碳纤维管因其高比强度、高比模量及耐腐蚀等特性，在航空航天、机器人、无人机等领域得到广泛应用。其中，卷制成型工艺凭借其成型速度快、产品性能稳定等优势，成为大批量高性能碳纤维管生产的核心技术。然而，传统卷制工艺中纤维取向控制的局限性，常导致管材环向承载能力不足、层间剪切强度偏低等问题。本文从工艺流程优化、纤维取向精准调控及多尺度性能验证三个维度，系统阐述基于纤维取向控制的高强度碳纤维管卷制成型工艺优化研究进展。
卷制成型工艺的核心在于通过机械卷绕实现纤维的连续排布，其流程可分为预制、卷制、固化及后处理四个阶段。在预制阶段，需根据管材设计尺寸精确计算预浸料长度，并对芯模进行表面处理以确保脱模顺利。卷制阶段，预浸料在压板作用下均匀卷绕于芯模，通过控制卷绕速度与压板压力实现纤维的初步定向。固化阶段则通过高温炉控温，使树脂基体充分流动并填充纤维间隙，形成致密结构。后处理包括打磨、喷涂等工序，以提升管材表面质量与尺寸精度。研究表明，固化温度对树脂流动性具有显著影响：当温度升高至120℃时，环氧树脂的粘度降低至0.1Pa·s，能有效减少管材表面孔隙率；但温度超过150℃可能导致树脂过度流动，引发纤维排布紊乱。
纤维取向控制是提升管材性能的关键。传统卷制工艺中，纤维以0°单向排布为主，虽能保证纵向刚度，但环向承载能力不足。通过引入90°环向纤维层，可显著提升管材的抗内压性能。实验数据显示，采用0°/90°交替铺层的碳纤维管，其环向拉伸强度较单向铺层提升40%，层间剪切强度提高25%。进一步引入±45°纤维层，可有效增强管材的抗扭性能。数值模拟表明，在扭矩作用下，±45°纤维层能将剪应力均匀分散至管壁各方向，使管材临界扭转角从5°提升至12°。此外，张力控制策略对纤维取向均匀性至关重要。研究提出"首层高张力、逐层递减"的控制方法：首层施加200N外张力以确保与芯模紧密贴合，后续每层张力以5%速率递减，最终实现各层纤维等内张力状态。该方法使管材环向拉伸强度标准差从8.5MPa降至3.2MPa，显著提升性能一致性。
工艺参数优化需结合实验验证与数值模拟。通过设计正交试验，系统研究卷绕速度、压板压力、固化温度三因素对管材性能的影响。结果表明，当卷绕速度控制在0.3m/min、压板压力设定为15kPa、固化温度采用130℃分段升温工艺时，管材的综合力学性能达到最优：拉伸强度达2100MPa，弯曲模量提升至180GPa，层间剪切强度突破75MPa。进一步采用有限元分析建立工艺-性能映射模型，发现固化阶段树脂流动引起的纤维排布偏移是导致性能波动的主要因素。通过在固化炉中增设振动装置，使树脂在流动过程中对纤维产生二次调整作用，可将纤维排布偏移量从1.2mm降至0.4mm，显著提升管材性能稳定性。
基于纤维取向控制的卷制工艺优化，已在多个领域实现工程应用。在工业机器人领域，采用0°/±45°三层铺层方案生产的碳纤维机械臂，在保证纵向刚度的同时，抗扭性能提升60%，使机器人操作精度从0.1mm提升至0.05mm。无人机机臂采用变角度铺层设计，根部区域采用0°纤维增强抗拉性能，端部区域引入90°纤维提升抗弯能力，使机臂重量减轻35%的同时，承载能力提升20%。在汽车检具领域，全碳纤维一体式检具通过优化铺层角度，将检测精度从±0.02mm提升至±0.01mm，且在5000次循环使用后仍保持初始精度，远超传统铝制检具的1000次使用极限。
纤维取向控制技术的突破，为高强度碳纤维管卷制工艺的优化提供了全新路径。通过精准调控纤维排布角度、优化张力控制策略及工艺参数，可实现管材力学性能的定向提升。未来需进一步结合人工智能算法，建立纤维取向-工艺参数-性能指标的智能预测模型，并开发在线监测系统实时调整工艺参数，以推动碳纤维管卷制工艺向更高精度、更高效率方向发展。
