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碳纖預浸料技術產品發展趨勢
- 2021-03-26-

        碳纖維是最重要的無機高性能纖維,這點是由其材料本性、產業技術復雜性、應用領域重要性和市場規模性等因素決定的,其首個市場化應用是1972年市售的碳纖維增強樹脂釣魚竿。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展。日本東麗2017年初針對航空航天市場推出號稱世界上性能最好的新一代碳纖維預浸料,其拉伸強度和抗沖擊性能比上一代產品均提升了30%。該產品解決了長久以來高模量和高韌性不可得兼的技術難題,可以耐受溫度極值(極高溫和極低溫),碳纖維及其制品以其優異的性能深入應用到人類生活的各個領域。

        

        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品,是復合材料的中間材料。

        碳纖維預浸料是由增強體,如碳纖維紗、樹脂基體、離型紙等材料,經過涂膜、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。

        

        性能特點

        強度高、密度?。禾祭w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

        

        碳纖維預浸料的種類有:

        單向碳纖維預浸料

        編織碳纖維預浸料 

        單向碳纖維預浸料在纖維方向有最大的強度,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,其強度在兩個方向約相等,可應用于不同的結構物。

        

        應用領域

        碳纖維最主要的應用形式是作為樹脂材料的增強體,所形成的碳纖維增強樹脂(CFRP)具有優異的綜合性能;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域。對X射線有很強的透過率,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。

        軍事領域,例如:雷達罩,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:風力發電機的葉片,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

        體育領域,例如:健身器材,球桿

        醫療領域,例如:ct板,牽引床,運動員假體等

        日常生活領域,例如:地板,自行車架,魚竿,行禮箱等

        時尚娛樂領域例如:手機殼,ipad保護套,其他,浴缸,座椅等

        

        碳纖維預浸料生產工藝流程

        由纖維束拼成所需的含量及寬度,然后經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。纖維含浸樹脂后經過冷卻或烘干,經捲取器捲取成捲軸狀。

        

        碳纖維預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,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浸布中,影響最終復合材料的強度,而且造成環境污染的問題。

        

        目前碳纖維預浸料主要使用熱固性材料:環氧樹脂,由于預浸料的樹脂固化狀態為B-stage,因而捲取的預浸料需于低溫環境保存,碳纖維預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,預浸料的制作量必須以在儲存周期內能夠使用完畢為原則。

        

        碳纖維預浸料市場前景

        碳纖維產業不僅包括聚合、原絲及碳纖維的生產過程,而且包括下游碳纖維預浸料的生產及復合材料的生產與應用。

        據復合材料雜志ReinforcedPlastics援引的報告稱,到2019年,全球碳纖維預浸料市場將達40億美元,保持快速增長,復合增長率超過11%。由于生產成本的飛升和總需求的增長,碳纖維預浸料的價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,整體的市場充滿著創新的活力,產品性能有了更高的表現。

        

        碳纖維預浸料主要企業

        全世界最著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。占有預浸料市場的大部分份額。

        國內企業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,雖同國外企業還存在很大差距,但已經在各領域取得了一定的成果,有效減少了對進口產品的依賴。

        

        碳纖預浸料產品在近幾年呈現出新的發展趨勢

        1、 大絲束碳纖維預浸料在工業領域的優勢凸顯。單向碳纖維預浸料面密度高達600 g/m2,這類厚重的預浸料大大提升了預浸和后續鋪放工藝的效率。在風電葉片與汽車領域有廣泛的應用。


        2、 非熱壓罐工藝(OOA,Out of Autoclave)的預浸料大力發展。此成型工藝大大降低了預浸料后續固化成型的時間與成本,這些新型的預浸料可以采用較低成本的真空袋壓法、先進拉擠法和熱模壓法。產品如Hexcel的HexPly?M 56,Tencate的TC 250,Cytec的Cycom 532,ACG的MTM 44-1。


        3、 不同預浸料產品形態出現。短切預浸料,可以采用經濟型的模壓工藝,產品如Hexcel的He xmc,De n c a t e的MS系列產品;半預浸料,在預浸工藝時不需要完全―濕透‖纖維,在后續工藝中完成完全浸潤,產品如He x c e l的Hexfit。(轉自嚴說一點)


        4、 針對不同應用的專用預浸料。如汽車領域,對零件短時間成型要求高,為滿足后續快速成型工藝,必須開發<5 min的快速固化預浸料,產品如Hexcel的Hexply M77,可以在150 ℃下2min固化;為了滿足風電葉片支撐梁–厚層合


        5、 板的生產,Gurit開發了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;在復合材料模具領域,各家也開發了相應的預浸產品,如Hexcel的Hextool,ACG的DFormTM專業產品。


        6、 結構與功能結合的預浸料。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浸料。


        7、 與其他材料共固化的預浸料。預浸料可以與灌注的樹脂共同固化,可以與SMC共同模壓固化,也可以用單向預浸料﹢織物預浸料﹢SMC共同模壓固化。


        上面所述都是說的熱固性碳纖維預浸料,其實近年來國外熱塑性預浸料發展迅猛比如:德國Cetex研究所是從事紡織品半成品、功能件和高性能結構之制造技術和設備研發的研究所,它附屬于德國克姆尼茨理工大學。該研究所的Ce-Preg?熱塑性預浸料是用連續纖維與熱塑性薄膜復合形成的的纖維復合材料半成品。


        熱塑性預浸料與熱固性預浸料相比,熱塑性預浸料無需冷庫倉存與運輸,后續成型工藝高效且方便,材料的韌性大,抗沖擊性能好,尤其可再生利用,符合節能減排綠色環保趨勢。


        但熱塑性預浸料存在的最大問題主要有4 個:

        一是熱塑性樹脂的高粘度導致與纖維的浸潤非常困難;


        二是還沒有合適的低成本、高效率和能保證質量的預浸料制備方法與裝備;


        三是高性能熱塑性樹脂成型溫度在350 ℃以上,預浸料及其復合材料制品成型工藝難度很大;


        四是高性能熱塑性樹脂與通用熱固性樹脂相比較價格太昂貴。


        目前國際上主要通過粉末噴涂、纖維混紡、薄膜輥壓等工藝,獲取了不同樹脂質量分數精度的熱塑性預浸料,分別滿足各類成型應用的需要。

        

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