CFRP-钢混合承载轮热压成型与铺层协同优化：减重15.33%并保持钢环耐磨性

研究背景与目标

热塑性CFRP复合材料因高比强度和抗疲劳性，在轻量化轨道车辆车轮领域具有潜力。但成型参数与铺层设计不当会导致树脂缺陷，且PEEK基体本身耐磨性不足。针对固定低压热压成型制备的CFRP-钢混合承载轮，研究团队开展了模压工艺参数与纤维铺层构型的协同优化，目标是在提升承载性能的同时改善耐磨性。

关键实验设计与数据

研究采用精密热压成型制备了三种层合构型的CFRP-钢混合轮，并通过单因素实验评估固化温度、保温时间和铺层方向对弯曲行为的影响。主要发现包括：

• 铺层方向影响最显著：[0°]20s铺层弯曲强度达到1225 MPa，比90°构型高28.3%。
• 45°铺层提供最佳尺寸稳定性和断裂韧性，在复杂法兰区域性能退化最小。
• 优化工艺参数：以3°C/min升温至370°C，保温30 min，在低于60°C时脱模，兼顾性能与效率。
• 钢环集成：引入钢耐磨环后，混合轮兼具高承载能力与增强的耐磨性，相对铝合金轮实现15.33%的减重。

研究还指出，磷化表面改性可显著强化钢-复合材料界面结合，而铺层方向是决定部件弯曲性能的核心因素。

对聚合物助剂与橡胶轮胎行业的意义

该研究虽聚焦热塑性CFRP承载轮，但其对界面结合、耐磨性与轻量化的系统优化思路，对轮胎与橡胶制品领域具有可迁移的参考价值。在橡胶配方中，补强填料（如白炭黑）的分散与界面作用直接影响耐磨性和动态性能；硫化体系的设计决定交联网络与制品耐久性；防老剂和抗氧剂则关乎橡胶部件在长期负载与热历史下的老化行为。研究中“工艺参数—结构—性能”的协同优化方法，与轮胎橡胶混炼、硫化工艺及轮胎结构设计中平衡承载、耐磨与轻量化的逻辑相通。尤其值得注意的是，钢-复合材料界面强化策略可为橡胶-金属复合制品（如轮胎翻新中的界面处理）提供思路，而热压成型中的温度与时间窗口控制，也与橡胶硫化工艺的精细化调控形成呼应。

局限与待验证问题

该研究针对特定CFRP-钢混合轮构型与PEEK基体，结论向橡胶轮胎体系的直接外推需谨慎。文中未涉及橡胶助剂的具体配方或轮胎实际工况测试，相关迁移价值仍需进一步验证。

信息来源：Synergistic Optimization of Hot Molding Process and Lay‐Up Design of CFRP‐Steel Composite Load Wheel，由合润化工整理。