热塑性CF/PA6冲压成型和3项参数的内在关系

    热塑性碳纤维复合材料的可重塑加工和快速加工特性，被认为可能是改变未来碳纤维产业的核心所在。更易于加工和重复加工，可以极大程度上提高产能和加快生产周期，一旦技术成熟落地，这样的愿景真的可能实现。

    热塑性碳纤维复合材料的加工方式并不局限于传统的模压成型，自动铺放成型和快速冲压成型，将会是它的主要成型方式，方便快捷、自动化程度高、良品率提升都可以为碳纤维产业及相关行业带来极大的生产效率提升。

    热塑性复合材料的快速成型主要得益于其能够进行快速热冲压工艺成型。什么是快速热冲压成型？指的是加热状态的复合材料在外力的作用下发生三维变形，同时在极短时间内完成冷却或伴有结晶的成型过程，其具有成型周期短、生产效率高等优点。

    快速热冲压成型是热塑性碳纤维复合材料加工成品的重要方式，但目前来说该方式并不成熟，在实际操作中会出现纤维褶皱扭曲、孔隙率高、贫胶等缺陷，因此需要经过研究和调整，完善此类加工方式。本文将介绍的就是CF/PA6复合材料在冲压成型方面的一些研究进展。

    热塑性CF/PA6冲压成型和3项参数的内在关系

    1、模压温度：模压温度对CF/PA6复合材料单向板成型质量有直接关系。科研数据显示在7.8MPa的模压压力下保压60s，200℃模压温度下制备的CF/PA6复合材料层合板表面出现大面积的“贫胶”现象，使板材表面极其不平整。随着模压温度的降低，“贫胶”现象得到逐步改善，170℃压制的CF/PA6复合材料层合板的表面变得较为平整，并且在160℃模压温度时CF/PA6复合材料层合板表现出最光亮的表面质量。

    分析如下：在高模压温度下，虽然高分子更容易运动，但由于压机模具的接触式传热黏流态变为高弹态，锁在预浸料内部与层间的气体不能得到充分释放或压缩，再加之高的模压温度与其熔点的温度差较小，根据理想气体状态方程，气体的体积不能得到充分压缩，使之变为很小的孔隙，因此导致表面出现了大面积的“贫胶”现象，即孔隙含量高。而随着模压温度的降低，外层预浸料气体体积迅速变小，树脂也得到快速冷却，CF/PA6复合材料层合板表层则先于内部形成了平整光亮的表面。

    2、保压时间：在纤维增强热塑性复合材料制品的模压工艺中，延长树脂熔融状态时的保压时间能明显减小孔隙率的含量。但在快速模压工艺中，由于模具的温度是165℃，远低于熔点（220℃），且为接触式传热方式，因此熔融状态的CF/PA6预浸料会在很短时间内即由黏流态变为165℃的高弹态。但此时大部分的PA6尚未结晶而处于无定形态，高分子仍处于较为活跃状态，因此延长保压时间仍有助于减小孔隙率。

    随着保压时间从30s到600s的延长，孔隙率和孔隙尺寸均表现出降低的趋势。通过二值法图像处理，计算得到保压时间分别为30s、150s、600s时的CF/PA6复合材料层压板的孔隙率分别为0.56%、0.15%和0.12%。说明，在165℃冷压下，保压150s即可实现比较低的孔隙率。

    另外孔隙率不会一直随着保压时间的增加而下降，其中存在一个临界状态，即使再继续增加保压时间，由于树脂结晶度增加，分子运动受阻，孔隙率含量也不会出现明显降低。

    3、预浸料铺层预压实：预压实是指预先将特定铺层的CF/PA6预浸料通过热压工艺压制成平板，然后再对平板进行二次加热进行盒体热冲压成型。国内有实验数据案例，以一定的预压实工艺参数进行实验，其中CF/PA6预浸料预热温度为260℃、平板冷模具温度80℃、压力为0.05MPa、保压时间为2min，实验结果如下。

    经过预压实的CF/PA6复合材料冲压成型质量明显优于无预压实的，其表明光滑、平整，拐角无明显残胶。这是由于在热压成型时，CF/PA6预浸料各部位的受力水平并不均匀，才导致未有效受力的部位成型质量差。

    以冲压热塑性CF/PA6盒体为例，在盒体成型过程中首先是盒底先接触模具，然后是四个侧面在模具合模时承受剪切和挤压作用，最后是四个边接触模具，合模时对整个盒体进行压实。但是最后的整体压实并不能实现真正的整体均匀受力，而是模具侧面的剪切作用使最初接触模具的底面纤维被拉伸，结果导致底面厚度变小，使底面在合模时无法充分接触模具，从而形成残胶表面，并带有很多从纤维间渗出的胶瘤。

    另外需要注意一点，预压实对热塑性CF/PA6复合材料快速热冲压加工时，预压实操作可明显提升成型质量，但前提是有效压实。是否有效压实，与加工模具有直接关联，合理设计阴阳模具至关重要。

    目前国内针对热塑性碳纤维快速热冲压成型技术的研究一直在开展中，并不限于CF/PA6这一种热塑性碳纤维复合材料。不同热塑性碳纤维的熔点和浸润效果天然存在差异，因此需要大量的研究数据进行归纳总结。量变引起质变，积累到一定程度后，相信热塑性碳纤维产业的发展将会得到实质性的进步。