《Fibers》：Research Progress on Advanced Molding Technologies for Carbon Fiber-Reinforced Polymer Composites: Defect Control and Process Optimization
碳纤维增强聚合物（Carbon Fiber-Reinforced Polymer, CFRP）复合材料因其优异的比强度（specific strength）、比模量（specific modulus）及轻量化潜力，在航空航天、新能源汽车和风电等领域需求迫切。然而，由其各向异性及弱层间结合特性导致的成型缺陷（如孔隙（void）、干斑（dry spot）和分层（delamination）等）严重制约了其服役性能，先进成型技术是克服该瓶颈的关键。研究人员系统综述了CFRP复合材料领域的典型先进成型技术，包括液体复合成型中的树脂传递模塑（Resin Transfer Molding, RTM）和真空辅助树脂传递模塑（Vacuum-Assisted Resin Transfer Molding, VARTM）、预浸料成型中的热压罐（autoclave）成型和模压成型（Compression Molding, CM），以及自动化成型中的自动纤维铺放（Automated Fiber Placement, AFP）和材料挤出（Material Extrusion, ME）。研究从"技术演进—工艺特性—缺陷机制—优化策略"的整合视角出发，总结了各工艺的技术原理、发展轨迹和核心优势，分析了孔隙、干斑、分层、褶皱（wrinkle）、翘曲（warpage）和熔体不稳定（melt instability）等典型缺陷的形成机制，并归纳了工艺参数调控、数值模拟、树脂改性、设备升级、路径规划和热管理等多维优化进展。此外，研究比较了各工艺在成型精度、效率、成本和适用范围等方面的差异性与互补性。最后，研究探讨了数字孪生（digital twin）、绿色低碳制造、超大整体结构、多工艺融合、标准化缺陷表征和低成本协同设计等未来发展方向，旨在为先进CFRP成型技术的优化升级、工艺融合和产业化应用提供系统的理论参考和技术支撑。
1 引言
CFRP复合材料凭借高比强度、高比模量、低热膨胀系数及优异的耐腐蚀性等优势，已成为航空航天、新能源汽车和风电装备等高端制造领域轻量化升级的关键材料。自20世纪60年代聚丙烯腈（Polyacrylonitrile, PAN）基碳纤维工业化以来，CFRP的应用场景已从最初的军用及高端体育用品扩展至航空器机身段、发动机舱及航天器热防护组件等航空航天领域部件，新能源汽车电池包盖板及车身框架，以及风电机组主梁等领域。据先进碳材料理事会（Advanced Carbons Council, ACC）统计，全球CFRP市场预计2030年将超过1000亿美元，凸显了其在轻量化制造体系中的核心地位和未来产业框架中的巨大发展潜力。
然而，CFRP的优越性能与其成型工艺的复杂性紧密关联。CFRP通常含50–70 wt.%碳纤维（来源于PAN基、沥青基或人造丝基前驱体）和30–50 wt.%基体。在等承载条件下，CFRP较钢或铝合金等金属 counterparts 可实现30–50%的结构减重。微观层面，碳纤维的类石墨层状结构赋予其优异的轴向力学性能，而纤维与基体间以范德华力为主的界面结合导致其层间剪切强度相对较低。因此，成型和使用过程中易产生孔隙、干斑、分层、褶皱、翘曲和熔体不稳定等缺陷，严重制约其在主承力结构中的可靠应用。为克服该瓶颈，界面改性技术（如等离子体处理和硅烷偶联剂改性）及结构优化设计（2D层压、2.5D针刺和3D编织结构）逐步发展，为先进成型工艺的应用奠定了基础。
CFRP成型技术可分为传统成型技术（手糊成型、喷射成型等）和先进成型技术。传统技术虽具有成本低、操作简便的优势，但存在加工效率低、缺陷率高（孔隙含量通常>5%）和表面质量差等固有限制，即便通过超声辅助、多材料集成或喷枪改进等优化措施，仍难以满足高端领域对构件精度和可靠性的严苛要求。为此，不同技术路线应运而生，包括以RTM和VARTM为代表的液体复合成型技术、以热压罐成型和模压成型（CM）为代表的预浸料成型技术，以及以AFP和ME为代表的自动化成型技术。这些工艺在技术原理、性能优势和应用场景方面呈现互补特征：液体复合成型侧重于复杂结构的高效整体成型，预浸料成型强调高精度构件的性能保障，自动化成型则满足连续化、规模化生产需求。
尽管CFRP先进成型技术取得显著进展，但工业化应用仍面临关键瓶颈：高端成型设备和核心原材料（碳纤维和专用树脂）依赖进口导致成本高企；复杂构件成型中孔隙、干斑和分层等缺陷的精确控制能力不足影响性能稳定性；部分工艺仍依赖人工操作，自动化和智能化水平有待提升；复杂形状构件的高效成型技术尚不成熟。更为重要的是，现有研究多聚焦于单一工艺的优化改进，缺乏对主流先进成型技术的系统梳理、对比分析和集成研究，难以全面呈现当前技术发展现状、核心瓶颈和未来趋势。
鉴于此，研究从"技术演进—工艺特性—缺陷机制—优化策略"的整合视角，系统综述液体复合成型、预浸料成型和自动化成型中的典型工艺，深入分析各工艺的技术原理、缺陷形成机制和控制策略，并比较工艺间在成型精度、效率、成本和适用范围等方面的差异性与互补性，旨在为先进CFRP成型技术的优化升级、工艺融合和工业化应用提供系统的理论参考和技术支撑。
2 液体复合成型技术
液体复合成型技术的核心挑战在于树脂浸渗过程的可控性。本节分析了RTM和VARTM工艺中的典型缺陷（干斑、孔隙、纤维冲刷和白斑）及其形成机制，揭示了缺陷与工艺参数及材料特性的定量关系，并总结了工艺参数调控、流动分配系统优化、树脂改性和设备升级等优化策略的效果和适用条件。
2.1 RTM技术演进与发展
RTM工艺中，反应性液态树脂在压力驱动下注入预先铺放纤维增强体的闭合模腔中，树脂充分浸渍预制体后，经排气、固化和脱模形成牢固的树脂-纤维界面结合，从而制得功能性复合材料构件。RTM的突出优势在于可精确控制纤维-树脂体积比，并具备复杂几何结构的整体成型能力。
液体复合成型的起源可追溯至20世纪40年代的Marco工艺，该工艺采用真空驱动树脂浸渍，与现代VARTM关系更为密切。20世纪50年代，正压注射配合匹配刚性模具的发展促使RTM成为独立工艺，最初用于制造简单的玻璃纤维复合材料零件。20世纪60年代，航空航天对轻量化结构件的需求推动了RTM的高精度发展，该工艺逐步应用于制造雷达罩和螺旋桨等典型零件。20世纪70年代以来，模具制造、高压注射设备和高性能树脂系统的进步共同降低了RTM成本并促进了自动化生产线的构建。20世纪80年代至今，先进增强体（如3D编织预制体）和高性能基体的出现进一步拓宽了RTM的应用范围。基于压力驱动树脂浸渗和界面结合的基本机制，通过工艺耦合、设备升级和参数优化发展了众多RTM改性变体，典型代表包括高压树脂传递模塑（High-Pressure RTM, HP-RTM）、高压压缩树脂传递模塑（HP-CRTM）、共注射树脂传递模塑（CIRTM）和多嵌件工装树脂传递模塑（MIT-RTM），形成了覆盖多种构件需求和使用条件的综合技术体系。
2.2 VARTM技术演进与发展
VARTM依赖真空诱导的压力梯度驱动液态树脂沿预设流道浸渗和充填纤维预制体，通过顺序的型腔脱气、浸渗、固化和脱模实现可靠的树脂-纤维界面结合，形成致密的高性能复合材料构件。与传统RTM相比，VARTM采用单面刚性模具与真空袋结合的成型方案，无需复杂的对模或高压注射系统，在大型复杂曲面复合材料零件的低成本制造方面具有独特优势。
VARTM的技术演进遵循需求驱动→技术迭代→应用扩展的路径。20世纪80至90年代，VARTM为解决手糊成型导致的表面质量差和严重环境污染问题而发展，初期作为改善树脂浸渗均匀性和减少人为干扰的低成本替代方案。20世纪90年代初，Seemann复合材料树脂浸渍成型工艺（SCRIMP）作为VARTM演进的关键发展获得专利，系统化了树脂分布网络与高渗透性流动介质的结合，显著提高了浸渗效率，为大型复合结构成型奠定了坚实的技术基础。21世纪以来，真空密封技术的升级、高性能树脂系统的迭代和数值模拟的广泛应用使VARTM克服了厚壁构件中树脂流动不均和缺陷控制困难等典型瓶颈，应用范围从中小型零件扩展至超大型结构件。近年来，先进传感器和闭环控制系统的引入进一步提升了工艺稳定性和产品一致性，推动了VARTM在航空航天次承力结构和新能源汽车车身框架等高端领域的延伸应用。
2.3 RTM与VARTM工艺流程
RTM工艺可分为预处理、预制体放置、合模密封、树脂注射与浸渗、固化与脱模五个核心阶段。VARTM完整工艺可分为预处理、铺层与密封、预抽真空、树脂浸渗、固化及后脱模处理五个核心阶段。作为RTM工艺的重要衍生分支，VARTM与RTM的核心差异体现在驱动机制、模具结构设计和适用场景方面。
2.4 RTM与VARTM核心成型缺陷及机制分析
液体复合成型工艺的核心缺陷主要体现为树脂浸渗不足和工艺敏感性高，易引发干斑、残留气泡形成的孔隙和纤维预制体变形等问题。
RTM工艺中，干斑缺陷的形成与树脂流动行为和模具结构设计密切相关，核心致因包括不合理的进出水口布局、竞流效应（racetrack effect）、纤维预制体局部渗透率不均匀以及树脂的预凝胶化。其中，竞流效应为主导因素：树脂优先沿模腔内纤维预制体边界等自由空间较大的区域流动，在完全充填模具前到达出口，回流时裹挟空气形成气泡；系统压力平衡后气泡收缩残留，固化后形成干斑。孔隙缺陷源于树脂浸渗过程中气体排出不充分，受树脂黏度、注射压力、预制体结构和模具排气设计共同影响。具体而言，黏度过高显著增加流动阻力，阻碍树脂穿透纤维束和单丝间隙，易 trap空气形成微孔隙；注射压力不足导致气体排出不完全，易生成宏观孔隙；注射压力过高（>0.5 MPa）导致局部预制体变形，进而加剧孔隙形成并进一步提高局部孔隙含量。在0.1–0.35 MPa的最优范围内，适度提高注射压力可通过增强气体排出效率有效减少孔隙形成，降幅可达60%。纤维冲刷损伤是高压RTM中的典型缺陷，多由注射速度过快或浇口布置不当引起。当高压高速树脂流动产生的剪切力超过纤维结合强度时，发生纤维位移、断裂或堆积，破坏纤维规则排列，降低构件力学性能。树脂浸渗不均表现为构件局部树脂含量差异，根源在于模腔内流动路径不均匀，与预制体渗透率分布、腔体结构和导流设计相关，易引发局部力学性能薄弱并影响整体结构稳定性。
VARTM工艺中，受真空负压驱动特性限制，成型过程易产生多种缺陷。其中，白斑为典型特征缺陷，对构件弯曲强度和层间剪切强度产生显著负面影响，主要由树脂宏观流动速率与微观流动速率不匹配诱导。该流动速率失配在厚度大于10 mm的厚截面构件中产生的负面效应尤为显著，可使弯曲强度降低15–40%。树脂流动分为纤维束间宏观流动和束内单丝间微观流动；由于宏观流动速率远高于微观流动速率，树脂沿表层纤维布与流动介质间隙快速推进，束内空气无法及时排出，形成未浸渗区域。同时，层间流速差异引起虹吸效应，造成纤维布层包络现象，固化后形成白斑。该缺陷频繁发生于厚截面构件的中间层或纤维布层搭接处，显著降低构件弯曲强度和层间剪切强度。树脂浸渗不均表现为构件各区域树脂含量变化，不当的流动介质分布造成渗透死区（局部孔隙含量增加1–5%，其中孔隙指允许气体流动的连通孔隙网络），局部褶皱和纤维堆积使面内渗透率降低30%以上并延迟渗透过程；树脂预凝胶化导致黏度骤增和流动性丧失而引发浸渗不均，使构件易发生过早失效。树脂富集体（Resin-Rich Volumes, RRV）主要发生于构件边缘、拐角和流体接触区域，对力学性能产生不利影响，可诱发显著应力集中从而劣化复合材料力学性能，适当增大压实压力可在一定程度上有效抑制RRV的形成。孔隙（pores）主要由气体排出不充分导致，关键因素包括真空系统密封泄漏、预抽真空不足、树脂黏度过高以及厚构件中长流道导致的气体滞留，损害纤维与树脂的界面结合强度，降低应力传递效率，并作为裂纹萌生的理想位置，显著削弱构件疲劳性能和耐久性。
2.5 RTM与VARTM优化与改进
2.5.1 工艺参数与流动分配系统优化
对于RTM工艺，工艺参数的精确调控是抑制缺陷的关键，核心思路是优化注射压力、流速、温度、模腔结构和进出水口布局，实现树脂流动与纤维浸渗的协同匹配。研究人员通过研究发现，采用真空辅助条件、低注射压力（105 kPa）和低注射流量（200 mL/min）制造的复合材料产品表面缺陷较少。引入超声振动可通过空化和微射流效应诱导纤维束蠕动运动，使其截面趋近矩形，增强树脂润湿性和织物渗透率约58%。纤维体积分数对拉伸强度和弯曲强度的贡献率分别达78%和57%，是影响复合材料强度和模量的首要决定因素。数值模拟技术为RTM工艺参数优化提供了高效工具，基于有限体积法（Finite Volume Method, FVM）结合遗传算法（Genetic Algorithm, GA）的多目标优化、基于达西定律和流体体积法（Volume-of-Fluid, VOF）的树脂流动模型预测，以及多尺度热化学-力学模型等均取得显著进展。
对于VARTM工艺，流动分配系统是均匀树脂浸渗的核心保障。流动介质选择需平衡低流动阻力和易贴覆性，常用高渗透性流动介质包括涤纶和玻璃纤维流动介质。流道布局方式包括平行排列、"梳形"排列和"矩形"排列，分别适用于狭长构件、大面积平板构件和复杂曲面部件。阶梯式真空控制策略在工业生产中典型应用：预抽真空阶段先将型腔绝对压力降低并维持在稳定低水平以排出空气；浸渗阶段维持稳定压力确保树脂顺畅流动；固化阶段适当提高绝对压力（降低真空度）以最小化固化收缩引起的内应力。
2.5.2 基体研发优化
相比开发新型树脂，改性现有树脂系统具有成本低、周期短和相容性好等优势，是当前工业界和学术界的研究重点。增韧改性方面，采用本体增韧和"离位"增韧策略可显著提升复合材料冲击韧性；纳米SiO
2和碳纳米管等纳米材料成为增强改性的首选填料，多壁碳纳米管（Multi-Walled Carbon Nanotubes, MWCNTs）和氧化石墨烯（Graphene Oxide, GO）的添加可实现协同增强效果。功能化改性中，纳米填料的引入可同时提升树脂基体强度、导热性和耐腐蚀性；生物基树脂的研究和应用契合"双碳"战略要求。研究人员制备的改性氨硅炔杂化树脂具有宽加工窗口和优异耐热性，其正交各向异性因子提高120%和72%。完全生物基复合材料展现出良好的力学性能（弯曲模量3.1 GPa，强度55 MPa，玻璃化转变温度T
g=120°C），且环氧树脂前体无内分泌干扰效应。
2.5.3 加工设备升级与智能化发展
国际高端RTM设备已形成"高精度-自动化-智能化"发展趋势，代表性产品包括奥地利ENGEL的高效RTM注射机、德国Battenfeld的HP-RTM设备和瑞士Netstal的高速高精度RTM设备。中国RTM和VARTM设备研究虽起步较晚，但在关键技术突破和产业化应用方面进展迅速，聚焦于注射设备精密控制、切割装置优化和生产系统集成。VARTM对硬件设备的依赖显著低于RTM，其技术发展更侧重于先进在线缺陷监测；RTM则持续向设备智能化推进。两者共享对树脂流动模式、缺陷萌生位置和演化规律进行实时表征的核心目标。当前常用缺陷监测技术包括数值模拟预测、红外热成像监测、相控阵超声检测和光纤传感器监测。未来RTM加工设备发展应进一步聚焦"智能传感-实时调控-数字孪生"技术的融合。
3 预浸料成型技术
预浸料成型技术的核心挑战在于固化过程的精确控制。本节分析了热压罐和模压成型中的典型缺陷（孔隙、褶皱、分层、翘曲和飞边）及其形成机制，揭示了温度和压力场耦合与缺陷演化的关系，并总结了工艺参数优化、数值模拟、预浸料改性和设备智能化等优化策略的效果和适用条件。
3.1 热压罐成型技术演进与发展
热压罐成型的本质在于密封高压容器（热压罐）内高温高压的协同作用，使预浸料坯料经历"加热-加压-固化-冷却"的完整过程，实现树脂的充分流动、浸渍和交联固化，最终形成低缺陷、高性能的复合材料构件。该工艺的核心优势在于压力和温度场的均匀分布，可实现构件纤维体积分数和孔隙含量的精确控制。
热压罐成型技术可追溯到20世纪40年代的欧美，当时西方国家首次将热压罐技术应用于航空航天领域。60年代，随着热压罐设备自动化升级和高性能环氧预浸料的发展，工艺稳定性显著提高。80年代至今，热压罐成型技术向大型化和智能化发展，在容器容积、温度和压力控制精度方面不断突破。完整热压罐成型工艺可分为预处理、预浸料铺层、封装、预抽真空、热压罐固化、脱模和后处理阶段。然而，该工艺存在设备初期投资高、基础设施要求庞大、运行能耗成本高、固化周期长、生产效率低以及构件尺寸受热压罐腔体限制等显著局限性。
3.2 CM技术演进与发展
CM将预浸料坯料、片状模塑料（Sheet Molding Compound, SMC）、团状模塑料/ dough模塑料（BMC/DMC）或其他纤维增强复合坯料放入精密模具中，通过专用模压设备施加特定压力并结合模具加热，促进树脂熔融、流动、浸渍和交联固化，最终获得形状规则、尺寸精确的复合材料构件。CM的核心优势在于成型效率高、产品尺寸稳定性优异和表面质量优良，可实现中小型构件的规模化生产。
CM技术发展可追溯至20世纪50年代的欧美，最初聚焦于小型酚醛树脂基复合材料构件的模压成型。70年代，精密模具制造技术的进步、液压模压设备的普及和快速固化预浸料的发展显著提高了工艺稳定性和生产效率。CM包含两条不同的材料路线：连续纤维预浸料CM使用预浸单向或织物铺层用于高性能结构件；SMC/BMC基CM使用 chopped 或随机取向纤维模塑料用于大批量、成本适中的较复杂构件生产。完整CM工艺包括预处理、预浸料裁切和铺层、模具预热、装模加压、等温固化、卸压冷却、脱模和后处理八个阶段。
3.3 热压罐成型与CM核心成型缺陷及机制分析
热压罐成型虽具有高精度和少缺陷的优势，但受材料特性、工艺参数和设备性能等多因素耦合影响，仍可能发生孔隙、褶皱、固化变形和分层等核心缺陷。孔隙形成的主要因素包括：真空预处理不充分导致气体滞留；升温速率超出最优范围加速预浸料组分挥发；树脂流动受限导致局部气体trap；固化压力不足加剧孔隙生成；以及过高的升温速率产生温度梯度促进组分挥发。褶皱缺陷显著损害构件性能，主要源于：模具中铺层张力不均可诱发初始褶皱；模具表面设计欠佳促进褶皱形成；温度变化引起的内应力导致固化过程中的二次褶皱；以及不均匀收缩加剧褶皱严重程度，尤其在厚壁构件中。分层缺陷表现为界面结合不良（如树脂老化和污染）以及固化过程中气体trap形成的层间孔隙，不当脱模也可能造成层间分离。
CM工艺依赖模具加压和热固化，两种材料制备方法的核心缺陷存在显著差异。对于连续纤维预浸料复合材料，缺陷主要源于压力传递、模具精度、预浸料铺层方式和固化参数，包括飞边、纤维裸露、翘曲变形和内部裂纹。对于SMC/BMC基复合材料，额外的缺陷模式源于模塑料的流动和压实行为，如纤维取向各向异性导致的方向性性能变化和厚层中因不均匀固化收缩产生的凹陷痕迹。
3.4 热压罐成型与CM多维优化与改进技术
3.4.1 工艺参数优化与仿真驱动设计
热压罐成型中，精确控制工艺参数是抑制成型缺陷和提高产品性能的关键。研究人员采用多目标遗传算法优化层压沉积序列，并集成"腹板保压、拐角增压"的非均匀压力场设计，实现了褶皱和变形的协同控制，褶皱降低幅度高达74%。基于"热-化学-机械"耦合模型的数值模拟已成为优化热压罐成型工艺的核心工具，通过建立流体动力学、湍流、固化动力学和热-化学耦合的多物理场模型，可实现缺陷形成机制的定量分析和工艺参数的精确预测。对于CM，模具正朝着高精度、轻量化、智能化、柔性化和绿色化方向发展，通过材料创新、结构优化和数字赋能实现升级。
3.4.2 低成本替代方案与预浸料优化
热压罐外（Out-of-Autoclave, OOA）成型技术不依赖热压罐的高压环境，仅通过真空压力（0.1–0.5 MPa）实现预浸料固化，关键目标是在显著降低树脂基复合材料产品制造成本的同时保证构件力学性能。实现OOA工艺的关键在于专用预浸料的研发和封装工艺的优化：前者要求预浸料具有低黏度、长储存寿命和高反应活性，以确保在真空压力下充分流动和浸渍；后者多采用"双真空袋"或"均压板+真空袋"结构以提高密封腔体内的压力传递效率并有效降低孔隙缺陷。OOA工艺的核心优势在于低成本和强灵活性，但仍面临低压实压力下纤维体积分数受限、厚壁构件孔隙含量控制困难以及专用预浸料成本高等挑战。
4 自动化成型技术
自动化成型技术的核心挑战在于铺放/打印过程中的轨迹规划和质量控制。本节分析了AFP和ME工艺中的典型缺陷（屈曲褶皱、间隙和重叠、翘曲变形、熔体不稳定和层间结合不良）及其形成机制，揭示了路径规划、热管理与缺陷的相关机制，并总结了工艺参数优化、路径规划算法和热管理控制等优化策略的效果和适用条件。
4.1 自动纤维铺放技术演进与发展
自动纤维铺放技术的本质在于在数控系统精确控制下，将多根预浸纤维丝束（窄带）或预浸带通过铺放头实现加热、压实、切断和再送料等一系列动作，按照预设轨迹和角度逐层铺放在模具或芯模表面，最终形成复合预制体。该工艺的核心优势在于实现复合材料成型的数字化和自动化，可精确控制纤维取向并显著降低铺层缺陷率。
AFP技术发展可追溯至20世纪60年代的美国，初期以自动铺带（Automated Tape Laying, ATL）技术为主导，主要用于铺设小曲率、大面积蒙皮结构。80年代，多自由度机器人技术、窄带自动纤维铺放和计算机辅助制造（Computer-Aided Manufacturing, CAM）软件的突破使纤维铺放技术从平面铺层转向复杂曲面铺层。90年代至今，AFP技术向智能化、规模化和多功能化方向发展，在线检测和闭环控制技术、热塑性复合材料原位固结技术、多机器人协同铺放系统和数字孪生工艺仿真平台得到广泛应用。
4.2 材料挤出（ME）技术演进与发展
连续材料挤出将热塑性树脂基体与 chopped 或连续纤维增强材料在挤出机中熔融、混合和输送，通过螺杆剪切作用实现增强材料在树脂基体中的分散和浸渍，然后经特定模具连续挤出、冷却定型和牵引切割，生产出具有恒定截面形状的热塑性复合材料型材或制品。该工艺的核心优势在于连续成型过程、高材料利用率、可回收性以及无需热固性树脂的固化或交联反应。
连续复合材料材料挤出技术可追溯到20世纪60年代，初期以短纤维增强聚合物的材料挤出为主导。80年代，长纤维热塑性塑料（Long-Fiber Thermoplastic, LFT）技术突破和共挤出、反应挤出、剪切控制挤出等新工艺的出现显著改善了纤维含量、浸渗质量和纤维取向控制。90年代至今，连续材料挤出技术向高性能、复合化和绿色化方向发展。ME包括熔融沉积建模（Fused Deposition Modeling, FDM）和连续纤维材料挤出等工艺。
4.3 自动纤维铺放与材料挤出缺陷及机制分析
AFP成型工艺通过机械臂将预浸带（丝束）精确放置到模具表面并进行原位压实和固结，其缺陷主要由热-力-材料耦合引起，常见包括屈曲和褶皱、间隙和重叠以及翘曲变形。ME（包括熔丝制造（Fused-Filament Fabrication, FFF）和颗粒挤出，即熔粒制造（Fused-Granulate Fabrication, FGF））通过逐层加热挤出聚合物材料形成三维物体，其缺陷主要源于流变不稳定性和层间结合问题，导致模口膨胀、熔体不稳定和层间结合不良。
AFP中的屈曲和褶皱缺陷主要源于丝束沿曲线轨迹铺放时内外边长度差导致的压应力失稳。间隙和重叠缺陷显著影响层压板性能：间隙缺陷降低拉伸强度，而不均匀厚度导致的重叠缺陷降低压缩强度。翘曲变形主要归因于层压板加工过程中的不均匀冷却，导致铺放过程中的热历史以及模具与铺层之间热膨胀系数的不匹配，对于半结晶热塑性复合材料，冷却过程中的残余应力进一步加剧该问题。
ME中，模口膨胀由聚合物熔体分子链在喷嘴入口区的拉伸取向和出模后的弹性回复引起。熔体不稳定性源于高挤出速率下喷嘴入口区拉伸应力超过临界值时触发的流场不稳定性，其发生显著依赖于喷嘴几何结构（长径比）。层间结合不良归因于新挤出材料与已冷却下层之间温度不足导致的分子链扩散不充分、接触压力不足引起的界面孔隙，以及基材表面缺陷（如翘曲和间隙）对首层打印高度一致性的影响。
4.4 多维优化与改进技术
4.4.1 工艺参数与智能控制优化
AFP领域已从传统的单因素试错法演进为数据驱动的多目标优化框架。研究人员系统研究了AFP工艺参数（铺放速度、热气炬温度、模具温度和压实压力）对碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEEK）复合材料I型和II型层间断裂韧性的影响，揭示压实压力对II型断裂韧性的贡献率达82%，热气炬温度对I型的贡献率达34%。对于AFP和复杂曲面构件的加热过程，研究人员建立了有限元模型与数据驱动机器学习相结合的混合预测和控制方法，实现了复杂曲面结构自动纤维铺放过程中材料温度的精确预测和控制。
ME领域更注重原位监测和实时反馈。研究人员基于热成像数据开发了深度学习模型，实现工艺偏差的实时检测和修正，建立了闭环控制系统，能够快速动态调整工艺参数，显著提升了打印质量和生产稳定性。在连续纤维增强热塑性复合材料薄壁结构打印中，研究人员提出了基于欧拉图论（Euler graph theory）的路径规划方法，通过将打印段表示为图中的边，利用欧拉回路保证单根连续纤维路径覆盖所有段而无需抬升、切断或回溯，从而消除纤维不连续性并最小化材料浪费。
4.4.2 路径规划与可制造性优化
AFP研究聚焦于无碰撞、无奇异点和高平滑度的机械臂轨迹生成。研究人员针对冗余铺放机械臂提出了改进的快速探索随机树（Rapidly-Exploring Random Tree, RRT）离线冗余优化算法，引入分段高斯采样等策略，可规划出无碰撞、无奇异点的平滑关节轨迹。基于正交矢量场的环量和散度进行AFP曲线拖曳路径的可制造性预分析，预测路径断点分布概率，并提出复杂形式平滑优化方法，实现复杂曲面铺放可行性评估和可制造性提升。
ME领域强调力学性能导向的设计。研究人员提出了面向ME工艺增材制造构件力学性能最大化的端到端优化工作流程，基于G-code实现构件的精确几何表征，通过体素化网格、高精度有限元模拟和Tsai-Wu失效准则获取力学指标，并结合机器学习异常检测算法实现最优打印方向的智能选择。通过线性整数优化获取每层的最优纤维模式，并使用贝塞尔样条（Bézier splines）生成平滑路径，实现满足多层制造约束的连续打印路径。
4.4.3 热管理与层间界面质量协同控制
AFP面临的核心挑战是在毫秒级热作用窗口内实现充分的分子链扩散和基体热降解风险之间的平衡。研究人员建立了基于三维欧拉方法的AFP有限元仿真框架，耦合微尺度辐射传热、各向异性热性能和温度相关材料参数，实现对不同工艺下复合材料表面温度的精确预测。对于激光辅助纤维铺放（Laser-Assisted Fiber Placement, LAFP），建立了激光照射和热-机械耦合模型，采用非支配排序遗传算法（NSGA)-II对激光热流分布进行多目标优化，获得了高强度低翘曲的优化方案。
ME领域经历了从"加热能力"到"散热和精确温度历史控制"的范式转变，技术发展方向主要聚焦于喷嘴结构优化和多传感器检测系统的集成。研究人员系统研究了生物聚合物聚乙二醇-聚己内酯（PEG-PCL）在气动挤出系统中的熔融行为，确认熔融以热传导为主导，模型可精确预测固-液界面和温度场演化。针对短CF增强PEEK系统，优化了打印温度、退火温度和热处理温度三个热参数，最优参数组合改变了压缩破坏机制，显著改善了层间结合。
4.5 复合工艺系统集成优化
单一工艺常受自身原理限制，难以兼顾制造精度、效率和构件质量。热压罐成型与AFP的复合工艺成为极具潜力的途径：前者在致密化和固结方面表现优异，后者实现高精度、高效率的自动预浸料铺层。两者集成可实现铺放和固化的一体化制造，显著提高生产效率和铺层精度， narr-text 有效抑制人工操作引起的褶皱缺陷。研究人员构建了两种工艺的多场耦合模型，模拟了AS4/3051-6系列CFRP预浸料平板的制备，验证了模型有效性。
热压罐成型与增材制造（AM）技术的结合可实现复杂嵌件与主体构件的一体化成型，从而减少拼接环节和结构薄弱点。研究人员提出了结合AM与CFRP的热压罐固化工艺，应用于帽形加筋板的制备和测试，实现了5%的减重，加筋特定弯曲刚度和首失效载荷分别提高18%和310%。原位热压罐纤维铺放研究表明，复杂几何引起的三角形间隙和重叠缺陷可通过后续铺层方向在热压罐固结后显著缓解。
在CM领域，增材制造与CM的复合工艺近年来取得显著进展，成为高性能热塑性复合材料高效制造的重要发展方向。研究人员开发了基于颗粒挤出热压罐成型技术的大规模增材制造与CM集成工艺系统，在模具上精确沉积具有可控纤维取向和多材料配置的预制件，随后进行快速压缩固结，实现从原材料到最终产品的快速成型，可在3分钟内制造多材料、多功能构件，具有优异的微观结构控制和增强的多功能性。
值得注意的多工艺集成方法是注射包覆成型到连续纤维复合结构上，将短纤维增强热塑性塑料注射到预成型的连续纤维有机板或层压板（如CF/PA6、CF/PPS、CF/PEEK）上，一步创建具有复杂几何特征（如肋、凸台和连接点）的集成构件。该混合成型工艺结合了连续纤维复合材料的高面内刚度和强度，以及注射成型的几何灵活性和快速成型周期。关键技术挑战在于实现包覆短纤维材料与连续纤维基材之间的牢固界面结合，这由聚合物链界面互扩散和愈合以及注射压力诱导的多尺度机械互锁两种耦合机制控制。
5 先进成型工艺多维定量比较
本节基于统一分类框架和缺陷-策略映射，对六种典型先进成型工艺的性能指标和缺陷特征进行定量比较。研究将上述工艺缺陷统一分为五类：浸渗缺陷、孔隙缺陷、几何缺陷、界面缺陷和流变缺陷，使用主导物理场和统一标准揭示跨工艺缺陷形成的共同规律，从而为协同缺陷控制和多工艺集成优化提供理论基础。
6 结论与展望
6.1 结论
研究系统综述了RTM、VARTM、热压罐、CM、AFP和ME等液体成型、预浸料成型和自动化成型工艺下的代表性和先进成型技术，从技术演进、工艺特性、缺陷机制和优化策略维度进行集成分析，聚焦CFRP成型中的缺陷控制。尽管这些工艺在材料形态、加热/固化方式、模具结构和适用规模方面各具特色，但它们共同构成了从航空航天主承力构件到民用量产产品、从大型复杂曲面到精密小型零件的完整制造技术谱系。
建立跨工艺缺陷统一分类体系。CFRP成型缺陷被分为浸渗、孔隙、几何、界面和流变五类缺陷，揭示了"温度场-压力场-材料流变/固化行为"时空不匹配的共性机制，提出流动匹配、气体排出时间、内应力临界值、界面愈合温度和壁面剪切应力五项统一标准，为跨工艺协同缺陷控制提供理论基础。
明确六种工艺 technical boundaries 和适用场景。通过多维定量比较，揭示了各工艺在成本、效率、缺陷控制和成型规模方面的互补性，为工艺选择提供决策依据。
提取多维缺陷优化的核心路径。总结了工艺参数控制、数值模拟、材料改性、设备升级、路径规划和多工艺集成六种优化策略，建立"缺陷类型-优化策略-预期效果"的映射关系，形成可复用的优化框架。
指出低成本和绿色制造发展方向。揭示了生物基树脂、OOA技术、多工艺集成和热塑性原位固结等新兴技术的产业化路径，为CFRP制造技术的转型升级提供技术引导。
6.2 展望
CFRP先进成型技术的未来发展将在五个主要方向实现协同突破：数字孪生与人工智能（AI）优化、原位监测与闭环控制、热塑性原位固结、可持续回收与制造，以及多工艺混合集成。
关键技术实施路径包括：建立跨工艺统一缺陷判据体系和关键工艺窗口数据库，为多工艺复合成型提供依据；解决多工艺集成下的界面兼容性问题，构建覆盖"材料-工艺-结构"全流程的数字孪生平台，推动多工艺集成成型装备的研发和示范应用，实现大型复杂构件制造周期降低30%以上；开发基于深度强化学习的实时闭环控制算法，实现孔隙、干斑和分层等典型缺陷的实时识别和工艺参数自适应修正，使构件缺陷率降低50%以上，热塑性复合材料闭环回收率达到90%以上；建立以热塑性原位固结、生物基树脂和闭环回收为支撑的绿色制造体系，实现复合材料全生命周期的低碳排放和高资源利用率。
