纖維增強的樹脂基復合材料是以連續纖維為增強材料、樹脂為基體的復合材料總稱，其具有比強度較高、比模量較高、質量較輕、抗疲勞性較好、膨脹率較小及減振性較好等優異的綜合性能。隨著纖維增強復合材料制備技術的快速發展及成本的逐漸降低，纖維增強的樹脂基復合材料在汽車部件領域的應用越來越廣泛。例如，采用樹脂基碳纖維復合材料制備電動汽車BMWi3車身，整車質量可以降低至1224 kg。采用碳纖維及玻璃纖維2種增強材料與環氧樹脂基體材料生產的汽車發動機罩的質量減輕了51.2%。隨著新技術、新材料在汽車輕量化中的應用，將具有較好力學性能的纖維增強樹脂基復合材料與塑料組合應用于復雜承載功能件的成型是未來的發展趨勢。連續纖維增強的樹脂基熱壓件與注塑件組合為常用方法，即采用連續纖維板材熱壓成型骨架承載結構，注塑成型如高筋等增強結構、凸臺等定位結構、卡槽等裝配功能結構，能充分發揮材料的性能優勢。目前，連續纖維增強的樹脂基熱壓件及注塑件組合可采用三步成型法及兩步成型法。其中，三步成型法是以“熱壓+注塑+膠粘”的方式，存在工序復雜、精度較差的缺陷，已經逐漸被淘汰; 兩步成型法是通過熱壓模具把連續纖維板預壓成型，再作為嵌件(insert)放入注塑模具(注射機)中注塑成型，該成型方法是目前連續纖維增強的樹脂基骨架及注塑部分組合應用的主要方法，節省了膠粘工序，但是，需要2套模具，因此，加工成本較高，成型周期較長。

德國Krauss-Maffei基于兩步成型技術，提出Fiber Form技術，即熱壓-注塑一體成型(HPIM)技術概念，是在一副模具上完成復合板材的熱壓及功能結構的注塑成型。熱壓-注塑一體成型技術可以有效地簡化生產步驟，縮短生產周期; 在提高制品剛度的同時，保證了較好的功能性及可組裝性。因此，熱壓-注塑一體成型技術具有較好的應用前景。

熱壓-注塑一體成型技術作為復合材料的新興成型工藝，生產的制品具備承載能力強、成型周期短、適合復雜結構、自動化程度高等特征,已在汽車生產制造方面得到了廣泛的應用。德國生產的汽車變速箱殼體應用連續編織碳纖維增強的熱塑性復合材料，采用熱壓及注塑組合技術,將熱壓模具與注塑模具集成在一臺注塑機上，實現了熱壓工藝及注塑工藝的一體化，提高了設備的利用率，但是，實質仍然是基于嵌件的Insert Molding模式，并且，制造的產品較簡單，為熱壓-注塑一體成型工藝的可制造性提供了技術支持。

熱壓-注塑一體成型技術能實現工件的一次成型，僅需要先將有熱塑性樹脂基體的纖維增強半成品加熱，再置于相應的模具中進行成型。模具特征在型芯上設置了用于形成加強筋、螺紋柱及裝配卡扣的凹腔。一體成型生產制造了汽車零部件，其樣品零件如圖1所示。利用熱塑性樹脂實現功能性結構包覆，幾何復雜的部件包含多個增強筋及功能元件，為具有復雜幾何結構的汽車零件賦予了較好的功能性及加固效果，工藝特性可以更精準地控制零部件成型，從而更好地發揮輕量化結構潛力。將注塑設備應用在同一副模具中，將纖維增強復合材料板材熱壓成型與功能結構注塑成型相結合，不僅能提高生產效率，還可以使熱壓-注塑一體成型工藝更加節能環保。隨著該技術在汽車零部件領域逐漸得到研究人員的重視，該領域的研究工作也得到逐漸推進及深化。

1-熱塑性樹脂功能結構包覆 2-纖維增強復合材料成型主體

圖1一體成型樣品零件圖

2.1熱壓-注塑一體成型工藝流程

熱壓-注塑一體成型工藝為在一副模具上同時完成復合片材的熱壓成型及其功能結構的注塑成型。其主要工藝流程如圖2所示。首先需要對纖維增強復合材料片材進行加熱預處理; 然后，利用高速運作的多軸機械臂將柔軟狀態的復合片材在規定的時間內放入模具中，避免柔軟狀態的片材發生堆疊及起皺;復合片材是在注塑機合模力的作用下完成熱壓成型的同時，熔融狀態的熱塑性樹脂被注射到骨架要求的部位，完成筋、凸臺及塑料與復合板的交疊與包覆。冷卻系統冷卻后，得到一體成型的復合材料制品。該工藝既能發揮纖維增強復合材料的較好特性，又能保證制品主承力部件的剛度及強度，還能利用注塑成型的優勢，快速制造出具有復雜幾何形狀的制品。一體成型取代原熱壓及注塑2個步驟，縮短了生產周期。

(a)取復材板 (b)加熱 (c)放入模具 (d)完成熱壓及注塑 (e)取出復合件

圖2熱壓-注塑一體成型工藝流程圖

2.2 復合構件熱壓-注塑一體成型關鍵技術

熱壓-注塑一體成型工藝的關鍵技術主要由2部分組成，分別為利用熱壓成型工藝制造纖維增強骨架及塑料的注塑包覆成型。這2項關鍵技術組合使熱壓-注塑一體成型技術能夠在復合工藝中實現纖維增強復合材料骨架成型及塑料的包覆成型，充分利用纖維增強樹脂基復合材料的高強度及塑料成型的靈活性，進行復雜承載功能件成型，同時保證了纖維增強樹脂基復合材料與塑料之間具有較好的界面粘接性能。

2.2.1 熱壓成型

熱壓成型是一種重要的制造纖維增強復合材料骨架的方法。該方法是在模壓成形及沖壓成形工藝基礎上開發的一種熱塑性復合材料快速成型工藝。熱壓成型工藝流程如圖3所示，當加熱溫度大于成型溫度時，將復合板轉移至成型模具中，增加壓力，使其貼合模具型腔，冷卻得到最終的骨架。該成型方法可以制造出高強度、高剛度、低密度且具有較好的耐腐蝕性能的纖維增強復合材料骨架，廣泛應用于航空、航天、汽車及體育器材等領域。

(a)復合板預熱 (b)放入模具 (c)熱壓 (d)冷卻成型

圖3熱壓成型工藝流程

2.2.2 注塑包覆成型

熱壓成形工藝能將預制復合板成型為所需骨架，但是，該方法僅限于制造具有簡單曲面形狀、壁厚均勻的板殼類零件，難以滿足零件復雜化及功能化的成型要求。而利用注塑包覆成型(IOM)可以實現復雜構件的一體化成型。例如，高強筋等加強結構、凸臺等定位結構、卡槽等裝配功能結構，能夠充分發揮材料的性能優勢。將熱塑性復合制件嵌入注塑模腔中，然后，在其表面注塑成型聚合物或短纖增強聚合物附件，冷卻固化形成多層復合結構，得到的制品如圖4所示。

(a)注塑過程 (b)復合構件制品

1-模具 2-纖維增強復合材料嵌件 3-注射結構4-注塑機 5-定位孔 6-加強筋7-裝配結構 8-FRP骨架

圖4注塑包覆成型工藝及其制品

3.1 復合構件搭接區域界面粘接強度

熱壓-注塑一體成型工藝將熱壓與注塑包覆相結合，實現了連續纖維增強的樹脂基熱壓部分與注塑結構的緊密組合，熱壓-注塑復合制品搭接區域的界面粘接強度是影響制品質量的關鍵，其直接反映了連續纖維增強的樹脂基熱壓件與注塑件之間的結合情況，影響整個復合件的綜合性能。因此，需要選取與纖維增強樹脂基復合材料相適配的塑料及成型工藝參數，從而保證制品在一定溫度及壓力下能達到預期的強度及穩定性。

3.1.1復合構件搭接區域界面粘接強度的表征

界面粘接性能的表征是表面科學與工程領域的重要組成部分，也是研判及預防界面失效的基本依據。復合構件搭接區域的界面粘接強度的表征可以采用宏觀測試方法及微觀測試方法。

宏觀測試方法主要包括三點短梁彎曲、剝離試驗、偏軸拉伸、導槽剪切、losipescu剪切及諾爾環(NOL)等實驗方法,其中，三點短梁彎曲是反映界面粘接強度最常用的宏觀測試方法。在微觀測試方法主要包括超薄切片法、聚焦離子束、差示掃描量熱法(DSC)、掃描電子顯微鏡及工業CT掃描等方法。采用超薄切片法或聚焦離子束法得到粘接界面層，采用偏光顯微鏡分析晶片厚度與球晶尺寸，利用DSC研究結晶度與結晶速度，系統研究熱壓后注塑過程中非等溫結晶行為對混合界面粘接性能的影響;通過高分辨掃描電鏡表征粘接失效表面失效形式，探究樹脂在非對稱界面互熔滲透與粘接強度的關系;采用工業CT掃描表征纖維在熱壓-注塑界面處的滲透、分布情況，研究界面處纖維密度、纖維缺陷(褶皺、富集)等微觀結構對界面性能的影響。

綜上所述，通過研究兩步成型法制備的復合膜的界面粘接強度，分析不同的工藝參數及處理條件對界面性能的影響。為熱壓-注塑一體成型優化工藝參數、改進材料及結構設計，從而制備出高界面粘接強度的復合制品提供了參考。

3.2 熱壓-注塑一體成型關鍵技術

熱壓-注塑一體成型工藝中的關鍵步驟是將加熱后的薄壁、柔軟態纖維增強復合材料板材由機器人夾持裝置放入模具中。薄壁復合板材由于熱容量較低，其在加熱后迅速冷卻。當復合板材的溫度低于熔融溫度時，熱塑性塑料再結晶，使其凝固，快速的、不均勻的溫度變化導致界面區域的熱應力及熱膨脹力不均勻，從而影響界面粘接強度，降低復合材料的成型性能。因此，將加熱后的柔軟態的薄壁復合板材快速、準確地與模具內的板材夾持機構進行傳遞與定位，是決定熱壓-注塑一體成型制品質量的關鍵環節。

3.2.1 熱態纖維增強復合材料板材的夾持機構

結合熱態纖維增強復合材料板材與模具內的板材夾持機構傳遞問題，Reinhart等介紹了一種與真空技術結合使用的桶形夾持器，該裝置通過低真空抽吸技術，在不破壞纖維增強復合材

料板材結構的情況下傳遞較大的力。該夾持器不僅能提供較好的形狀穩定性，還能有效地防止夾持過程中纖維增強復合材料板材發生折疊、起皺，但是，其溫度絕緣性能較差，因此，當其與纖維增強復合材料板材直接接觸時，夾持區域快速冷卻，影響了界面粘接強度。

由圖5可知，Bruns等開發了可加熱的抓針器，該抓針器是由12個可加熱的夾針組成的機械人夾針器，為加熱后的有機板材提供了較好的形狀穩定性及溫度絕緣性。在大尺寸有機板材的邊緣布置了8個夾針器，中間位置布置了4個夾針器，從而保持有機板材的初始形狀。Bruns等模擬預測了夾針器與有機板材之間的熱傳遞，采用接近熱塑性塑料熔化溫度的夾持器能減少溫度下降，從而降低界面區域的應力集中，改善界面粘接強度，有利于提高復合材料成型的質量及性能。

圖5帶加熱的機器人夾持器與有機板材

1-機器人夾持器 2-有機板材 3-12個針夾4-針塊 5-動模出油口 6-絕緣塊 7-機器

3.2.2 模具中的接料、定位機構

由于熱壓注塑一體成型是利用注塑機的合模力實現纖維片材的熱壓成型，當熱態纖維增強復合材料片材在夾持送進時，模具必須設置接料、定位機構。結合熱態纖維增強復合材料片材在模具中的定位可知，孫文強等提出在模具型腔表面設置若干個定位針，用機械手夾取預熱后的板材，放在定模與動模之間，掛在定位針上，再由氣缸伸縮桿伸出驅動直頂頭將部分板材壓緊在型腔上，完成纖維增強復合材料片材的定位。但是，該定位方法影響了成型制品的表面質量。

兩側油缸分別接通了有壓差的液壓油P1、P2,結合相應溢流閥的溢流作用，夾緊銷在注塑合模的過程中實現了對纖維增強復合材料板材的對頂接料及動態夾持，從而完成加熱后的柔軟態纖維片材的快速接料、夾緊、定位及送進，避免了纖維片材發生折疊及起皺，保證了模具合模精度。為解決定位針掛料較少的問題，張勁松等在動、定模內分別設置油缸驅動的夾緊銷，實現了柔軟態FRP板的定位及夾緊。其結構設計原理如圖6所示。

圖6 熱壓-注塑模具三叉銷定位、夾緊及送料機構原理

(a)定模側油缸帶動夾緊銷 (b)動模側油缸帶動夾緊銷1-油缸缸體 2-定模進油口 3-定模出油口 4-油缸活塞5-動模出油口 6-動模進油口 7-溢流閥 8-油流回油泵

3.2.3 模具的澆注系統

在模具結構設計中，除了需要保證模具穩定可靠性以外，澆注系統的合理設計也能顯著影響熱壓注塑復合制品的成型。在復合注塑成型過程中，2種材料的搭接區域采用導流槽引導塑料完成注塑過程，可以保證塑料注塑到熱壓板材的背面，完成纖維骨架的雙面包覆。

當一體成型的汽車零部件加強筋的長度與其截面積的比值較大時，注塑熔體在充填過程中容易迅速冷卻，出現短射及分層等缺陷。在制造大型復合構件時，澆注系統通常采用多點同時進澆的注塑工藝，但是，在熱壓-注塑一體成型工藝中，由于塑料注射區域的尺寸及形狀不同，成型腔充填不均衡，導致成型缺陷較多，影響了復合構件的界面性能及外觀質量。為保證復合構件各部分充填均衡，一體成型模具通常采用熱流道多澆口順序控制技術，可根據熔料的填充狀態合理地打開或關閉針閥式噴嘴，

精確控制澆口的開啟順序，避免了熔體交匯，有效地減少了熔接痕的產生，提高了注塑成型部分與纖維增強復合材料板材搭接、包覆的質量及注塑部分表面質量。通過導流槽的設計及熱流道多澆口順序技術的應用，纖維板材及塑料的復合注塑過程可以更加精確地控制材料分布及充填狀態，最終實現復合制品的精確成型。

熱壓-注塑一體成型技術實現了一副模具中同時具有熱壓成型工藝與注塑工藝，可同時滿足加工部件的剛度與強度，同時能夠快速制造出具有復雜幾何形狀的制品。一體成型工藝簡化了工藝流程，縮短了成型時間，提高了生產效率，是實現制品輕量化的重要工藝。另外，可以參考國內外的研究成果，開展復合材料熱壓-注塑一體成型技術的研發及應用:

(1)增強熱壓-注塑一體成型工藝的研發，開展復合材料片材熱壓成型與注塑成型工藝研究，逐漸改進工藝、材料及設計，提高復合材料與塑料搭接區域的界面粘接強度。

(2)開發熱壓-注塑一體成型中模具新結構，特別是在復合材料片材的加熱、送料及其在模具中的定位夾緊機構等的研究，主要目的為高效率、低成本成型具有復雜功能結構的制品。