摘要：碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Composite，CFRP）具有轻质、高强、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、热力学性能优异等特点，是航空航天、军工装备、医疗设备、轨道交通和新能源产业等领域理想的零部件原材料。碳纤维预浸料是CFRP
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基本信息
作者：皮展鹏1, 杨磊* 2, 欧阳震1, 闫春泽* 1, 史玉升1
单位：1. 华中科技大学材料科学与工程学院；2. 武汉理工大学交通与物流工程学院
基金项目：湖北省重点研发计划(2022BAA030)；2023 年湖北省重大攻关项目(JD) (2023BAA023)
收稿日期：2024-03-11；录用日期：2024-05-13
关键词：碳纤维；增材制造；预浸料；表面改性工艺；浸渍工艺
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研究成果
背景：
碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Composite，CFRP）具有轻质、高强、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、热力学性能优异等特点，是航空航天、军工装备、医疗设备、轨道交通和新能源产业等领域理想的零部件原材料。碳纤维预浸料是CFRP制备过程的中间制品，其优劣决定了复合材料的最终性能。增材制造可以低成本快速成型复杂零件，因此针对增材制造技术的碳纤维预浸料研发成为研究热点。
内容：
本文总结了增材制造用碳纤维预浸料的制备技术的研究现状，先介绍了碳纤维预浸料增材成形技术，接着指出了增材制造用碳纤维预浸料与传统碳纤维预浸料的不同之处。增材制造用碳纤维预浸料的制备可以分为放卷、展纱、改性、浸渍以及冷却收卷几部分，因此按照增材制造用碳纤维预浸料的制备工艺流程依次详细的介绍了涉及的每个工艺的研究进展：
①未来展纱技术或将机械棍展纱和气流展纱方式相结合。在机械辊展纱时可以对机械辊进行加热以去除碳纤维丝束中的上浆剂，随后再用气流展纱使纤维更均匀的铺展开就可以达到良好的展纱效果。
②单个改性方法具有局限性，因此未来的改性可能会以协同改性为主，例如上浆处理协同电化学改性。采用协同改性的方法不仅可以提高改性的效果还可以一定程度上弥补单种改性方法的缺点。
③单一浸渍方法各有其优势与缺点，未来浸渍方法的改进可能会将改性方法与浸渍方法各自的优点相结合从而使最终预浸料的性能得到优化。
④成型模具目前主要分为三类，在不同情况可根据需要采用不用的成形模具。
展望：
目前增材制造用碳纤维预浸料的制备仍然存在几项关键技术与科学问题亟待解决：
1）针对碳纤维预浸料的相关质量标准以及检测手段尚不完善。传统预浸料的六大性能测试指标已有部分不适用于现在的研究需求。此外预浸料的可增材性能指标有待研究，增材制造用碳纤维预浸料评价体系缺失。目前预浸料的性能评价体系应从力学、微观结构、表面质量、热性能等方面综合评价预浸料性能。
2）碳纤维预浸料功能性较少，碳纤维预浸料的相关研究目前仍停留与对力学性能的提升，功能性较少，未来碳纤维预浸料应向功能构件的方向发展以扩大其应用范围。如研发出具形状记忆功能、电磁可控性能、可承载吸波性能的碳纤维预浸料等。
3）以增材制造技术为原理的成形工艺仍在发展中，多种多样的成形工艺使得碳纤维预浸料的应用范围逐渐扩大，现有工艺的不断优化也使得预浸料的质量不断提高。但作为预浸料原材料的碳纤维仍有待国产化，大量的研究表明目前国产碳纤维的性能仍然不足。需要从碳纤维的制备工艺与原料入手，不断提高国产碳纤维性能，缩小与国外差距。
4）目前增材制造用碳纤维预浸料浸渍过程的机理性研究相对较少，大部分研究都是基于现有成形工艺作出的工艺性探究实验，同时缺乏相应的数学模型来辅助分析。后续研究应着力于预浸料制备与成形过程的机理研究，建立相关数学模型来更好的分析增材制造用碳纤维预浸料制备和成形过程。
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作者团队简介
第一作者
皮展鹏，华中科技大学材料加工专业硕士研究生（导师：闫春泽教授），研究方向为连续碳纤维复合材料增材制造。以第一/共同作者身份在《Composites Science and Technology》《复合材料学报》等期刊发表论文2篇。
通信作者
杨磊
杨磊，博士，武汉理工大学教授，博士生导师，入选湖北省高层次人才计划，现任中国材料研究学会增材制造分会秘书长，主要从事连续纤维复合材料与点阵超结构的增材制造技术研发，主持国家自然科学基金面上项目/青年项目、湖北省自然科学基金面上项目/青年项目、国防预研创新特区等项目；作为子课题负责人参与国家自然科学基金重点项目、湖北省重点研发计划等项目。近5年，发表SCI论文50余篇，包括一作/通迅作者SCI论文25篇，核心成果发表在Acta Mater.、Int. J. Mach. Tools Manuf., Compos. Sci. Technol., Addit. Manuf.等本领域的国际权威期刊，4篇论文入选ESI高被引论文。
通信作者
闫春泽
闫春泽，博士，华中科技大学二级教授，博士生导师，教育部长江学者特聘教授，国家重点研发计划首席科学家，爱思唯尔2023中国高被引学者。现担任材料成形与模具技术全国重点实验室主任、增材制造陶瓷材料教育部工程研究中心主任、湖北省增材制造技术国际科技合作基地主任等职务，国际期刊Journal of Materials Processing Technology副主编（Associate Editor），全国增材制造标准化技术委员会（SAC/TC562）委员。主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点基金、航天联合基金重点基金、工信部工业转型升级重点项目等国家级项目。研发的增材制造材料与装备已实现产业化，在中国航发、航天科技等单位得到应用，并出口美英德澳等国。以第一或通讯作者在Adv. Mater.、Acta. Mater.等期刊发表SCI收录论文80余篇，授权发明专利84项，包括美日欧德俄国际发明专利14项，出版专著、教材8部，包括Elsevier英文专著2部；牵头/参与制定国家标准4项。相关成果获国家技术发明二等奖（排2）、国家科技进步二等奖（排3）。
团队带头人
史玉升
史玉升，博士，华中科技大学华中学者领军岗特聘教授，博士生导师，中国有色金属学会增材制造分会主任委员、中国材料学会增材制造材料分会主任委员、中国航天科技集团有限公司增材制造工艺技术中心专家委员会主任、教育部长江学者创新团队负责人等职务。主要从事高性能聚合物、金属、陶瓷等增材制造专用材料的制备与成形技术。成果获发明专利399件，主撰著作/教材9部，发表论文704篇，2022年入选斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”和中国各学科高贡献者名单。获国家技术发明二等奖1项（排1）、国家科技进步二等奖2项（排1、排3）、中国十大科技进展和中国智能制造十大科技进展各1项（均排1）、省部级一等奖9项（5项排1）；获全国创新争先奖状、十佳全国优秀科技工作者提名奖、中国发明创业奖特等奖、湖北省五一劳动奖章、武汉市科技重大贡献个人奖等称号。
引用格式：
皮展鹏, 杨磊, 欧阳震, 等. 增材制造用碳纤维预浸料制备技术研究进展[J]. 复合材料学报, 2025, 42(1): 1-20.
来源：复合材料前沿