碳纖維是重要的無(wú)機高性能纖維，這點(diǎn)是由其材料本性、產(chǎn)業(yè)技術(shù)復雜性、應用領(lǐng)域重要性和市場(chǎng)規模性等因素決定的，其首個(gè)市場(chǎng)化應用是1972年市售的碳纖維增強樹(shù)脂釣魚(yú)竿。此后，碳纖維應用快速向以航空航天器主結構材料為代表的高端化發(fā)展。


01 什么是碳纖維預浸料

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


02 碳纖維預浸料的優(yōu)缺點(diǎn)

強度高、密度小：碳纖維預浸料的強度可以達到鋼材的6-12倍，密度只有鋼材四分之一；

可塑性好；可根據模具形狀做成任何形狀，成型容易，便于加工；

耐腐蝕；壽命長(cháng)。

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

非熱壓罐工藝（OOA，Out of Autoclave）的預浸料大力發(fā)展。此成型工藝大大降低了預浸料后續固化成型的時(shí)間與成本，這些新型的預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。

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

針對不同應用的專(zhuān)用預浸料。如汽車(chē)領(lǐng)域，對零件短時(shí)間成型要求高，為滿(mǎn)足后續快速成型工藝，必須開(kāi)發(fā)＜5 min的快速固化預浸料。

板材專(zhuān)用碳纖維預浸料。Gurit開(kāi)發(fā)了SparPregTM，無(wú)需壓實(shí)和借助其他排氣織物，就可以獲得低孔隙率的層合板；在復合材料模具領(lǐng)域，各家也開(kāi)發(fā)了相應的預浸產(chǎn)品。

結構與功能結合的預浸料。在樹(shù)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浸料。


03 碳纖維預浸料種類(lèi)

碳纖維預浸料的種類(lèi)有：

單向碳纖維預浸料和編織碳纖維預浸料。

單向碳纖維預浸料在纖維方向有大的強度，通常用于有不同方向組合的疊層板，而編織碳纖維預浸料具有不同的編織方式，其強度在兩個(gè)方向約相等，可應用于不同的結構物。


04 應用領(lǐng)域

碳纖維主要的應用形式是作為樹(shù)脂材料的增強體，所形成的碳纖維增強樹(shù)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，可應用于高溫高熱領(lǐng)域。對X射線(xiàn)有很強的透過(guò)率，可用于醫療器械。耐腐蝕性，耐氧化，可應用于：

航空航天，例如：飛機機身，飛行器，飛機上的座椅；

軍事領(lǐng)域，例如：雷達罩，指揮車(chē)艙，防彈衣；

水陸交通，例如：汽車(chē)外殼，火車(chē)外殼；

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

建筑工程，例如:橋梁結構加固,碳纖維管構架等；

體育領(lǐng)域，例如:健身器材,球桿；

醫療領(lǐng)域,例如:ct板,牽引床,運動(dòng)員假體等；

日常生活領(lǐng)域,例如:地板,自行車(chē)架,魚(yú)竿,行禮箱等；

時(shí)尚娛樂(lè )領(lǐng)域例如：手機殼，ipad保護套，其他，浴缸，座椅等。


05 碳纖維預浸料生產(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(kāi)，同時(shí)樹(shù)脂加熱后涂布在上下離型紙上。將纖維及涂布樹(shù)脂的上下離型紙同時(shí)導入滾輪中，纖維位于上下離型紙之間，借由滾輪的壓力將樹(shù)脂均勻的散布于纖維之間。纖維含浸樹(shù)脂后經(jīng)過(guò)冷卻或烘干，經(jīng)捲取器捲取成捲軸狀。

碳纖維預浸料生產(chǎn)工藝流程圖


06 碳纖維預浸料的主要生產(chǎn)方式

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

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


07 碳纖維預浸料市場(chǎng)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(guò)程，而且包括下游碳纖維預浸料的生產(chǎn)及復合材料的生產(chǎn)與應用。據復合材料雜志ReinforcedPlastics援引的報告稱(chēng)，到2019年，全球碳纖維預浸料市場(chǎng)將達40億美元，保持快速增長(cháng)，復合增長(cháng)率超過(guò)11%。由于生產(chǎn)成本的飛升和總需求的增長(cháng)，碳纖維預浸料的價(jià)格將以更快的速度上漲。全球的預浸料供應商數量不斷上升，整體的市場(chǎng)充滿(mǎn)著(zhù)創(chuàng )新的活力，產(chǎn)品性能有了更高的表現。


08 碳纖維預浸料主要企業(yè)

著(zhù)名的碳纖維預浸料公司是Toray（東麗）、 Hexcel（赫氏）、Cytec（氰特）、Gurit（固瑞特）和TenCate。占有預浸料市場(chǎng)的大部分份額。國內企業(yè)有中復神鷹碳纖維有限責任公司、江蘇恒神股份有限公司、沈陽(yáng)中恒新材料有限公司、威海光威復合材料有限公司 、四川新萬(wàn)興復合材料有限公司 、嘉興中寶碳纖維有限公司、江蘇澳盛復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(lài)。


09 碳纖維預浸料用樹(shù)脂怎么選？

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

樹(shù)脂的狀態(tài)和化學(xué)性質(zhì)應符合產(chǎn)品對象的特定要求；

樹(shù)脂的流出量、黏性、可修復性應滿(mǎn)足要求；

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



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