引言：近些年以来，热固性碳纤维复合材料已经普遍应用于工程制造领域。热固性的碳纤维复合材料相比于传统的纤维材料而言，其具备更好的延展性与柔韧度，在改善加工件表面性能的基础上还能降低加工成本，因此决定了热固性的碳纤维复合材料值得广泛应用于工程生产实践。具体在新型纤维复合材料的加工与成型过程中，关键是要结合材料加工的实际需求，灵活选择热隔膜预成型加工技术，力求节约工程材料的加工制造成本，充分体现预成型技术融入工程实践应用的可行性。

1 热固性碳纤维复合材料热隔膜预成型的技术原理

热固性碳纤维复合材料的热隔膜预成型基本原理在于预先浸润复合材料，促使其形成叠层状态并将其铺设于工装表面；在隔膜结构的作用下，借助真空加压与加热处理方式来达到材料成型处理目标，将原有材料加工转化为特定形状的结构件。现阶段的热隔膜预成型工艺主要包括正向与反向的材料成型技术手段，工程技术人员能够结合材料预制成型的实际需求来选择双隔膜或者单隔膜的两种主要加工成型方式^[1]。由此可见，热隔膜预成型的技术本质就是预先处理加工材料，通过固定成型工装并借助加热与加压的外界作用力来完成材料加工过程，最终得到质地坚固、形状符合要求的结构件。

热固性的碳纤维复合材料属于新型的工程制造材料，此类复合材料主要依靠树脂原料的加热固定原理予以形成，并能够保证热固成型后的树脂材料满足一定的形状特征与使用要求。采用热固工艺加工成型后的碳纤维材料本身具有复合性，能够实现自由的弯曲与拉伸，且能够在环境温度与湿度改变的情况下保持良好的结构张力^[2]。工程技术人员在制作加工热固性的碳纤维复合材料过程中，通常需采用热隔膜预成型的工艺形式，确保碳纤维复合材料的表面强度与硬度满足工程使用要求。

2 热固性碳纤维复合材料热隔膜预成型的工艺流程

热隔膜预成型设备的基本组成部分为隔膜框架、真空作业平台、可移动的加热装置、自动控制装置、真空冷却装置。具体在加工碳纤维复合材料时，技术人员重点采用了风冷却与红外线辐射的工艺方法，材料预成型的基本流程设计为“单隔膜”的正向成型方案。具体而言，热隔膜预成型的工艺流程包括如下要点：

2.1 定位待加工材料

热固性碳纤维的待加工材料需涂刷表面脱模剂，技术人员需擦拭成型工装，进而保证其表层平整、光滑；在此基础上，技术人员需在成型工装的指定区域放置待加工材料，确保待加工的碳纤维材料叠层结构符合平整度的要求。同时，技术人员需准备风冷却装置与红外加热装置，分别将其安装于相应位置。

2.2 贴紧叠层与模具

技术人员在确保预成型材料叠层已经完全铺平的情况下，需下放隔膜框架装置，直至其达到指定的加工区域。采用红外加热设备来预热材料叠层，促使其逐渐软化。如有必要进行分区加热，则需将预热材料放置于不同温度的加工区，通过单独调节功率的形式来实时改变预热强度，直至所有的预热材料全部成型。在此基础上，技术人员需将碳纤维材料叠层置于指定温度的加工空间，经过半小时后采取抽真空的方式来促使叠层各部位的温度均匀。应借助隔膜框架的辅助作用，贴紧加工模具与材料叠层，然后进入材料冷却步骤^[3]。

2.3 抬升框架与成品

隔膜框架具有自动抬升功能，可用于自动提升冷却后的预成型材料。预成型材料在结束冷却后，快速卸载负压装置，同时抬升隔膜框架并结束预成型加工步骤。隔膜框架的抬升高度需事先确定，保证自动抬升后的隔膜框架位置与高度均符合预成型加工的技术标准。在抬升隔膜框架与预加工成品的阶段，工程技术人员还需借助自动铺带技术，促使预成型材料的贴合程度更加紧密，改善材料的坚固性与韧性。

3 热固性碳纤维复合材料热隔膜预成型的影响因素

3.1 材料类型影响

目前常用的碳纤维复合材料具有形式多样、种类丰富的特征，其中热固性的纤维复合材料使用范围较广。热固性的纤维复合材料主要包括树脂基材，某些树脂基材经过压缩与拉伸就会出现弯曲或者收缩，进而造成最终的加工成品无法满足质量要求。热隔膜预成型工装的预热温度最高可达90℃左右，但不会超出100℃。在此情况下，未实现完全加热的树脂结构就会在叠层挤压之后发生变形，常见为褶皱、弯曲、层次滑移等情况。因此，并非全部类型的树脂基复合材料都能够适用于热隔膜预成型的加工处理^[4]。

此外，热隔膜加工过程中的纤维材料各层次间存在过大的摩擦作用力，各层次材料由于过大摩擦力导致的影响，容易增加层次之间的粘度，无法顺利完成分离各材料层次的目的。并且在预成型完毕后，位于下方的预成型材料容易粘连在工装表面，甚至出现“粘死”的现象，增加了预成型材料在整个加工过程中的损耗。

图为预成型材料的表面状态

3.2 成型温度影响

成型温度属于非常重要的材料预成型影响要素，纤维复合材料的预成型温度将会直接关系到树脂基体的变形幅度，同时对于最终的预加工、预成型效果也会产生不可忽视的影响。按照碳纤维复合材料的基本加工要求，抽真空状态的材料叠层温度应当作为最佳的预成型温度。因为在真空状态中，各层次的复合纤维材料都能保持适中的粘度，而不会出现层次滑移或者层次脱落的情况。但是在成型温度过高或者过低时，各层次的碳纤维材料之间就会出现粘连，或者由于材料层次之间的摩擦力过小，从而导致复合材料在预成型后无法保持较好的整体性。

通常在碳纤维复合材料的预成型早期阶段，工装空间温度都会保持在相对较低的水平。随着时间推移，热隔膜工装的预热处理温度就会逐步提升，直至达到沸点左右的温度。在此时，碳纤维的复合材料如果未能快速予以成型，那么剩余的碳纤维物质就会贴合在加工工装的表面，不利于实现最佳的预成型效果。工程技术人员如果要消除以上情况的不利影响，则需重视采用自动控制设备来辅助调节温度，直至达到最佳的预成型工装表面温度。

3.3 加压速率影响

热隔膜预成型全过程中的加压方式主要为真空加压，采用真空作业平台予以辅助实施。通常来讲，用于加工复合材料的工装与隔膜之间呈现垂直角度，因此在叠层预热温度持续提升的基础上，发生软化变形的复合材料就会自然弯曲并下垂，导致出现材料层次的重叠现象。相比于未实施加压处理的纤维复合材料而言，经过自动加压处理后的纤维复合材料具有更好的滑移效果，更加方便分离不同的材料层次^[5]。并且在加压速率不断增长的过程中，碳纤维的复合材料就会持续软化与下垂，材料层次之间也会呈现更加明显的分离趋势。

工程技术人员对于加压速率在实现自动化控制的前提下，能确保加压速率达到最适宜的指标，而不会由于人为控制失误造成系统加压速率过大或者过小。经过观察可见，在同个工装表面如果持续施加了不同的压力，那么成型后的纤维材料整体柔韧度与坚固程度也会有所差别。出现以上情况的重要根源在于真空装置的加压速率呈现抛物线形式的改变，抛物线的顶点部位为最佳的加压速率；此时如果继续增加速率，那么工装表面的复合材料预成型效果反而会下降，呈现出加压速率与预成型效果之间的反比变化关系。

3.4 工艺复杂程度影响

决定工艺复杂度的关键指标主要包括成型工装的表面形状、工装热容、平板叠层的角度与厚度等，以上各项基本参数都会显著影响到最终的预成型处理效果。如对于平板叠层的厚度指标而言，其主要影响到纤维复合材料的加热时间长度：工装表面的叠层厚度如果较小，那么通常经过较短的加热处理时间即可保证材料成型；反之，如果工装表面的叠层厚度较大，则需经过相对较长的加热时间才可保证碳纤维材料的最终凝固成型。除了“平板工装的叠层厚度”工艺影响因素之外，其他很多因素同样会影响到热固性的纤维材料加工成型质量。

例如，成型工装的表面热容属于加热装置的重要组成部分，工装热容的重要性在于传递红外辐射热量，然后借助隔膜的作用力来加热材料叠层，直至碳纤维的材料叠层发生软化与变形。但是与此同时，成型工装与碳纤维材料叠层之间也会产生相互作用，集中体现在对流传热作用，从而显著影响到预成型的材料品质。在成型工装的结构尺寸、材质等因素改变的条件下，工装表面的热容也会随之发生某种变化，进而决定了技术人员需通过改变加热功率或者预热时间予以必要的调整。否则，在不同材质或者不同尺寸的成型工装表面如果设计了相同的预热加工参数，则容易出现材料层次之间的摩擦系数过大情况，引发不良的预成型后果。

4 热固性碳纤维复合材料热隔膜预成型的工程化应用

碳纤维复合材料能否充分发挥材料特性优势，关键决定于材料预成型工艺。热隔膜预成型的实现方式既能避免复合材料在过度预热的情况下出现老化，又能显著改善纤维复合材料的结构强度，客观上实现了降低预热加工成本、节约材料预成型资源、优化复合材料使用性能等目的。具体在工程化应用的视角下，完善热隔膜预成型工艺应集中体现在如下措施：

4.1 合理控制叠层厚度，优化加工参数

热固性的碳纤维材料在预成型阶段主要设计为平板叠层的加工形式，从而决定平板叠层的薄厚程度将会显著影响碳纤维的成型速度与柔韧性等。优化预成型加工参数的关键就在于灵活调整平板叠层材料的各层厚度，技术人员应当力求灵活改变平板叠层中的各层材料厚度，以便各层材料在预热处理过后能够实现快速的分离，并且能够表现出良好的滑移性与坚固性。技术人员对于型面结构复杂的平板叠层材料在实施预热或者预压处理时，应重视叠层之间的粘连程度，避免铺贴叠层出现大面积的卷曲。

4.2 调整成型工装角度，妥善铺贴材料

成型工装的角度调整将关系到材料加工处理效果，现阶段的成型工装角度调节过程主要依靠自动化仪器。技术人员采用自动校准的方法来实时调整工装角度，能够确保在工装角度最佳的基础上获得最好的预成型作业效率，并能够有效杜绝预成型材料表面的褶皱与破损。技术人员通过改变成型工装的加工角度，分别测试了90°、45°、0°情况下的铺贴材料预成型加工效果。试验结果显示，工装角度为45°时能够获得最佳的铺贴材料加工成型效果，此时经过预成型后的复合材料层次薄厚适中，各层次的分离难度也是较小的，预成型后的碳纤维复合材料整体强度能够达到最高。

如下表，为成型工装角度不同时的铺贴材料预成型效果差异：

表1 不同成型工装角度导致的加工效果差别

4.3 实时改变加热功率，促进固化成型

热隔膜预成型装置的加热功率与真空加压功率都是可变的，技术人员在整个预成型阶段需要结合工装参数以及材料特性等因素来灵活调整，促使预成型的工程成本节约，优化预成型结构件的质量。如对于容易出现弯折或者加热过程中容易老化的碳纤维材料以及树脂材料而言，应结合实际情况来适当降低加热功率，或通过改变真空加压速率来防止树脂材料以及碳纤维的快速老化。反之，某些韧性较好、坚固程度较高的碳纤维材料则需采取较大加热功率作为保障，以此实现碳纤维复合材料的快速成型，避免由于预成型阶段的加热功率过小，导致无法达到预期的材料加工韧性标准。

结束语：

综上所述，热固性碳纤维复合材料的热隔膜预成型效果主要决定于材料成型温度、材料种类特征、真空加压速率等技术指标。在工程化应用的发展趋势下，结合工程生产需求来改进材料预成型技术有着显著意义。未来在热隔膜预成型技术的创新过程中，优化材料加工质量与效率的侧重点在于实时控制材料成型温度，并借助人工智能仪器来监测、控制加工环境参数。工程技术人员需积极探索热固性碳纤维复合材料的成型过程规律，做到因地制宜选择并采用预成型技术，有力推动工程制造领域的材料成型技术发展。

参考文献：

[1]徐鹏,孙金贵,岳广全等.碳纤维增强热固性织物预浸料压实行为的试验研究[J].合成纤维,2024,53(05):61-67+72.

[2]龚浩杰,田正刚,刘俐波等.热固性树脂基碳纤维复合材料的闭环化学回收与再利用[J/OL].复合材料科学与工程,2024(07):31.

[3]许培俊,李兆,郭新良等.热固性树脂过渡层对聚醚砜树脂基碳纤维复合材料界面性能的增强改性[J].复合材料学报,2024,41(07):3568-3576.

[4]郑波,颜春,祝颖丹等.生物基可降解环氧树脂及其可回收碳纤维复合材料的研究进展[J].化工新型材料,2024,52(01):8-12+17.

[5]赵学莹,戴东梅,宋春杰等.热固性碳纤维复合材料热隔膜预成型工程化应用研究[J].纤维复合材料,2019,34(01):18-23.