碳纤维复合材料的成型工艺多达数十种，其中热压罐工艺是应用较多、最为常见的一种成型方式。本文从工艺原理、工艺特点、常见问题及对策、典型技术应用等方面对该工艺进行概括性说明，并以无锡威盛新材料有限公司使用热压罐工艺生产的碳纤维汽车电池箱为例，对工艺流程进行详细描述。
1 基本概念
1.1 工艺原理
将碳纤维预浸料按铺层要求铺放于模具上，将毛坯密封在真空袋后放置于碳纤维热压罐中。在真空状态下，经过热压罐设备升温、加压、保温、降温和卸压等程序，利用热压罐内同时提供的均匀温度和均布压力实现固化，从而可以形成表面与内部质量高、形状复杂、面积巨大的碳纤维复合材料制件。
1.2 工艺发展
热压罐工艺是针对第二代复合材料的生产而研制开发的工艺，形成于20世纪40年代，一直到60年代才逐步得到推广使用，后来广泛应用于航空航天、复合材料、电子、兵器、交通、体育装备和新型能源等高新技术领域，尤其是在各种蒙皮类零件的生产中发挥出了巨大的作用，现已成为一种成熟的工艺。由热压罐工艺生产的复合材料制品占整个复合材料制品产量的50%以上，在航空航天领域的比重更是高达80%以上。目前，热压罐工艺作为碳纤维复合材料构件的成型方法之一，也被许多碳纤维复合材料零部件生产厂家大量使用。
1.3 工艺设备
1.3.1 热压罐
热压罐是一种针对聚合物基复合材料成型工艺特点的工艺设备，使用热压罐成型是制造连续纤维增强热固性复合材料制件的主要方法，适用于先进复合材料结构、蜂窝夹层结构及金属或复合材料胶接结构的成型中。一般具有温度和压力控制精度高、结构安全可靠、系统稳定性好、能耗低、操作和维护简单等优点，能实现模块化和系列化，可满足不同领域、不同工艺和不同规格的需求。
1.3.2 设备组成
作为针对碳纤维复合材料固化的系统设备，碳纤维热压罐能实现温度、压力、真空、冷却、循环等工艺参数时序化、实时在线控制。该设备包括以下几个组成部分：
（1）整体结构：由罐体、罐门机构、高温电机、风道板隔热层等形成一个耐高压、高温的罐体。
（2）安全联锁装置：由压力自动联锁、手动联锁、超高压报警装置组成。
（3）快开门装置：手动电动两用快开门设计，停电时能正常开启关闭罐门；
（4）密封装置：罐门采用硅胶充气式密封，耐高压。
（5）压力系统：由压缩机、储气罐、压力控制阀、管路、压力变送器和压力表等组成压力传送与控制系统，罐内压力可达1.5-2.5MPa，误差不大于0.05MPa，设有安全防爆装置。
（6）加热系统：由不锈钢电热管、高温风机、风道板、隔热层、温控系统组成，加热功率满足腔体的最高温度要求及升温速率的要求。
（7）温度循环系统：由循环风机、导风板、导流罩组成，加速热流传导和循环，形成均匀温度场。
（8）真空系统：由真空泵、管路、真空表和真空阀组成，给封装的复合材料预制件提供真空条件，要求有多个真空管接头满足成型工艺要求。
（9）自动控制系统：采用PLC控制系统，实现对压力、温度、冷却等工艺参数的全程高精度控制与实时记录。
1.3.3 热压罐工艺的优点
（1）压力均匀：使用气体加压，压力通过真空袋作用到制品表面，各点法向压力相等，使制件各处在相同压力下固化成型。
（2）温度均匀，可调控：罐内为循环热气流给工件加热，各处温度温差小。同时配置冷却系统，使温度可严格控制在工艺设置范围内。
（3）适用范围广：模具较简单，效率高。既适合于大面积复杂型面的板、壳，也适合于简单形状的板、棒、管、块，还可用于胶接装配，小型件可一次多件同时固化。
（4）成型工艺稳定、可靠：压力、温度均匀，可调可控，使成型或交接制品质量一致、可靠；孔隙率低、树脂含量可控并均匀；加压时可抽真空，使低分子物易于排出。
1.3.4 热压罐工艺的缺点
投资大、成本高，热压罐接轨复杂、造价高，投资大。每次使用时不仅消耗水、电、气等能源，还需要真空袋膜、密封胶条、吸胶粘、隔离布等辅助材料，使生产成本较大幅度增加。
2 生产材料
2.1 预浸料
碳纤维热压罐工艺使用的原材料是碳纤维预浸料，碳纤维预浸料是由碳纤维纱、环氧树脂、离型纸等材料，经过涂膜、热压、冷却、覆膜、卷取等工艺加工而成的复合材料，又名碳纤维预浸布。其优点是强度高、密度小，强度可以达到钢材的6-12倍，密度只有钢材四分之一，可根据模具不同做成任何形状，成型容易，便于加工，而且耐腐蚀，寿命长。
2.2 模具材料
碳纤维热压罐需要模具具有导热快、比热容低、钢度高、质量轻、热膨胀系数小、耐热、热稳定性好、使用寿命长、制造成本低、使用和维护简便、便于运输等特性，特别是良好的导热性、热态刚性和气密性这三方面，同时对模具的设计要求也比较高。以下是在生产实际中，碳纤维复合材料制品厂家采用较多的几种材质：
（1）铝：导热性和加工工艺性好，质量轻，但热膨胀系数相对较大，因为硬度低，易受损伤，所以在使用上会受到一定限制。
（2）钢：加工精度、刚强度和硬度都比较高，使用寿命长，适合大多数产品，缺点是质量大，热容量也高。
（3）铸钢或铸铁：可代替钢降低成本，但各点温差大，表面容易产生砂眼。
2.3 辅助材料
碳纤维热压罐工艺所需要的辅助材料品种繁多、用途各异，而且都属于消耗型，一般只能使用一次，因为用量大，所以成本相对比较高，但是辅助材料的使用对成型质量的控制影响很大。
（1）透气毡：是毛坯中的气体向外流动的通道，能保证复合材料成型的质量。
（2）真空薄膜：具有良好的强度、延展性、耐温性、耐磨性和韧性。使用时，用腻子将成型中的构件密封在模具上，以便形成真空袋.
（3）密封胶带：在常温下具有粘性，高温下密封性好，固化后也容易清理。
（4）吸胶材料：可定量吸出复合材料毛坯中的多余树脂，并有一定透气性能，如吸胶毡、玻璃布、吸胶纸等。
（5）脱模材料：指在复合材料毛坯与模具或盖板之间放置的一层起隔离作用的材料，使毛坯固化后不与之粘附，分为有孔隔离膜、无孔隔离膜、透气膜、透气透胶膜等。
（6）压敏胶带：可在热压罐成型工艺中起定位和固定作用。
（7）档块：限制树脂从构件边缘流动，有助于控制构件的纤维含量。
（8）可剥布：允许挥发分通过，吸收一定量的多余树脂，固化后容易去除，提供可以胶接或喷涂的表面。
（9）脱模剂：目的是使构件固化后方便与模具脱开。
（10）溶剂：用于清洗模具表面。
（11）辅助工具：真空嘴、真空管、热电偶、压辊等。
1 基本概念
1.1 工艺原理
将碳纤维预浸料按铺层要求铺放于模具上，将毛坯密封在真空袋后放置于碳纤维热压罐中。在真空状态下，经过热压罐设备升温、加压、保温、降温和卸压等程序，利用热压罐内同时提供的均匀温度和均布压力实现固化，从而可以形成表面与内部质量高、形状复杂、面积巨大的碳纤维复合材料制件。
1.2 工艺发展
热压罐工艺是针对第二代复合材料的生产而研制开发的工艺，形成于20世纪40年代，一直到60年代才逐步得到推广使用，后来广泛应用于航空航天、复合材料、电子、兵器、交通、体育装备和新型能源等高新技术领域，尤其是在各种蒙皮类零件的生产中发挥出了巨大的作用，现已成为一种成熟的工艺。由热压罐工艺生产的复合材料制品占整个复合材料制品产量的50%以上，在航空航天领域的比重更是高达80%以上。目前，热压罐工艺作为碳纤维复合材料构件的成型方法之一，也被许多碳纤维复合材料零部件生产厂家大量使用。
1.3 工艺设备
1.3.1 热压罐
热压罐是一种针对聚合物基复合材料成型工艺特点的工艺设备，使用热压罐成型是制造连续纤维增强热固性复合材料制件的主要方法，适用于先进复合材料结构、蜂窝夹层结构及金属或复合材料胶接结构的成型中。一般具有温度和压力控制精度高、结构安全可靠、系统稳定性好、能耗低、操作和维护简单等优点，能实现模块化和系列化，可满足不同领域、不同工艺和不同规格的需求。
1.3.2 设备组成
作为针对碳纤维复合材料固化的系统设备，碳纤维热压罐能实现温度、压力、真空、冷却、循环等工艺参数时序化、实时在线控制。该设备包括以下几个组成部分：
（1）整体结构：由罐体、罐门机构、高温电机、风道板隔热层等形成一个耐高压、高温的罐体。
（2）安全联锁装置：由压力自动联锁、手动联锁、超高压报警装置组成。
（3）快开门装置：手动电动两用快开门设计，停电时能正常开启关闭罐门；
（4）密封装置：罐门采用硅胶充气式密封，耐高压。
（5）压力系统：由压缩机、储气罐、压力控制阀、管路、压力变送器和压力表等组成压力传送与控制系统，罐内压力可达1.5-2.5MPa，误差不大于0.05MPa，设有安全防爆装置。
（6）加热系统：由不锈钢电热管、高温风机、风道板、隔热层、温控系统组成，加热功率满足腔体的最高温度要求及升温速率的要求。
（7）温度循环系统：由循环风机、导风板、导流罩组成，加速热流传导和循环，形成均匀温度场。
（8）真空系统：由真空泵、管路、真空表和真空阀组成，给封装的复合材料预制件提供真空条件，要求有多个真空管接头满足成型工艺要求。
（9）自动控制系统：采用PLC控制系统，实现对压力、温度、冷却等工艺参数的全程高精度控制与实时记录。
1.3.3 热压罐工艺的优点
（1）压力均匀：使用气体加压，压力通过真空袋作用到制品表面，各点法向压力相等，使制件各处在相同压力下固化成型。
（2）温度均匀，可调控：罐内为循环热气流给工件加热，各处温度温差小。同时配置冷却系统，使温度可严格控制在工艺设置范围内。
（3）适用范围广：模具较简单，效率高。既适合于大面积复杂型面的板、壳，也适合于简单形状的板、棒、管、块，还可用于胶接装配，小型件可一次多件同时固化。
（4）成型工艺稳定、可靠：压力、温度均匀，可调可控，使成型或交接制品质量一致、可靠；孔隙率低、树脂含量可控并均匀；加压时可抽真空，使低分子物易于排出。
1.3.4 热压罐工艺的缺点
投资大、成本高，热压罐接轨复杂、造价高，投资大。每次使用时不仅消耗水、电、气等能源，还需要真空袋膜、密封胶条、吸胶粘、隔离布等辅助材料，使生产成本较大幅度增加。
2 生产材料
2.1 预浸料
碳纤维热压罐工艺使用的原材料是碳纤维预浸料，碳纤维预浸料是由碳纤维纱、环氧树脂、离型纸等材料，经过涂膜、热压、冷却、覆膜、卷取等工艺加工而成的复合材料，又名碳纤维预浸布。其优点是强度高、密度小，强度可以达到钢材的6-12倍，密度只有钢材四分之一，可根据模具不同做成任何形状，成型容易，便于加工，而且耐腐蚀，寿命长。
2.2 模具材料
碳纤维热压罐需要模具具有导热快、比热容低、钢度高、质量轻、热膨胀系数小、耐热、热稳定性好、使用寿命长、制造成本低、使用和维护简便、便于运输等特性，特别是良好的导热性、热态刚性和气密性这三方面，同时对模具的设计要求也比较高。以下是在生产实际中，碳纤维复合材料制品厂家采用较多的几种材质：
（1）铝：导热性和加工工艺性好，质量轻，但热膨胀系数相对较大，因为硬度低，易受损伤，所以在使用上会受到一定限制。
（2）钢：加工精度、刚强度和硬度都比较高，使用寿命长，适合大多数产品，缺点是质量大，热容量也高。
（3）铸钢或铸铁：可代替钢降低成本，但各点温差大，表面容易产生砂眼。
2.3 辅助材料
碳纤维热压罐工艺所需要的辅助材料品种繁多、用途各异，而且都属于消耗型，一般只能使用一次，因为用量大，所以成本相对比较高，但是辅助材料的使用对成型质量的控制影响很大。
（1）透气毡：是毛坯中的气体向外流动的通道，能保证复合材料成型的质量。
（2）真空薄膜：具有良好的强度、延展性、耐温性、耐磨性和韧性。使用时，用腻子将成型中的构件密封在模具上，以便形成真空袋.
（3）密封胶带：在常温下具有粘性，高温下密封性好，固化后也容易清理。
（4）吸胶材料：可定量吸出复合材料毛坯中的多余树脂，并有一定透气性能，如吸胶毡、玻璃布、吸胶纸等。
（5）脱模材料：指在复合材料毛坯与模具或盖板之间放置的一层起隔离作用的材料，使毛坯固化后不与之粘附，分为有孔隔离膜、无孔隔离膜、透气膜、透气透胶膜等。
（6）压敏胶带：可在热压罐成型工艺中起定位和固定作用。
（7）档块：限制树脂从构件边缘流动，有助于控制构件的纤维含量。
（8）可剥布：允许挥发分通过，吸收一定量的多余树脂，固化后容易去除，提供可以胶接或喷涂的表面。
（9）脱模剂：目的是使构件固化后方便与模具脱开。
（10）溶剂：用于清洗模具表面。
（11）辅助工具：真空嘴、真空管、热电偶、压辊等。
