復合材料加工與應用技術(shù)專(zhuān)業(yè)學(xué)生主要學(xué)習復合材料加工與應用的基礎理論，接受復合材料加工的初步訓練，要求畢業(yè)生具有一定復合材料產(chǎn)品設計、復合材料加工及成型加工設備操作和維護能力。復合材料加工與應用技術(shù)專(zhuān)業(yè)培養具有一定復合材料加工能力，具備成型加工設備的操作、維護和管理能力，適應生產(chǎn)、建設、管理、服務(wù)等一線(xiàn)需要的高素質(zhì)技能型專(zhuān)門(mén)人才。
復合材料加工與應用技術(shù)專(zhuān)業(yè)就業(yè)方向
復合材料原材料生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)操作、技術(shù)改進(jìn)、過(guò)程管理、銷(xiāo)售等崗位; 復合材料生產(chǎn)及加工企業(yè)的復合材料成型加工、設備操作、性能檢測、工藝設計、生產(chǎn)過(guò)程管理、車(chē)間管理等崗位。還可以去復合材料風(fēng)電葉片生產(chǎn)加工企業(yè)的玻璃鋼風(fēng)電葉片加工、設備操作、性能檢測、工藝設計、生產(chǎn)過(guò)程管理、車(chē)間管理等崗位;高分子材料生產(chǎn)企業(yè)的高分子材料的生產(chǎn)、成型加工、設備操作和性能檢測。
復合材料加工與應用技術(shù)專(zhuān)業(yè)就業(yè)前景
復合材料加工與應用技術(shù)是現如今新興專(zhuān)業(yè)，目前我國復合材料加工與應用方面的人才非常貧乏，需要大量該方面的人才，所以也就是復合材料加工與應用技術(shù)專(zhuān)業(yè)的畢業(yè)生將來(lái)的就業(yè)前景是非常樂(lè )觀(guān)的，就目前來(lái)看，就業(yè)單位主要是國企。復合材料與加工貌似沒(méi)有很對口的證書(shū)�；瘜W(xué)分析工的證書(shū)用途比較大，對于女生�？梢栽趯�(shí)驗室分析檢驗的工作。其他的等到工作地點(diǎn)，還會(huì )有具體的工作人員教你如何操作，那些證書(shū)用處也并不很大。
熱塑性復合材料加工技術(shù)現狀、應用及發(fā)展趨勢
熱塑性復合材料具有密度低、強度高、加工快、可回收等突出特點(diǎn)，屬于高性能、低成本、綠色環(huán)保的新型復合材料，已部分替代價(jià)格昂貴的工程塑料、熱固性復合材料以及輕質(zhì)金屬材料(鋁鎂合金)，在飛機、汽車(chē)、火車(chē)、醫療、體育等方面有廣闊應用前景。本文概述了熱塑性復合材料的種類(lèi)、結構和性能特點(diǎn)，并詳細介紹了國內外最新加工技術(shù)、應用、發(fā)展趨勢，以及未來(lái)面臨的障礙和挑戰。
樹(shù)脂基復合材料主要分為兩種類(lèi)型：熱固性復合材料(FRP)和熱塑性復合材料(FRT)，其中，FRT具有密度低、強度高、抗沖擊好、抗疲勞好、可回收、加工成型快、造價(jià)低等突出特點(diǎn)，屬于高性能、低成本、綠色環(huán)保的新型復合材料，已廣泛應用在電子、電器、飛機、汽車(chē)、火車(chē)、能源、船舶、醫療器械、體育運動(dòng)器材、建筑、軍工等工業(yè)產(chǎn)品，近年，隨著(zhù)各國對節能減排、環(huán)保等要求的不斷提高，FRT獲得更快速發(fā)展，相關(guān)新材料、新技術(shù)、新設備不斷涌現。
基本種類(lèi)
根據制品中最大纖維保留尺寸大小，FRT(GFRT和CFRT)可分為：(1)非連續纖維增強熱塑性復合材料(N-CFT)，包括短切纖維增強工程塑料(SFT，最大纖維保留尺寸0.2-0.6mm);(2)長(cháng)纖維增強熱塑性復合材料(LFT-G，LFT-D，最大纖維保留尺寸5-20mm);(3)連續纖維增強熱塑性復合材料(CFT，最大纖維保留尺寸>20mm)。
采用傳統成型工藝“注塑及模壓”可以實(shí)現N-CFT非結構件或半結構部件的制造(如汽車(chē)部件)，盡管與CFT相比，機械力學(xué)性能相差較大，但是能夠滿(mǎn)足一般民用工業(yè)產(chǎn)品的性?xún)r(jià)比使用要求，因此市場(chǎng)容量巨大，發(fā)展速度快，制造技術(shù)與應用相對成熟。
LFT碳纖維復合材料發(fā)展較快，美國RTP、美國泰科納(Ticona)、日本川畸(Kawasaki)、沙伯基礎工業(yè)(Sabic)等國外公司己實(shí)現LFT碳纖維復合材料工業(yè)化生產(chǎn)，并應用在需求高強度、輕量化的汽車(chē)非結構零部件，用以替代部分鋁合金材料零部件，同時(shí)還具有導電、導熱、耐磨、電磁屏蔽等特殊功能，已成為國內外改性塑料公司爭先開(kāi)發(fā)的新領(lǐng)域。2012年北京納盛通公司(NST)采用自主創(chuàng )新的專(zhuān)利技術(shù)實(shí)現LFT碳纖維復合材料(粒材)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，并應用在風(fēng)電葉片、LED顯示模塊支架、電動(dòng)汽車(chē)輪轂等產(chǎn)品中。
CFT是一種具有更高性能的輕量化新材料，也是近年來(lái)技術(shù)發(fā)展最快的復合材料之一，可分為四種類(lèi)型：1)連續單絲纖維單向排列的CFT(又稱(chēng)單向連續纖維增強熱塑性復合材料預浸帶)，如美國歐文斯科寧(OCV)公司開(kāi)發(fā)的連續單絲玻纖增強熱塑性浸漬PP帶。2)玻璃纖維氈增強熱塑性復合材料(GMT)。天津工業(yè)大學(xué)董衛國發(fā)明了更輕質(zhì)的針刺玻纖氈增強PP熱塑性復合材料(S-GMT);3)連續纖維編織布增強熱塑性復合材料(2D-CFT)，包括前浸漬和后浸漬、原應聚合浸漬、混合纖維紗浸漬等各種先進(jìn)浸漬工藝技術(shù)與復合制備方法，提高了兩相界面結合強度與力學(xué)性能;4)多角度、多相復合結構的連續纖維編織布增強熱塑性復合材料(3D-CFT)，包括編織物(帶、布、氈)結構、三明治夾層實(shí)心結構與三明治夾心發(fā)泡結構、Z型多層立柱結構等新型CFT復合材料結構設計，以及熱塑性樹(shù)脂基體的“原位”和“離位”增強增韌、結構/功能一體化的設計與全自動(dòng)化智能制造技術(shù)發(fā)展，從而提高高性能連續碳纖維增強熱塑性復合材料(CFRT)的綜合性能。
新加工技術(shù)
注射浸漬成型技術(shù)
根據不同CFT的特性，熔融、預浸、成型等成型階段對設備和加工工藝都有特定的技術(shù)要求。熱塑性樹(shù)脂基體粘度高、浸潤纖維難，因此熱塑性預浸料制備是CFT與相關(guān)產(chǎn)品制備技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)與難點(diǎn)。
2013年，注塑機制造商恩格爾(Engel)成功研發(fā)原位聚合反應的注射浸漬成型技術(shù)(In situ T-RTM)，使用注塑工藝技術(shù)將單體原位聚合與連續纖維的熱熔浸漬過(guò)程同步完成，實(shí)現自動(dòng)化、可控化、高效率的熔融浸漬過(guò)程與復合成型過(guò)程一體化，減少工藝流程、提高產(chǎn)品性能。原理是將低粘度系數的單體ɛ-己內酰胺(或CBT，環(huán)氧烷)在高速低壓下注射到連續纖維(GF、CF)周?chē)�，然后在模具中單體原位聚合反應生成PA6，隨后注塑進(jìn)入模具中成為產(chǎn)品或制件，成型時(shí)間為60-120秒。因類(lèi)似熱固性復合材料(FRP)成型過(guò)程的RTM工藝技術(shù)原理，故又稱(chēng)為熱塑性聚合物樹(shù)脂成型的RTM工藝技術(shù)(即T-RTM)。與熱固性HP-RTM相比，優(yōu)勢在于：(1)原材料和制造成本低;(2)部件的抗沖擊韌性更優(yōu)越;(3)產(chǎn)品易于回收再利用，且具有可焊接性;(4)樹(shù)脂基體粘度低似水，更容易連續纖維(帶、布、氈)的浸漬過(guò)程與提高效率。
間隙浸漬技術(shù)(GIT)
2014年3月德國C.Hopmann教授發(fā)明的反應注射加壓間隙浸漬成型技術(shù)(GIT)獲得德國國家塑料工業(yè)大獎。這種工藝技術(shù)具有通用性好，適合熱固性/熱塑性樹(shù)脂基體復合體系，成型時(shí)間快(2-5分鐘)、成型溫度低(120-150℃)、模具加壓壓力大(>25bar)，同時(shí)操作相對簡(jiǎn)易、可控性好、穩定性好，設備投資成本低，易于制件實(shí)現大批量自動(dòng)化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，較適用于制造光滑曲面要求，又是非復雜3D結構的汽車(chē)結構零部件。
GIT技術(shù)也可適用于熱固性樹(shù)脂HP-RTM工藝，在真空模腔內可調節較高的模壓壓力和成型溫度，以及經(jīng)過(guò)兩個(gè)注射RTM工藝過(guò)程用于制備大型汽車(chē)零部件，故又稱(chēng)為高壓注射RTM-HP-RTM工藝技術(shù)。2012年德國大眾汽車(chē)公司用GIT技術(shù)生產(chǎn)制造轎車(chē)CFRP引擎蓋。
連續運行雙帶滾輪等靜壓技術(shù)(DBP)
連續運行雙帶滾輪等靜壓技術(shù)(DBP)可實(shí)現高速的熱塑性預浸帶和半成品片材的加工成型。DBP恒溫壓力機可對兩種或兩種以上的單層編織物(布)與兩種或多種熱塑性樹(shù)脂基體薄膜(0.01-2mm)進(jìn)行熱熔融復合，并施以均勻的等靜壓力，同時(shí)加熱塑化、冷卻，在各個(gè)點(diǎn)上的抗拉伸和扭曲強度等可保持基本一致，可滿(mǎn)足不同CFT熱塑性片材生產(chǎn)。DBP技術(shù)優(yōu)勢：1)高溫、高壓和高速運行—體化完成;2)根據CFT所需溫度變化，分別對上部和底部的每一個(gè)單獨區域進(jìn)行溫度變化自動(dòng)實(shí)時(shí)的精確控制;3)加壓區在維持等靜壓力的同時(shí)分別進(jìn)行加熱和冷卻過(guò)程處理，消除內應力。
熱塑性預浸料(片材)的深加工技術(shù)
CFT熱塑性預浸料(片材)常見(jiàn)成型方法：注塑成型，工藝簡(jiǎn)單，批量生產(chǎn);水輔注射成型，比氣體輔助注射成型周期更短;熱壓成型，在高壓、高溫下用于低應變率制件的制備方法，可以形成高密度和緊密實(shí)的CFT;真空加熱成型，需要用CFT熱塑性預浸料片材經(jīng)過(guò)真空加熱模具、保溫保壓，再冷卻后脫模成型;冷膜模壓成型(CDF)，是基于加熱模壓成型技術(shù)發(fā)展的一種新技術(shù)，可提高CFT量產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量，CFT熱塑性預浸料固定在一個(gè)凹陷的內模，并放置在紅外加熱室，聚合物背襯料固定在預浸料表面加熱到需要的成型溫度，并加壓和通惰性氣體或真空下成型，溫度下降后再從模具中取出。市場(chǎng)上已利用冷隔膜模壓成型技術(shù)制作直升飛機CFRT外殼，還有GFRT熱塑性預浸帶(絲)纏繞成型和熱擠出板材等工藝技術(shù)制造輸送管道與建筑板材。
纖維預浸帶(絲)的全自動(dòng)化鋪放技術(shù)
自動(dòng)纖維鋪放技術(shù)是飛機復合材料構件自動(dòng)化成型的關(guān)鍵制造技術(shù)之一，可分為：自動(dòng)纖維預浸帶(絲)鋪放技術(shù)和自動(dòng)纖維帶鋪放技術(shù)。前者適用于平面型或低曲率的曲面型，或者說(shuō)準平面型復合材料構件的鋪層制造;后者綜合了自動(dòng)纖維纏繞與自動(dòng)纖維預浸帶(絲)鋪放技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現復雜曲面型CFT熱塑性纖維預浸帶(絲)的鋪層與制造。
CFT自動(dòng)纖維預浸帶(絲)鋪放技術(shù)可以用于加工的原料通常為連續玻纖或碳纖維的單向增強熱塑性復合材料預浸帶(絲)。在自動(dòng)纖維預浸帶(絲)鋪放過(guò)程中，以碳纖維增強熱塑性樹(shù)脂基預浸絲或預浸帶為加工對象，結合原位固化技術(shù)來(lái)生產(chǎn)飛機復合材料構件，是飛機制造業(yè)一個(gè)重要發(fā)展趨勢，據報道已應用到空客A380和A350中。除熱塑性樹(shù)脂具有良好的可焊接性、抗沖擊韌性高、可循環(huán)使用性、抗化學(xué)腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)外，原位固化新技術(shù)與常用的熱壓罐技術(shù)相比，還具有不受加工場(chǎng)地、零件尺寸大小和外觀(guān)形狀限制等優(yōu)點(diǎn)，據文獻報道，原位固化成型技術(shù)加工的纖維預浸帶(絲)鋪層層間強度為高壓固化成型加工的89-97%。
CFT熱塑性預浸料的纖維預浸帶(絲)鋪放技術(shù)是未來(lái)構件制造發(fā)展的一個(gè)重要方向。發(fā)展的主要制約因素：(1)適合碳纖維單向增強熱塑性復合材料預浸絲帶(絲)的自動(dòng)生產(chǎn)化的低粘度和超低粘度的樹(shù)脂品種少。目前，少量這類(lèi)CFRT預浸絲或預浸帶可通過(guò)實(shí)驗室制作，但質(zhì)量不穩定，不利于纖維預浸帶(絲)鋪放工藝與鋪層特性研究;(2)自動(dòng)化的CFT熱塑性纖維預浸帶(絲)鋪放設備缺乏。2014年，北京納盛通領(lǐng)先研發(fā)成功國內自主開(kāi)發(fā)的一條碳纖維單向排列增強熱塑性復合材料預浸帶生產(chǎn)線(xiàn)，并用于制造IT電子、體育運動(dòng)器材等產(chǎn)品。
3D打印制造技術(shù)
據報道，2012年美國橡樹(shù)嶺實(shí)驗室已經(jīng)研發(fā)出高強度CFRT的3D打印技術(shù)。該技術(shù)使用的基體為聚醚酰亞胺(PI)與及其它樹(shù)脂材料，特別可以由3D打印CFRT汽車(chē)機械部件。在英國，3D打印的新型導電CFRT部件可以應用在IT電子產(chǎn)品中，使產(chǎn)品的制造成本大大降低。
新應用及趨勢
FRT(GFRT和CFRT)是當前最有發(fā)展前途的高性能汽車(chē)輕量化材料之一，相比傳統非可再生的FRP和鋁鎂金屬材料，價(jià)格也更具有競爭力，同時(shí)又具有復合材料和制件的結構設計與成型制造一體化完成的突出優(yōu)勢，更加節能與環(huán)保。近期，國際知名市場(chǎng)咨詢(xún)調研公司Lux Research發(fā)布最新報告指出，從2015年至2025年，碳纖維復合材料(CFRT和CFRP)將有望成為全球汽車(chē)市場(chǎng)的主流使用關(guān)鍵材料，市場(chǎng)價(jià)值估算達到60億美金。
FRT不但是汽車(chē)工業(yè)優(yōu)選的輕量化材料，近年來(lái)傳統使用FRP的航空工業(yè)也開(kāi)始高度關(guān)注與研發(fā)CFRT應用的可行性�？湛凸驹贏(yíng)350XW問(wèn)世之前，投入巨資研發(fā)CFRT和部件制造技術(shù)，己經(jīng)有超過(guò)1500個(gè)不同的飛機零部件采用CFRT生產(chǎn)，如連續編織物CF/PPS復合材料艙門(mén);美國隱身戰斗機上也采用CF/PEEK復合材料制造非金屬緊固件，起到很好的吸收電磁波，達到隱身效果。
FRT也己經(jīng)成為建筑行業(yè)的新寵。GFRT建筑模板、下水槽的GFRT蓋板、CFRT建筑柱加固等都得到廣泛應用。最近，Fiberlite公司采用連續玻璃纖維編織布GFRT模壓制造彩色井蓋，獲得普遍歡迎。
連續纖維增強技術(shù)在汽車(chē)FRT應用需求巨大，特別是CFRT更加廣泛，巴斯夫(BASF)、塞拉尼斯(Celanese)、RTP、普立萬(wàn)(Polyone)、沙伯基礎工業(yè)、帝斯曼(DSM)、杜邦(Dupont)、艾曼斯(EMS)、米拉克龍(Milacron)、阿博格(Arburg)、恩格爾、克勞斯瑪菲、Diffenbacher、Vision等國際化工、成型設備、模具、在線(xiàn)檢測、產(chǎn)品設計公司等分別或聯(lián)合推出FRT(GFRT和CFRT)汽車(chē)零部件、產(chǎn)品在線(xiàn)檢測工具，并且形成一個(gè)完整的從技術(shù)研發(fā)、自動(dòng)化生產(chǎn)與裝備、在線(xiàn)測試、產(chǎn)品設計等系列配套的完整產(chǎn)業(yè)鏈。2012年，寶馬(BMW)公司與西格里(SGL)碳纖維公司的合資公司推出的BMWi3和BMWi8純電動(dòng)汽車(chē)成功采用了大量的碳纖維復合材料(CFRP和CFRT)，用以制造汽車(chē)內外飾關(guān)鍵承受力零部件，推動(dòng)了碳纖維復合材料的在汽車(chē)中的應用。
2013年德國朗盛公司收購CFT國際領(lǐng)先的Bond Laminates公司，正式進(jìn)入汽車(chē)輕量化的復合材料生產(chǎn);2014年德國拜耳公司收購TCG復合材料公司，從而進(jìn)入高性能的連續纖維增強PC熱塑性復合材料(片材)生產(chǎn)，制造具有密度小、超薄化、輕量化的連續纖維熱塑性預浸料(CFT);2014年日本東麗碳纖維公司與美國通用汽車(chē)公司合作開(kāi)發(fā)了CFRT汽車(chē)部件，正在進(jìn)行投入量產(chǎn)前的最終測試。
2014年9月，全球領(lǐng)先的CFRP制造商-西格里集團宣布，為適合新型CFRT的相容性碳纖維專(zhuān)門(mén)研究開(kāi)發(fā)出了一種新的上漿系統，并且在蘇格蘭Muir of Ord生產(chǎn)基地正式投產(chǎn)，全部產(chǎn)品應用在汽車(chē)行業(yè)。
FRT己成為國際上熱門(mén)的前沿技術(shù)發(fā)展方向。未來(lái)發(fā)展趨勢將呈現如下特點(diǎn)：1)多專(zhuān)業(yè)、跨行業(yè)、上下游全產(chǎn)業(yè)鏈一體化的聯(lián)合開(kāi)發(fā)己經(jīng)成為一種有效的、快速的、互惠共利的協(xié)同發(fā)展模式;2)新技術(shù)、新工藝、新設備趨向更加成熟與廣泛應用;3)FRT材料數據庫建立、產(chǎn)品結構設計與計算機仿真CAE技術(shù)廣泛應用;4)輕質(zhì)、高強、環(huán)保、低成本的連續碳纖維熱塑性復合材料(CFRT)在新能源電動(dòng)汽車(chē)上將優(yōu)先獲得應用。
FRT雖然具有上述種種突出優(yōu)勢，但是在生產(chǎn)和應用中仍存在許多問(wèn)題：(1)纖維編織物(絲、帶、氈)中的纖維各向異性分布與有效控制差，將導致制品不同位置的力學(xué)性能不一致;(2)低粘度、高流動(dòng)的熱塑性樹(shù)脂基體開(kāi)發(fā)與改性技術(shù)缺少，品種單一，價(jià)格偏高;(3)樹(shù)脂基體與纖維(GF/CF)的界面粘合強度仍需要進(jìn)一步提高，以及加強界面(相)結構設計與控制技術(shù);(4)FRT制件與金屬材料(構件)的各種連接技術(shù)與綜合疲勞性能評價(jià)缺少;(5)低成本、低能耗、高效率、自動(dòng)化的FRT生產(chǎn)裝備技術(shù)開(kāi)發(fā)與工程應用缺少;(6)沒(méi)有建立FRT與制件(如汽車(chē)零部件)的行業(yè)(國家)測試標準與評價(jià)標準。就中國國內而言，FRT企業(yè)的制備技術(shù)水平與歐美國家相比仍然還有較大的差距，缺少專(zhuān)業(yè)人才，協(xié)同研發(fā)創(chuàng )新不足，特別是在制備工藝技術(shù)和生產(chǎn)裝備制造技術(shù)上還需要下大功夫提高與改進(jìn)。