科创中国

（一）项目背景

纤维增强热塑性复合材料具有密度低、强度高、抗冲击好、加工成型快、可回收等突出特点，属于高性能、低成本、绿色环保的新型轻量化复合材料，已部分替代价格昂贵的工程塑料、热固性复合材料以及轻质金属材料（铝镁合金），在航天航空、轨道交通、医疗及体育等领域有广阔应用前景。全球热塑性复合材料市场规模预计将从2020年的222亿美元增长到2025年的318亿美元，复合年增长率为***％。就增强纤维形式而言，连续碳纤维增强热塑性塑料有望实现热塑性复合材料市场的最高复合年增长率。

航天航空（尤其是飞机）及汽车轻量化对连续碳纤维增强热塑性复合材料制造的板材零件需求与日俱增，现有的手工铺层、热压罐、树脂传递模塑成形等传统工艺方法繁琐、耗时长、效率低、成本高，仅适用实验室及小批量试制。

（二）项目简介

利用热塑性复合材料在树脂熔融状态下可二次加工成型的独特热变形特性，本项目提出了适用于连续碳纤维增强热塑性复合材料零件工业化批量生产的热冲压工艺技术，将该复合材料板材在加热模具作用下直接冲压成型，建立了相关的工艺仿真方法，开发了成套的工艺线设备（包括热外加热炉、机器手转运装置、成套热冲压模具、超声振动辅助弯曲成形装置、红外局部加热辊弯设备、超声振动焊接装置及相关配套控制软件）及成型质量检测方法，并实现盒型件、球型件、U型梁及复杂覆盖件等多种零件试制。

相较于传统的铺层模压成型工艺，热塑性复合材料热冲压成型工艺是一项经济、快速、可靠的新型复杂件成型技术。具有成型效率高，模具加热和树脂固化的时间短（整个成型过程只需7分钟），成型工件表面质量好、精度高，以及便于实现自动化生产等优点，此外，纤维定位容易、层间性能优异、孔隙率可控，人为影响因素较少、成本可控，因而在航空航天和汽车领域有较大应用前景。

本项目源自各领域重点龙头单位、如商飞、昌飞、中国重汽、陕汽、比亚迪等企业的实际技术需求，企业方面认为本项目技术先进，具备产业化研究的必要，属于行业共性技术。

（三）关键技术

本项目通过对连续纤维增强热塑性复合板材热冲压成型工艺研究及相关装备开发，已攻克以下关键技术，通过国内外调研，项目技术水平总体属于国内领先，部分属于国际领先。

1. 建立连续碳纤维热塑性复合板材热冲压成型机理分析方法及热冲压成形工艺仿真技术。探究清楚碳纤维复合材料的热冲压成形原理和成形过程中复合材料板材的变形机制；建立连续编织复合材料热冲压工艺成型仿真模型，探究清楚热冲压成形过程中起皱产生机理及其工艺影响因素。

2. 提出连续碳纤维增强热塑性复合板材的超声振动辅助弯曲成形工艺技术。设计开发了超声振动辅助弯曲成形装置，通过研究不同频率振幅超声波对成形质量的影响，验证了超声振动技术可用于碳纤维复合材料弯曲成形，成形载荷减小，表面质量好，可在一定程度上提高材料的成形极限，降低成形力，并提高成形件质量。

3. 提出连续碳纤维增强热塑性复合板材的热拉深成形工艺技术及检测方法。设计开发热拉深模具、成形实验装置及检测方法，通过不同纤维铺向坯料进行成形实验研究，探明了板料的起皱失效机理与拉深成形极限，确定成形件热冲压成形的合理纤维铺向，实现碳纤维复合材料球型零件和盒型零件的成功制备，成形时间6分钟/件，大大降低研发成本和周期。

4. 提出连续碳纤维热塑性复合材料板热辊弯成形工艺技术。设计研制了红外局部加热辊弯成形样机。通过红外线对复合材料板局部区域进行非接触式加热，然后利用板材局部区域树脂受热软化、冷却硬化的特点进行多道次辊弯成形。实现了多层碳纤维编织增强树脂基复合材料U型梁的加热-辊弯成形一体化连续完成，并进行弯角成形质量检测，获得合理的配套工艺参数。

5. 建立连续碳纤维热塑性复合材料复杂覆盖件热冲压工艺方案及配套工艺线。自主开发搭建涵盖了加热-转运-温控-冲压整个过程的碳纤维复合材料复杂覆盖件的热冲压成型线。实现了复合材料汽车发动机罩的小型试制，整个覆盖件成型过程只需7分钟，制造价格降低>60%。

6.开发了连续碳纤维热塑性复合板材的热铆接和超声焊连接工艺技术。针对不同零件及板材的装配及连接需要，提出了复合材料/复合材料、复合材料/金属之间热铆接和超声焊复合连接新工艺，并开发相关实验装置，通过实验验证可实现连续碳纤维热塑性复合板材的高效快速连接，可实现焊接过程工艺参数的在线实时监测，对纤维损伤小、连接强度高，焊接时间短（超声焊<2s）,便于实现工业化应用。

（四）项目团队

1. 技术负责人

本项目技术提供方为西安交通大学机械工程学院韩宾副教授、张琦教授团队。韩宾副教授（博导），美国布朗大学博士后，长期从事轻量化复合材料/复杂结构先进制造技术及成形装备开发研究。主持及承担国家重点研发、军科委资助项目、国家自然科学基金、省部级科研项目及校企合作项目等十多项。发表国内外学术期刊发表中英文期刊论文近80篇，被引1000余次；获得授权发明专利22项。

2. 当前状态/技术成熟度

目前技术成熟度  6   级，已成功开发出部分功能样机演示测试合格、通过有限元和实验相结合的方法验证了相应工艺的可行性，需要进一步开发完整的智能装备，完善柔性制造工艺，通过实验验证装备及工艺的可靠性。