碳纖維管因其高比強度、高比模量及耐腐蝕等特性，在航空航天、機器人、無人機等領域得到廣泛應用。其中，卷制成型工藝憑借其成型速度快、產品性能穩定等優勢，成為大批量高性能碳纖維管生產的核心技術。然而，傳統卷制工藝中纖維取向控制的局限性，常導致管材環向承載能力不足、層間剪切強度偏低等問題。本文從工藝流程優化、纖維取向精準調控及多尺度性能驗證三個維度，系統闡述基于纖維取向控制的高強度碳纖維管卷制成型工藝優化研究進展。

卷制成型工藝的核心在于通過機械卷繞實現纖維的連續排布，其流程可分為預制、卷制、固化及后處理四個階段。在預制階段，需根據管材設計尺寸精確計算預浸料長度，并對芯模進行表面處理以確保脫模順利。卷制階段，預浸料在壓板作用下均勻卷繞于芯模，通過控制卷繞速度與壓板壓力實現纖維的初步定向。固化階段則通過高溫爐控溫，使樹脂基體充分流動并填充纖維間隙，形成致密結構。后處理包括打磨、噴涂等工序，以提升管材表面質量與尺寸精度。研究表明，固化溫度對樹脂流動性具有顯著影響：當溫度升高至120℃時，環氧樹脂的粘度降低至0.1Pa·s，能有效減少管材表面孔隙率；但溫度超過150℃可能導致樹脂過度流動，引發纖維排布紊亂。

纖維取向控制是提升管材性能的關鍵。傳統卷制工藝中，纖維以0°單向排布為主，雖能保證縱向剛度，但環向承載能力不足。通過引入90°環向纖維層，可顯著提升管材的抗內壓性能。實驗數據顯示，采用0°/90°交替鋪層的碳纖維管，其環向拉伸強度較單向鋪層提升40%，層間剪切強度提高25%。進一步引入±45°纖維層，可有效增強管材的抗扭性能。數值模擬表明，在扭矩作用下，±45°纖維層能將剪應力均勻分散至管壁各方向，使管材臨界扭轉角從5°提升至12°。此外，張力控制策略對纖維取向均勻性至關重要。研究提出"首層高張力、逐層遞減"的控制方法：首層施加200N外張力以確保與芯模緊密貼合，后續每層張力以5%速率遞減，最終實現各層纖維等內張力狀態。該方法使管材環向拉伸強度標準差從8.5MPa降至3.2MPa，顯著提升性能一致性。

工藝參數優化需結合實驗驗證與數值模擬。通過設計正交試驗，系統研究卷繞速度、壓板壓力、固化溫度三因素對管材性能的影響。結果表明，當卷繞速度控制在0.3m/min、壓板壓力設定為15kPa、固化溫度采用130℃分段升溫工藝時，管材的綜合力學性能達到最優：拉伸強度達2100MPa，彎曲模量提升至180GPa，層間剪切強度突破75MPa。進一步采用有限元分析建立工藝-性能映射模型，發現固化階段樹脂流動引起的纖維排布偏移是導致性能波動的主要因素。通過在固化爐中增設振動裝置，使樹脂在流動過程中對纖維產生二次調整作用，可將纖維排布偏移量從1.2mm降至0.4mm，顯著提升管材性能穩定性。

基于纖維取向控制的卷制工藝優化，已在多個領域實現工程應用。在工業機器人領域，采用0°/±45°三層鋪層方案生產的碳纖維機械臂，在保證縱向剛度的同時，抗扭性能提升60%，使機器人操作精度從0.1mm提升至0.05mm。無人機機臂采用變角度鋪層設計，根部區域采用0°纖維增強抗拉性能，端部區域引入90°纖維提升抗彎能力，使機臂重量減輕35%的同時，承載能力提升20%。在汽車檢具領域，全碳纖維一體式檢具通過優化鋪層角度，將檢測精度從±0.02mm提升至±0.01mm，且在5000次循環使用后仍保持初始精度，遠超傳統鋁制檢具的1000次使用極限。

纖維取向控制技術的突破，為高強度碳纖維管卷制工藝的優化提供了全新路徑。通過精準調控纖維排布角度、優化張力控制策略及工藝參數，可實現管材力學性能的定向提升。未來需進一步結合人工智能算法，建立纖維取向-工藝參數-性能指標的智能預測模型，并開發在線監測系統實時調整工藝參數，以推動碳纖維管卷制工藝向更高精度、更高效率方向發展。