產品材料格式的選擇及其與各種加工方法的相互作用，對最終TPC零件的性能和制造選項有著重大影響。

圖1.復合材料制造商可獲得多種材料類型和形式，例如碳纖維增強熱塑性塑料(CFRTP)單向(UD)帶材(多種寬度)、可鋪覆的混雜CFRTP織物以及CFRTP層壓板。

在本文中，我們將探討材料形式與工藝方法之間的相互作用。

產品形式

熱塑性復合材料(TPC)可采用單向(UD)、織物和隨機氈增強，且具有不同程度的浸漬。完全浸漬的形式可快速加工成最終零件，但質地堅硬、呈板狀；而部分浸漬的形式在室溫下具有柔性，可貼合復雜形狀，但需要更長的加工時間，以便高粘度聚合物流動并浸潤增強材料。

UD膠帶必須完全浸透，因為其橫向沒有載體支撐材料，例如熱固性預浸料所用的背襯。大多數單向帶的寬度為305毫米，少數寬度可達610毫米。它們也可提供更窄的寬度，用于自動纖維鋪放(AFP)和自動鋪帶(ATL)應用，窄至3.2毫米(圖1)。

織物和氈材有多種規格，包括完全浸漬和各種部分浸漬形式。在部分浸漬形式中，聚合物和增強材料在物理上混合，但聚合物并未完全潤濕增強材料。例如粉末涂層、聚合物與增強纖維的混雜，以及聚合物薄膜粘附在增強材料上。部分浸漬形式的一大優勢在于，它們可以在室溫下如圖1所示那樣貼合部件的幾何形狀。另一個優勢是，織物或氈材的編織或結構可以控制熔融成型過程中纖維的變形。材料的寬度通常由織物或氈材決定，寬度可達1.5米。

除了需要更長的加工時間外，這些部分浸漬的材料具有更高的體積系數，這在某些制造方法（如壓縮成型）中可能很重要，因為在這些方法中，材料必須被壓入匹配的模具中。另一個需要考慮的因素是，當使用部分浸漬材料時，纖維-基體界面是由制造商在加工過程中形成的。在這種形式的熱塑性塑料中，由于聚合物的高粘度，它們不易潤濕纖維表面，這可能導致界面性能降低。

膠帶、織物和墊材可被整合成層壓板，從而實現快速加工（圖1）。這些層壓板是一種中間產品形式，省去了材料的整理和整合工序，使加工者能夠專注于制造和組裝。它們由多家供應商生產，尺寸可達3.7×1.2米。

從自動鋪絲(AFP)到沖壓成型的快速加工方法需要完全浸漬的材料，因為在短暫的熔融周期內沒有足夠的時間進行浸漬。壓縮模塑、熱壓罐和真空袋成型(VBO- vacuum bag only)等制造方法可以使用完全或部分固結的形式進行。通常，材料形式會根據性能要求進行選擇，但對于熱塑性復合材料(TPC)，必須結合材料形式和制造方法進行選擇。

產品形式、工藝相互作用

正如我們所見，TPC產品形式多種多樣，且有多種不同的加工方法可用于制造零件。某些形式已處于半成品狀態，可直接加工成最終零件，而其他形式則需要在成型前或制造過程中先將層片堆疊，可能還需要進行固結。圖2展示了主要形式以及制造最終零件的潛在工藝路徑。這些材料可分為三種主要形式：

• 層壓板或有機板材，最常見的是帶有織物增強的類型。

• 單向帶，必須完全浸漬。

• 織物和短切氈增強的單層材料，通常為部分浸漬。

由于層壓板已完全浸漬并固結，因此可直接用于沖壓成型等快速制造工藝。層壓板可由材料供應商、中間制造商或最終零件制造商生產。

圖2. 熱塑性產品形狀與制造方法的相互作用?？梢圆捎枚喾N方法制造層壓板，然后將其成型為最終零件，或者直接成型為最終零件

帶材和織物必須組裝成適當的取向和鋪層，這可以通過多種方式實現。例如，單向帶材可以通過纖維或帶材鋪放方法進行收集，使用低能量將各層粘結在一起，或者使用高能量實現高度壓實，從而形成層壓板或壓實良好的預成型件。帶材和織物層可以通過自動或手動的拾取放置方法進行組裝，由于熱塑性材料本身沒有固有的粘性，各層之間通過局部熱粘結或超聲波粘結連接。出于同樣的原因，UD帶材的邊緣通常會相互縫焊，以固定層壓板并避免相鄰層壓板之間出現重疊或間隙。因此，熱塑性材料的一致性非常重要。例如，如果層壓板無法平整放置，或者邊緣出現卷曲或偏移，那么就無法一致地組裝層壓板。

連續壓縮模塑(CCM- Continuous compression molding)是一種特殊情況，因為層壓材料以連續卷的形式按適當的取向（0°、90°、+45°、-45°等）排列，并通過模具的熱區和冷區連續進給。因此，CCM在一道工序中即可完成層疊和模塑。全浸漬和部分浸漬形式的單向帶、織物和氈材均可使用。根據模具配置，可生產用于二次成型的層壓板或成品型材。CCM在大批量生產層壓板或型材方面極具成本效益。

零部件通常包含厚度變化，以優化重量和性能；若需在整個零件上增減鋪層，則在整個制造過程中—從鋪層組裝到中間成型再到最終零件—保持準確的“鋪層邊緣”位置至關重要。如果采用匹配模成型工藝，這一點尤為重要，因為厚度變化必須在模具中精確定位，以確保壓實和成型滿足要求。

變厚度機身框，疊層在Z形框的腹板上進行鋪疊。如圖3所示，確保疊層在所有步驟中都保持在正確位置至關重要。

圖3. 板材沿著由熱塑性單向(UD)膠帶制成的Z型機身框架的腹板進行鋪設。腹板上的鋪層數量減少了50%，需要非常精確地定位鋪層鋪放位置以及毛坯在工裝上的位置。

疊層可以通過多種方法固結成層壓板，或者直接進入最終的制造工藝。從層壓板上切割出的坯料可用于沖壓成形等快速成形工藝。曾有一段時間人們認為，坯料必須具有與成品零件相同的質量，因為快速成形方法僅允許將坯料重新塑形為最終零件，而沒有足夠的時間進行進一步的浸漬或固結。最近的研究表明，雖然并非完全致密化，但經過良好致密化的坯料在經過快速高壓成形后仍能獲得高質量的零件。這為使用成本更低的坯料制備方法（如僅采用高能纖維鋪放或疊層的VBO致密化）提供了機會。

或者，可以通過多種工藝將疊層加工成最終零件，包括匹配模壓(如靜態或連續模壓機)以及靜水壓成型方法(如VBO、熱壓罐和單面模具配柔性表面的隔膜成型)。如圖2所示，這些方法既可用于中間層壓板的固結，也可用于最終零件的加工。當然，各種方法在循環時間、模具和裝備成本以及消耗品材料方面存在不同的權衡。因此，所選的加工方法將取決于部件尺寸和復雜性、數量、速率以及可用裝備等多重因素，所有這些都會影響部件質量以及重復和非重復部件成本。

材料形式的影響

在產品形式的范圍內，還存在更細微的影響，特別是在聚合物-纖維分布、聚合物等級和界面特性方面。

熱塑性單向帶預浸料

材料供應商采用不同的方法將高粘度、高熔點的熱塑性聚合物與增強纖維結合。存在幾家不同的單向帶供應商，即使這些帶材可能含有相同的聚合物和相同類型的增強纖維，它們仍可能具有非常不同的形態，因此具有不同的性能、操作和成形特性。

圖4. 來自不同供應商的PEEK/碳纖維單向帶的顯微照片

圖4展示了來自不同供應商的單向帶在“原樣”狀態下的顯微照片—所有帶材均采用PEEK基體，碳纖維體積含量約為60%，名義厚度相同——這些數據由Slange等人在《ESAFORM20會議論文集》的一篇論文中評估得出。這些材料的描述和物理性能數據表幾乎完全相同，但預浸料的特性卻截然不同。在局部厚度、表面粗糙度、聚合物-纖維分布以及浸漬程度方面存在顯著差異。預浸料A和C具有相對均勻的纖維/基體分布、一致的厚度且無孔隙。即便如此，預浸料A的纖維更多地集中在預浸料表面（在這些顯微照片中為頂部和底部），而聚合物更多地集中在預浸料中心。預浸料B厚度不均，表面粗糙，纖維-聚合物分布不均，預浸料表面存在富基體區域，并且在纖維密集處有許多小孔隙。這些局部形態會影響加工過程，并反映在最終零件上。

圖5. PEKK/碳纖維預浸料及由其制成的八層層壓板。

圖5展示了兩種單向預浸料及通過CCM工藝制成的八層準各向同性層壓板的顯微照片。顯微照片中由于纖維相對于拋光方向的不同取向，層壓板中各單層呈現出不同的紋理特征。預浸料樣本B的差異明顯傳遞到了最終制件中，盡管材料經歷了熔融和高壓成型工藝循環。

令人驚訝的是，研究發現圖4B和圖5B中的材料在沖壓成形等快速高壓工藝中成型效果要好得多。這可能是因為預浸料富含聚合物的表面在層間形成了滑移面?；蛘?，表面粗糙度可能允許層間相互滑動，也可能存在其他因素。除了允許層間滑移外，略帶樹脂富集的表面對于包括纖維和帶材鋪放以及焊接在內的許多工藝都是有益的，因為較高的表面聚合物含量可以促進層和部件的快速熱粘結。

在其他工藝中，更均勻的預浸料將帶來更佳的加工性能和成品部件。例如，在使用纖維鋪放和VBO（真空袋模）固結工藝時，更一致且浸漬良好的材料是首選，因為AFP（自動纖維鋪放）的工藝時間非常短，而VBO的工藝壓力較低。如圖6所示，通過這兩種方式加工的某些材料已被證明能夠生產出高質量的層壓板，其性能與熱壓罐固結的層壓板相當。

圖6. 采用自動纖維鋪放(AFP)工藝并使用VBO固結的層壓板的開孔壓縮強度，相對于熱壓罐固結

聚合物效應

用于TPC的聚合物在一篇先前的文章中已有總結，但即使在同一聚合物化學體系內，也可能存在顯著差異。熱塑性聚合物廣泛應用于多種領域，而高度增強的復合材料僅占整體市場的一小部分。因此，用于復合材料的聚合物通常是從現有的商用牌號中選擇的。

一些TPC供應商生產聚合物，并可根據復合材料應用對其進行改性。其中一個主要因素是聚合物的“等級-grade”，這與粘度有關，從本質上講，與分子量和分子量分布相關。為了適應不同的加工方法和應用，聚合物被制成不同的分子量范圍——例如，“高流動性”或低粘度牌號通常用于復雜零件的注塑成型，而“低流動性”牌號則用于熱塑性纖維和薄膜的擠出成型。

分子量對粘度有很大影響，這不僅影響浸漬和零件成型，還影響聚合物的韌性。對于高度增強的復合材料，希望使用低粘度聚合物，但這些聚合物通常韌性較低。圖7顯示了Victrex PEEK聚合物的信息，其中粘度增加了五倍，而韌性僅增加了不到兩倍。盡管低粘度是首選，但存在一個臨界分子量，低于該分子量時，聚合物鏈纏結會顯著下降，韌性也會急劇下降。

其他可能影響復合材料性能的聚合物特性包括線性度、支化度、端基以及具體的聚合物結構。例如，PEKK聚合物中的“對位/間位”比例可以在聚合過程中進行調控，從而影響熔融溫度、結晶速率和結晶度。因此，聚合物結構的選擇應與制造方法相匹配。

圖7. Victrex PEEK的韌性與粘度關系

所有熱塑性聚合物的一個共同特性是，有效粘度高度依賴于剪切速率。這一點在聚合物行業已廣為人知，相關信息可在加工指南中找到。圖8展示了Victrex PEEK一種相對低粘度牌號的粘度與剪切速率的關系（請注意這是雙對數坐標）。隨著加工速率的提高，粘度下降了10倍以上。高能纖維鋪放和焊接是極低剪切速率的工藝，而沖壓成形則處于極高剪切速率，因此在確定最佳工藝條件時應考慮有效粘度。值得注意的是，與剪切速率相比，工藝溫度對粘度的影響要小得多，從360°C到400°C的微小變化，尤其是在高剪切速率下，影響更為有限。

圖8. Victrex PEEK 150G的粘度與剪切速率和溫度的關系

纖維-基體界面性能

纖維與基體之間的界面會影響熱塑性復合材料(TPC)的加工和性能。對于完全浸漬的材料，該界面由材料供應商創建；而對于部分浸漬的材料，該界面則由制造商在加工中間體或最終零件時創建。正如我們所討論的，熱塑性聚合物具有高粘度，因此難以潤濕小直徑纖維的表面，且其粘度高度依賴于剪切速率。因此，通常更傾向于通過“剪切-shear”或“加工-work”將聚合物引入增強材料中，以確保聚合物能良好地滲透到纖維束中并潤濕纖維表面。即使實現了緊密接觸，仍有一些因素可能會影響界面結合強度。

在幾乎所有情況下，都需要纖維與基體之間形成牢固的結合，以便在纖維與基體之間傳遞載荷（唯一的例外可能是防彈應用）。通常會在碳纖維表面涂覆上漿劑，以減少纖維相互摩擦時造成的損傷。大多數上漿劑是為固化溫度相對較低的熱固性樹脂(例如177°C)開發的，并且設計為與環氧樹脂、酚醛樹脂、雙馬來酰亞胺等基體聚合物相容。然而，這些上漿劑在熱塑性聚合物的更高加工溫度下會發生降解，從而降低界面性能。

圖9.帶與不帶纖維上漿劑的PEEK/碳纖維單向帶的橫向強度。型材采用CCM工藝制造

多年來，未上漿碳纖維因其與熱塑性聚合物具有最佳界面而備受青睞。但這也帶來了挑戰，因為在浸漬和加工過程中可能會發生纖維損傷和磨損。最近，出現了與熱塑性材料兼容的上漿劑，據報道它們能保護纖維免受損傷并提高界面強度，如通過橫向彎曲強度測量所示(圖9)。此處，據報道帶有兼容熱塑性上漿劑的斷裂表面顯示出更優異的纖維-基體粘結力。

材料與制造工藝的選擇

TPC材料形式和加工方法種類繁多——事實上，其范圍之廣可能會讓人感到困惑！有些方法在生產中已得到廣泛應用，例如從層壓板上沖切坯料進行沖壓成型。其他方法已在開發和小批量生產應用中得到驗證，但仍在為大規模生產進行完善。選擇合適的材料形式與加工方法組合，將對性能和制造選項產生重大影響。對于給定的組件，最終的選擇將受到待制造零件數量和所需生產率的極大影響。除了主要的選擇標準外，纖維-基體分布、材料均勻性、纖維-基體界面特性和所用聚合物的具體牌號也可能產生微妙的影響。對于最終用戶、設計師、材料供應商和制造商而言，協作選擇給定應用的最佳材料和工藝組合至關重要。

原文，《Thermoplastic composite materials and processing interactions》2026.1.12

楊超凡