo)槽剪切、losipescu剪切及諾爾環(huán)(NOL)等實(shí)驗(yàn)方法,其中，三點(diǎn)短梁彎曲是反映界面粘接強(qiáng)度最常用的宏觀測(cè)試方法。在微觀測(cè)試方法主要包括超薄切片法、聚焦離子束、差示掃描量熱法(DSC)、掃描電子顯微鏡及工業(yè)CT掃描等方法。采用超薄切片法或聚焦離子束法得到粘接界面層，采用偏光顯微鏡分析晶片厚度與球晶尺寸，利用DSC研究結(jié)晶度與結(jié)晶速度，系統(tǒng)研究熱壓后注塑過程中非等溫結(jié)晶行為對(duì)混合界面粘接性能的影響;通過高分辨掃描電鏡表征粘接失效表面失效形式，探究樹脂在非對(duì)稱界面互熔滲透與粘接強(qiáng)度的關(guān)系;采用工業(yè)CT掃描表征纖維在熱壓-注塑界面處的滲透、分布情況，研究界面處纖維密度、纖維缺陷(褶皺、富集)等微觀結(jié)構(gòu)對(duì)界面性能的影響。

綜上所述，通過研究兩步成型法制備的復(fù)合膜的界面粘接強(qiáng)度，分析不同的工藝參數(shù)及處理?xiàng)l件對(duì)界面性能的影響。為熱壓-注塑一體成型優(yōu)化工藝參數(shù)、改進(jìn)材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而制備出高界面粘接強(qiáng)度的復(fù)合制品提供了參考。

3.2 熱壓-注塑一體成型關(guān)鍵技術(shù)

熱壓-注塑一體成型工藝中的關(guān)鍵步驟是將加熱后的薄壁、柔軟態(tài)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板材由機(jī)器人夾持裝置放入模具中。薄壁復(fù)合板材由于熱容量較低，其在加熱后迅速冷卻。當(dāng)復(fù)合板材的溫度低于熔融溫度時(shí)，熱塑性塑料再結(jié)晶，使其凝固，快速的、不均勻的溫度變化導(dǎo)致界面區(qū)域的熱應(yīng)力及熱膨脹力不均勻，從而影響界面粘接強(qiáng)度，降低復(fù)合材料的成型性能。因此，將加熱后的柔軟態(tài)的薄壁復(fù)合板材快速、準(zhǔn)確地與模具內(nèi)的板材夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳遞與定位，是決定熱壓-注塑一體成型制品質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.2.1 熱態(tài)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板材的夾持機(jī)構(gòu)

結(jié)合熱態(tài)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板材與模具內(nèi)的板材夾持機(jī)構(gòu)傳遞問題，Reinhart等介紹了一種與真空技術(shù)結(jié)合使用的桶形夾持器，該裝置通過低真空抽吸技術(shù)，在不破壞纖維增強(qiáng)復(fù)合材

料板材結(jié)構(gòu)的情況下傳遞較大的力。該夾持器不僅能提供較好的形狀穩(wěn)定性，還能有效地防止夾持過程中纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板材發(fā)生折疊、起皺，但是，其溫度絕緣性能較差，因此，當(dāng)其與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板材直接接觸時(shí)，夾持區(qū)域快速冷卻，影響了界面粘接強(qiáng)度。

由圖5可知，Bruns等開發(fā)了可加熱的抓針器，該抓針器是由12個(gè)可加熱的夾針組成的機(jī)械人夾針器，為加熱后的有機(jī)板材提供了較好的形狀穩(wěn)定性及溫度絕緣性。在大尺寸有機(jī)板材的邊緣布置了8個(gè)夾針器，中間位置布置了4個(gè)夾針器，從而保持有機(jī)板材的初始形狀。Bruns等模擬預(yù)測(cè)了夾針器與有機(jī)板材之間的熱傳遞，采用接近熱塑性塑料熔化溫度的夾持器能減少溫度下降，從而降低界面區(qū)域的應(yīng)力集中，改善界面粘接強(qiáng)度，有利于提高復(fù)合材料成型的質(zhì)量及性能。

圖5帶加熱的機(jī)器人夾持器與有機(jī)板材

1-機(jī)器人夾持器 2-有機(jī)板材 3-12個(gè)針夾4-針塊 5-動(dòng)模出油口 6-絕緣塊 7-機(jī)器

3.2.2 模具中的接料、定位機(jī)構(gòu)

由于熱壓注塑一體成型是利用注塑機(jī)的合模力實(shí)現(xiàn)纖維片材的熱壓成型，當(dāng)熱態(tài)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料片材在夾持送進(jìn)時(shí)，模具必須設(shè)置接料、定位機(jī)構(gòu)。結(jié)合熱態(tài)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料片材在模具中的定位可知，孫文強(qiáng)等提出在模具型腔表面設(shè)置若干個(gè)定位針，用機(jī)械手夾取預(yù)熱后的板材，放在定模與動(dòng)模之間，掛在定位針上，再由氣缸伸縮桿伸出驅(qū)動(dòng)直頂頭將部分板材壓緊在型腔上，完成纖維增強(qiáng)復(fù)合材料片材的定位。但是，該定位方法影響了成型制品的表面質(zhì)量。

兩側(cè)油缸分別接通了有壓差的液壓油P1、P2,結(jié)合相應(yīng)溢流閥的溢流作用，夾緊銷在注塑合模的過程中實(shí)現(xiàn)了對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板材的對(duì)頂接料及動(dòng)態(tài)夾持，從而完成加熱后的柔軟態(tài)纖維片材的快速接料、夾緊、定位及送進(jìn)，避免了纖維片材發(fā)生折疊及起皺，保證了模具合模精度。為解決定位針掛料較少的問題，張勁松等在動(dòng)、定模內(nèi)分別設(shè)置油缸驅(qū)動(dòng)的夾緊銷，實(shí)現(xiàn)了柔軟態(tài)FRP板的定位及夾緊。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理如圖6所示。

圖6 熱壓-注塑模具三叉銷定位、夾緊及送料機(jī)構(gòu)原理

(a)定模側(cè)油缸帶動(dòng)夾緊銷 (b)動(dòng)模側(cè)油缸帶動(dòng)夾緊銷1-油缸缸體 2-定模進(jìn)油口 3-定模出油口 4-油缸活塞5-動(dòng)模出油口 6-動(dòng)模進(jìn)油口 7-溢流閥 8-油流回油泵

3.2.3 模具的澆注系統(tǒng)

在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，除了需要保證模具穩(wěn)定可靠性以外，澆注系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)也能顯著影響熱壓注塑復(fù)合制品的成型。在復(fù)合注塑成型過程中，2種材料的搭接區(qū)域采用導(dǎo)流槽引導(dǎo)塑料完成注塑過程，可以保證塑料注塑到熱壓板材的背面，完成纖維骨架的雙面包覆。

當(dāng)一體成型的汽車零部件加強(qiáng)筋的長度與其截面積的比值較大時(shí)，注塑熔體在充填過程中容易迅速冷卻，出現(xiàn)短射及分層等缺陷。在制造大型復(fù)合構(gòu)件時(shí)，澆注系統(tǒng)通常采用多點(diǎn)同時(shí)進(jìn)澆的注塑工藝，但是，在熱壓-注塑一體成型工藝中，由于塑料注射區(qū)域的尺寸及形狀不同，成型腔充填不均衡，導(dǎo)致成型缺陷較多，影響了復(fù)合構(gòu)件的界面性能及外觀質(zhì)量。為保證復(fù)合構(gòu)件各部分充填均衡，一體成型模具通常采用熱流道多澆口順序控制技術(shù)，可根據(jù)熔料的填充狀態(tài)合理地打開或關(guān)閉針閥式噴嘴，

精確控制澆口的開啟順序，避免了熔體交匯，有效地減少了熔接痕的產(chǎn)生，提高了注塑成型部分與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板材搭接、包覆的質(zhì)量及注塑部分表面質(zhì)量。通過導(dǎo)流槽的設(shè)計(jì)及熱流道多澆口順序技術(shù)的應(yīng)用，纖維板材及塑料的復(fù)合注塑過程可以更加精確地控制材料分布及充填狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)復(fù)合制品的精確成型。

熱壓-注塑一體成型技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一副模具中同時(shí)具有熱壓成型工藝與注塑工藝，可同時(shí)滿足加工部件的剛度與強(qiáng)度，同時(shí)能夠快速制造出具有復(fù)雜幾何形狀的制品。一體成型工藝簡化了工藝流程，縮短了成型時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，是實(shí)現(xiàn)制品輕量化的重要工藝。另外，可以參考國內(nèi)外的研究成果，開展復(fù)合材料熱壓-注塑一體成型技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用:

(1)增強(qiáng)熱壓-注塑一體成型工藝的研發(fā)，開展復(fù)合材料片材熱壓成型與注塑成型工藝研究，逐漸改進(jìn)工藝、材料及設(shè)計(jì)，提高復(fù)合材料與塑料搭接區(qū)域的界面粘接強(qiáng)度。

(2)開發(fā)熱壓-注塑一體成型中模具新結(jié)構(gòu)，特別是在復(fù)合材料片材的加熱、送料及其在模具中的定位夾緊機(jī)構(gòu)等的研究，主要目的為高效率、低成本成型具有復(fù)雜功能結(jié)構(gòu)的制品。

(3)充分利用熱壓-注塑一體成型工藝，并且，結(jié)合復(fù)合材料較好的性能，進(jìn)一步提高零部件的強(qiáng)度及性能，促進(jìn)熱壓注塑一體成型零部件的應(yīng)用。

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