CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic)，碳纖維增強復合材料，俗稱「碳纖維」。

碳纖維增強復合材料的成型工藝主要分為三步：成型、固化、脫模。

前期的準備工作包括： 模具準備、膠液配制、碳纖維織物的準備。

我們講「碳纖維」很貴，其實指的是以「碳纖維增強復合材料」原材料所加工出來的零部件的價格很貴。而貴，則是因為「材料成本」和 「工藝成本」比較高。

「碳纖維增強復合材料」就是「碳纖維」材料按一定的方向排布，并使用粘合聚合材料所形成的材料。粘合聚合物通常是熱固性樹脂，例如環(huán)氧樹脂，有時也會使用其它熱固性或熱塑性聚合物，例如聚酯，乙烯基酯或尼龍。除碳纖維外，復合材料還可含有芳族聚酰胺，超高分子量聚乙烯，鋁或玻璃纖維。最終「碳纖維增強復合材料」產品的性質也可受到引入結合基質的添加劑類型的影響。

碳纖維織物的不同排布方式

碳纖維增強復合材料的最基本構成單元是碳絲（Carbon Fiber Filament），碳絲的基本原材料是預聚物（Prepolymer）聚丙烯腈（PAN），人造絲或石油瀝青。然后通過化學和機械的方法使碳絲成為碳纖維織物，用于碳纖維制件。

碳絲示意圖

碳纖維增加復合材料制品主要因工藝不同而不同，碳纖維增強復合材料成型方法有很多種：

手糊成型法：

分為干法（預浸料鋪疊）和濕法（纖維織物和樹脂膠交替使用）。手糊成型也用于制備預浸料毛坯，以用于模壓等二次成型工藝中。這是將碳纖維布片層壓成在模具上，從而形成最終產品的方法。通過選擇織物纖維的排列和編織以優(yōu)化所得材料的強度和剛度性質。然后用環(huán)氧樹脂填充模具并加熱或空氣固化。這種制造方法常用于非受力性零件，比如引擎蓋。

手糊成型示意圖

真空成型法：

針對鋪疊而成的預浸料，需要通過一定工藝施加壓力使其緊貼模具，在一定溫度和壓力下固化成型。真空袋法利用真空泵將成型袋內抽成真空，使袋與模具之間的負壓形成壓力，從而讓復合材料緊貼模具。在真空袋法的基礎上，后來又衍生出了真空袋-熱壓罐的成型方法。相比只使用真空袋的方法，熱壓罐可以提供更高的壓力，并且對制件進行加熱固化（代替了自然固化的過程），這樣的制件結構更加緊實，表面質量更好，能夠有效地消除氣泡（氣泡會很大程度上影響制件的強度）整體質量更高。實際上，真空袋法的過程，跟手機貼膜有異曲同工之妙，消除氣泡是一大主要任務。

真空成型原理示意圖

壓縮成型法：

壓縮成型是一種有利于批量化、大規(guī)模生產的成型辦法。模具通常由上下兩件制成，我們稱之為陽模和陰模。成型過程是將預浸料鋪疊而成的毛坯放入金屬對模中，在一定的溫度和壓力作用下，使毛坯在模腔內受熱塑化、受壓流動并充滿模腔，再而成型固化獲得制品。然而，由于模具需要非常高精度的CNC加工，因此該方法相比前幾種具有更高的初始成本。

壓縮成型原理示意圖

纏繞成型：

對于形狀復雜或者呈旋轉體形狀的制件，可以使用細絲卷繞器通過將細絲纏繞在心軸或芯上的方法來制件，當纏繞完成后固化并除去芯模就可獲得制品。比如懸架系統(tǒng)使用的管狀節(jié)臂就可以使用這種方法制成。

纏繞成型原理示意圖

樹脂傳遞模塑成型：

樹脂傳遞模塑（Resin Transfer Moulding，RTM）是目前比較熱門的一種成型方法。其基本步驟為：

1. 將準備好的的碳纖維織物坯件放置在模具中，并閉合模具。
2. 將液體熱固性樹脂注入其中，浸潤增強材料并固化。

樹脂傳遞模塑成型原理示意圖

總的來說，「材料成本」首當其沖，相比傳統(tǒng)的金屬材料，碳纖維增強復合材料所使用的碳絲和樹脂材料的成本就很高。其次， 「工藝成本」也相當昂貴。相比傳統(tǒng)的鑄造、鍛造等金屬加工工藝，碳纖維增強復合材料的工序更加復雜、難度更大，人力、設備成本也水漲船高。除此之外，碳纖維增強復合材料的制件后處理工藝也會更復雜，包括制件的噴涂工藝、安裝等。

但是，昂貴的價格，并不能阻止碳纖維增強復合材料越來越廣泛的應用。與傳統(tǒng)金屬材料相比，碳纖維材料在強度、剛度、抗沖擊性能上有相對優(yōu)勢，在單位重量上的絕對優(yōu)勢，成為其在賽車領域被廣泛應用的主要原因。

碳纖維增強復合材料在賽車領域的最核心應用就是使用在Formula 1上的單體殼車身（Monocoque）。邁凱倫車隊在1980年率先開始在底盤上應用碳纖維材料。1983年，邁凱倫車隊成為第一支在Formula 1賽場使用碳纖維材料單體殼底盤車身的車隊，他們將這項技術應用于McLaren MP4/1C。從此之后，這項技術就再也沒有離開過F1賽場，并在賽車領域繼續(xù)拓展應用。比如碳纖維材料的變速箱殼體、碳纖維材質的懸架A臂等等。

McLaren MP4/1C單體殼車身

隨著碳纖維成型技術的不斷發(fā)展，碳纖維增強復合材料的成本得到了進一步的控制，雖然相比傳統(tǒng)的沖壓、鑄造、機加工工藝成本依然偏高，但由于其特殊的性能，在民用車上應用越來越廣泛。尤其是近些年來，電動汽車和混合動力汽車的發(fā)展又給碳纖維增強復合材料提供了更寬廣的用武之地。比如前些年的BMW i8和最近將要國產上市的Polestar 1。

BMW i8

Polestar 1上使用的碳纖維增強復合材料，其強度達到了T700級，在這一級別的材質中，每1平方米的碳纖維絲可承受的拉力高達4.9Gpa，相當于4.9萬倍的大氣壓強。這類材質目前被廣泛應用于航空航天領域，例如中國一些大型固體火箭發(fā)動機上的結構件就采用了這類材質。而在一些民用飛機的二級結構件中，經常采用的則是相對強度低一些的T300級碳纖維材質。

碳纖維增強復合材料被大規(guī)模使用在Polestar 1上。在車身外部，包括發(fā)動機罩、擋泥板、后擋板、行李箱蓋、側板、車門和整個車頂結構。在車輛內部，包括整流罩（車架的前部）和位于后座的包裹架。大量CFRP零部件的使用，有助于推動一款GT轎跑的輕量化工作，同時降低整車重心，加強抗扭剛度。

Polestar 1車身結構示意圖

從歷史角度來講，「碳纖維增強復合材料」已經是久經淬煉的“老技術”。但在新的技術變革的今天，這樣的技術會派上新用場，煥發(fā)出新的光彩，并在民用領域大展拳腳。