碳纖維是重要的無機(jī)高性能纖維，這點是由其材料本性、產(chǎn)業(yè)技術(shù)復(fù)雜性、應(yīng)用領(lǐng)域重要性和市場規(guī)模性等因素決定的，其首個市場化應(yīng)用是1972年市售的碳纖維增強(qiáng)樹脂釣魚竿。此后，碳纖維應(yīng)用快速向以航空航天器主結(jié)構(gòu)材料為代表的高端化發(fā)展。


01 什么是碳纖維預(yù)浸料

預(yù)浸料（Prepreg，PreimpregnatedMaterials），是把基體（Matrix）浸漬在強(qiáng)化纖維（Reinforced Fiber）中制成的預(yù)浸片材產(chǎn)品，是復(fù)合材料的中間材料，又名碳纖維預(yù)浸布。碳纖維預(yù)浸料是由增強(qiáng)體，如碳纖維紗、樹脂基體、離型紙等材料，經(jīng)過涂膜、熱壓、冷卻、覆膜、卷取等工藝加工而成的復(fù)合材料，又名碳纖維預(yù)浸布。


02 碳纖維預(yù)浸料的優(yōu)缺點

強(qiáng)度高、密度小：碳纖維預(yù)浸料的強(qiáng)度可以達(dá)到鋼材的6-12倍，密度只有鋼材四分之一；

可塑性好；可根據(jù)模具形狀做成任何形狀，成型容易，便于加工；

耐腐蝕；壽命長。

大絲束碳纖維預(yù)浸料在工業(yè)領(lǐng)域的優(yōu)勢凸顯。單向碳纖維預(yù)浸料面密度高達(dá)600 g/m2，這類厚重的預(yù)浸料大大提升了預(yù)浸和后續(xù)鋪放工藝的效率。在風(fēng)電葉片與汽車領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

非熱壓罐工藝（OOA，Out of Autoclave）的預(yù)浸料大力發(fā)展。此成型工藝大大降低了預(yù)浸料后續(xù)固化成型的時間與成本，這些新型的預(yù)浸料可以采用較低成本的真空袋壓法、先進(jìn)拉擠法和熱模壓法。

不同預(yù)浸料產(chǎn)品形態(tài)出現(xiàn)。短切預(yù)浸料，可以采用經(jīng)濟(jì)型的模壓工藝；半預(yù)浸料，在預(yù)浸工藝時不需要完全―濕透‖纖維，在后續(xù)工藝中完成完全浸潤。

針對不同應(yīng)用的專用預(yù)浸料。如汽車領(lǐng)域，對零件短時間成型要求高，為滿足后續(xù)快速成型工藝，必須開發(fā)＜5 min的快速固化預(yù)浸料。

板材專用碳纖維預(yù)浸料。Gurit開發(fā)了SparPregTM，無需壓實和借助其他排氣織物，就可以獲得低孔隙率的層合板；在復(fù)合材料模具領(lǐng)域，各家也開發(fā)了相應(yīng)的預(yù)浸產(chǎn)品。

結(jié)構(gòu)與功能結(jié)合的預(yù)浸料。在樹脂中混入納米碳管或短切碳纖維，再浸潤碳纖維絲束或織物，形成具有吸波功能的預(yù)浸料。


03 碳纖維預(yù)浸料種類

碳纖維預(yù)浸料的種類有：

單向碳纖維預(yù)浸料和編織碳纖維預(yù)浸料。

單向碳纖維預(yù)浸料在纖維方向有大的強(qiáng)度，通常用于有不同方向組合的疊層板，而編織碳纖維預(yù)浸料具有不同的編織方式，其強(qiáng)度在兩個方向約相等，可應(yīng)用于不同的結(jié)構(gòu)物。


04 應(yīng)用領(lǐng)域

碳纖維主要的應(yīng)用形式是作為樹脂材料的增強(qiáng)體，所形成的碳纖維增強(qiáng)樹脂（CFRP）具有優(yōu)異的綜合性能；用途非常廣，碳纖維重量輕,很好的耐燒蝕材料，可應(yīng)用于高溫高熱領(lǐng)域。對X射線有很強(qiáng)的透過率，可用于醫(yī)療器械。耐腐蝕性，耐氧化，可應(yīng)用于：

航空航天，例如：飛機(jī)機(jī)身，飛行器，飛機(jī)上的座椅；

軍事領(lǐng)域，例如：雷達(dá)罩，指揮車艙，防彈衣；

水陸交通，例如：汽車外殼，火車外殼；

新能源，例如:風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片,海上采油平臺,海洋鉆孔平臺等；

建筑工程，例如:橋梁結(jié)構(gòu)加固,碳纖維管構(gòu)架等；

體育領(lǐng)域，例如:健身器材,球桿；

醫(yī)療領(lǐng)域,例如:ct板,牽引床,運動員假體等；

日常生活領(lǐng)域,例如:地板,自行車架,魚竿,行禮箱等；

時尚娛樂領(lǐng)域例如：手機(jī)殼，ipad保護(hù)套，其他，浴缸，座椅等。


05 碳纖維預(yù)浸料生產(chǎn)工藝流程

由纖維束拼成所需的含量及寬度，然后經(jīng)纖維架將纖維均勻的分開，同時樹脂加熱后涂布在上下離型紙上。將纖維及涂布樹脂的上下離型紙同時導(dǎo)入滾輪中，纖維位于上下離型紙之間，借由滾輪的壓力將樹脂均勻的散布于纖維之間。纖維含浸樹脂后經(jīng)過冷卻或烘干，經(jīng)捲取器捲取成捲軸狀。

碳纖維預(yù)浸料生產(chǎn)工藝流程圖


06 碳纖維預(yù)浸料的主要生產(chǎn)方式

碳纖維預(yù)浸料主要有兩種方式：一種為直接將樹脂加熱，以降低其黏度，便于均勻散布于纖維之間，稱為熱溶法。另一種為將樹脂溶于溶劑中來降低黏度，待樹脂含浸纖維后再加熱使溶劑揮發(fā)，稱為溶液浸漬法。熱熔膠法的制程，樹脂含量控制容易，可省略烘干的步驟，且無殘存的溶劑，但樹脂黏度較高，含浸纖維編織物時易造成纖維變形。溶劑法投資成本低，制程簡便，但是溶劑的使用易殘存于預(yù)浸布中，影響復(fù)合材料的強(qiáng)度，而且造成環(huán)境污染的問題。

目前碳纖維預(yù)浸料主要使用熱固性材料：環(huán)氧樹脂，由于預(yù)浸料的樹脂固化狀態(tài)為B-stage，因而捲取的預(yù)浸料需于低溫環(huán)境保存，碳纖維預(yù)浸料在室溫所能儲存的時間稱為儲存周期，如無低溫儲存條件，預(yù)浸料的制作量必須以在儲存周期內(nèi)能夠使用完畢為原則。


07 碳纖維預(yù)浸料市場前景

碳纖維產(chǎn)業(yè)不僅包括聚合、原絲及碳纖維的生產(chǎn)過程，而且包括下游碳纖維預(yù)浸料的生產(chǎn)及復(fù)合材料的生產(chǎn)與應(yīng)用。據(jù)復(fù)合材料雜志ReinforcedPlastics援引的報告稱，到2019年，全球碳纖維預(yù)浸料市場將達(dá)40億美元，保持快速增長，復(fù)合增長率超過11%。由于生產(chǎn)成本的飛升和總需求的增長，碳纖維預(yù)浸料的價格將以更快的速度上漲。全球的預(yù)浸料供應(yīng)商數(shù)量不斷上升，整體的市場充滿著創(chuàng)新的活力，產(chǎn)品性能有了更高的表現(xiàn)。


08 碳纖維預(yù)浸料主要企業(yè)

著名的碳纖維預(yù)浸料公司是Toray（東麗）、 Hexcel（赫氏）、Cytec（氰特）、Gurit（固瑞特）和TenCate。占有預(yù)浸料市場的大部分份額。國內(nèi)企業(yè)有中復(fù)神鷹碳纖維有限責(zé)任公司、江蘇恒神股份有限公司、沈陽中恒新材料有限公司、威海光威復(fù)合材料有限公司 、四川新萬興復(fù)合材料有限公司 、嘉興中寶碳纖維有限公司、江蘇澳盛復(fù)合材料科技有限公司等公司，雖同國外企業(yè)還存在很大差距，但已經(jīng)在各領(lǐng)域取得了一定的成果，有效減少了對進(jìn)口產(chǎn)品的依賴。


09 碳纖維預(yù)浸料用樹脂怎么選？

碳纖維預(yù)浸料的樹脂基體的最高工作溫度影響了復(fù)合材料使用溫度，一般而言，環(huán)氧樹脂的工作溫度介于100-200℃之間。碳纖維預(yù)浸料用樹脂的選用應(yīng)符合以下要求：

樹脂的狀態(tài)和化學(xué)性質(zhì)應(yīng)符合產(chǎn)品對象的特定要求；

樹脂的流出量、黏性、可修復(fù)性應(yīng)滿足要求；

單位面積樹脂含量均勻，以保證復(fù)合材料中碳纖維體積含量和力學(xué)性能的穩(wěn)定性和均一性。



文章來源： 材圖，抱拙取巧，創(chuàng)新創(chuàng)造創(chuàng)業(yè)