关键字：连续纤维热压成型；层合板；热塑性材料
在汽车轻量化的大趋势下，连续纤维增强热塑性复合材料因其高比强度、可回收性等优点备受关注。然而，成型难度大、成本高的问题制约了其广泛应用。本文基于一篇硕士学位论文，揭秘如何通过工艺优化和混合铺层设计，实现部件性能与经济性的双赢。
研究背景：轻量化迫在眉睫
随着汽车保有量激增，节能减排成为全球焦点。研究表明，汽车重量每降低10%，油耗可减少3%-7%。轻量化技术从结构、材料、工艺三方面入手，其中连续纤维增强热塑性复合材料（如碳纤维/PA6）潜力巨大，但面临两大难题：
- 成型困难：复杂曲面部件易出现表面褶皱、合模不彻底；
- 成本高昂：碳纤维价格昂贵，纯碳纤维部件经济性差。
图1：汽车轻量化技术的分类
方法创新：从工艺优化到混合铺层设计
研究以方盒试件（带倒角的典型考核件）为对象，通过两步突破瓶颈。
1. 工艺优化：解决成型难题
实验采用PA6基碳纤维/玻璃纤维单向带，首先制备层合板，再模压成方盒。初始工艺下，方盒表面褶皱严重，倒角成型不佳（图2.4）。分析发现，树脂流动性差是主因。
通过优化参数：
- 烘箱温度：265℃（避免树脂降解）；
- 模面温度：135℃（保持树脂粘流态）；
- 合模压力：180 Kg/cm²（促进纤维伸展）。
图2：方盒工艺优化流程
优化后，方盒表面光滑无皱，贴合模具（图5）。关键发现：模面温度对成型质量影响最大。
图3：烘箱加热温度调整到 265 ℃时成型的方盒
图4：调整模压机压力后成型的方盒
图5：调整模具模面温度后成型的方盒
2. 混合铺层：碳纤维+玻璃纤维的巧妙组合
为降低成本，研究探索用玻璃纤维部分替代碳纤维。玻璃纤维延展性达5.7%（碳纤维仅1.5%），且成本低廉。设计五种混合铺层方式（图6），以“层数位置”区分，如：
- I型：玻璃纤维在中心；
- III型：玻璃纤维在顶部（最优方案）；
- V型：碳/玻纤维间隔铺设。
图6：五种混合铺层方式
核心发现：性能不降，成本减半
通过静载压溃与落锤冲击实验，得出三大结论。
发现一：铺层角度对承压能力影响微弱
对比不同铺层方盒（如仅0°/90°、仅±45°），静载峰值力均在67-72KN内波动。铺层顺序和角度对方盒承压性能无显著影响，但破坏方式有规律：
- 仅0°/90°铺层：底边中间断裂（图8）；
- 仅±45°铺层：底角45°方向断裂（图9）。
图7：碳纤维方盒四种铺层方式力-位移曲线
图8：底边中间断裂
图9： 底角呈 45°方向断裂
发现二：III型混合铺层性能最佳
- 静载承压：III型方盒峰值力68KN，与纯碳纤维方盒持平，但碳纤维用量减少50%；
- 动载吸能：落锤实验显示，III型方盒吸能64.32J，媲美纯碳纤维部件（63.66J）；
- 破坏模式：无突然断裂，安全性更高（图4.7）。
发现三：纤维连续性未受损
通过马弗炉燃烧法（600℃去除树脂），验证了成型过程中纤维丝无断裂，保障了部件可靠性。
应用价值与展望
本研究证实：
- 工艺优化可解决热塑性复合材料成型难题，参数模板具普适参考价值；
- 混合铺层策略（III型）在保持性能的同时，显著提升经济性，为车身部件轻量化提供新思路。未来可探索局部补强、理论模型支撑，推动产业化应用。
轻量化之路，始于每一处创新。 这项研究不仅为汽车行业带来成本优化方案，也为复合材料在航天、体育等领域的应用注入新活力。
参考文献：[1]徐袁.基于混合铺层的热塑性连续纤维车身部件优化设计[D].大连理工大学,2020.DOI:10.26991/d.cnki.gdllu.2020.002067.
