综述：压缩成型制造层状复合材料：材料选择、工艺参数优化和界面工程的最新进展

本综述系统阐述了压缩成型技术在层状复合材料制造中的关键进展，重点聚焦于材料选择（如热固性/热塑性树脂体系）、工艺参数优化（温度、压力、固化动力学）及纤维-基体界面工程（如等离子体处理、化学功能化）的协同作用。文章深入探讨了如何通过先进制造技术（如自动化纤维铺放AFP、树脂传递模塑RTM）和计算模型（如有限元分析FEA、计算流体动力学CFD）实现复合材料力学性能（如层间剪切强度ILSS）与结构完整性的显著提升，为航空航天、汽车等高性能应用提供了重要理论依据与技术路径。

　　

材料选择与性能考量

层状复合材料的性能基石在于其构成材料的选择。聚合物基体，无论是热固性树脂（如环氧树脂）还是热塑性树脂（如聚醚醚酮PEEK），其流变特性、固化行为及与增强纤维的相容性直接决定了复合材料的最终性能。例如，热固性树脂通常提供优异的刚度和热稳定性，而热塑性树脂则贡献了更好的韧性和可回收性。增强纤维，如碳纤维、玻璃纤维或天然纤维，则为复合材料提供了关键的强度和刚度。材料选择的优化是一个多目标权衡过程，需综合考虑拉伸强度、模量、冲击韧性、热稳定性以及成本效益。

压缩成型工艺的核心参数

压缩成型是一种通过施加热量和压力将预浸料或预成型体成型为所需形状的制造工艺。其成功与否高度依赖于几个关键工艺参数的精确控制：

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  温度管理：模具温度深刻影响着树脂的粘度、流动性和固化反应动力学。过低的温度可能导致树脂流动性差，填充不完整；过高的温度则可能引起树脂降解或产生过大的残余应力。最优的温度曲线能确保树脂充分流动浸润纤维，并实现均匀、完全的固化。
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  压力应用：成型压力对于压实纤维层、排除空气孔隙、促进树脂流动并确保纤维与基体间的良好粘结至关重要。压力不足会导致层间孔隙和弱界面；压力过高则可能引起纤维损伤或树脂过度挤出。压力与温度的协同控制是获得高质量层合板的关键。
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  时间控制：这包括合模速度、保压时间和固化时间。合模速度影响树脂的流动前沿和剪切应力。足够的保压和固化时间则保证了尺寸稳定性和最终的固化度，从而获得理想的力学性能。

纤维-基体界面工程

界面是复合材料中载荷从相对较弱的基体传递到高强度纤维的关键区域，其性能优劣直接决定了复合材料的宏观力学行为，尤其是层间剪切强度（ILSS）和断裂韧性。界面工程旨在改善纤维与基体之间的粘结强度。

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  纤维表面改性：通过物理方法（如等离子体处理）或化学方法（如硅烷偶联剂处理）对纤维表面进行处理，可以增加表面粗糙度、引入活性官能团，从而显著增强纤维与树脂的机械互锁和化学键合。
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  基体增韧：在树脂基体中引入纳米颗粒（如二氧化硅纳米粒子、碳纳米管CNTs）或热塑性增韧相，可以有效提高基体的断裂韧性，从而抑制裂纹在界面处的扩展，提升复合材料的损伤容限。
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  层间增韧：在预浸料层间插入特殊的聚合物薄膜（层间膜）或编织三维纤维结构，可以有效地桥接层间裂纹，吸收能量，大幅提高复合材料的抗分层能力。

先进制造技术与过程模拟

为了应对复杂构件制造和提高生产一致性的挑战，先进的制造技术和数值模拟得到了广泛应用。

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  自动化纤维铺放（AFP）与树脂传递模塑（RTM）：AFP技术能够实现复杂曲面结构的精准、自动化铺叠，减少人为误差。RTM及其变体（如真空辅助树脂注入VARI）则适用于大型、复杂结构的一次性成型，能有效控制纤维体积分数和降低孔隙率。
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  过程模拟与数字化：利用有限元分析（FEA）和计算流体动力学（CFD）等工具，可以在实际制造前模拟树脂的流动、固化过程以及残余应力的分布。这有助于优化模具设计、预测和防止缺陷（如干斑、翘曲），实现工艺参数的虚拟优化，缩短研发周期。

性能表征与失效机理

对成型后的层状复合材料进行全面的性能表征是验证制造工艺和材料设计有效性的必要环节。主要的性能指标包括：

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  静态力学性能：如拉伸强度、弯曲强度、压缩强度和层间剪切强度（ILSS），用于评估材料在准静态载荷下的承载能力。
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  动态力学性能：如疲劳性能和冲击韧性，反映了材料在循环载荷或冲击载荷下的耐久性和能量吸收能力。
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  失效模式分析：通过显微镜（如扫描电子显微镜SEM）观察断口形貌，可以清晰地揭示复合材料的失效机理，如纤维拔出、基体开裂、界面脱粘和分层等。这些信息对于进一步改进材料和工艺至关重要。

结论与展望

通过精心选择材料组合、精确优化压缩成型工艺参数、并采用有效的界面工程技术，可以成功地制造出高性能的层状复合材料。这些材料在航空航天、新能源汽车、风力发电等高端装备领域展现出巨大的应用潜力。未来的研究方向将更加侧重于可持续材料的开发（如生物基树脂和再生纤维）、制造过程的智能监控与自适应控制（融合物联网和人工智能技术），以及面向多功能一体化（如结构-健康监测一体化）的复合材料设计，持续推动这一先进材料技术的创新与发展。