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碳纤预浸料技术产品发展趋势

发布时间:2020-06-13 11:01 点击次数: 来源:未知
信息摘要:
碳纤维是最重要的无机高性能纤维,这点是由其材料本性、产业技术复杂性、应用领域重要性和市场规模性等因素决定的,其首个市场化应用是1972年市售的碳纤维增强树脂钓鱼竿。此后 …
碳纤维是最重要的无机高性能纤维,这点是由其材料本性、产业技术复杂性、应用领域重要性和市场规模性等因素决定的,其首个市场化应用是1972年市售的碳纤维增强树脂钓鱼竿。此后,碳纤维应用快速向以航空航天器主结构材料为代表的高端化发展。日本东丽2017年初针对航空航天市场推出号称世界上性能最好的新一代碳纤维预浸料,其拉伸强度和抗冲击性能比上一代产品均提升了30%。该产品解决了长久以来高模量和高韧性不可得兼的技术难题,可以耐受温度极值(极高温和极低温),碳纤维及其制品以其优异的性能深入应用到人类生活的各个领域。
 
什么是碳纤维预浸料
 
预浸料(Prepreg,PreimpregnatedMaterials),是把基体(Matrix)浸渍在强化纤维(Reinforced Fiber)中制成的预浸片材产品,是复合材料的中间材料。
碳纤维预浸料是由增强体,如碳纤维纱、树脂基体、离型纸等材料,经过涂膜、热压、冷却、覆膜、卷取等工艺加工而成的复合材料,又名碳纤维预浸布。
 
性能特点
 
强度高、密度小:碳纤维预浸料的强度可以达到钢材的6-12倍,密度只有钢材四分之一
 
可塑性好;可根据模具形状做成任何形状,成型容易,便于加工
 
耐腐蚀;寿命长
 
 
碳纤维预浸料种类
 
 
 
碳纤维预浸料的种类有:
单向碳纤维预浸料
 
编织碳纤维预浸料 
 
单向碳纤维预浸料在纤维方向有最大的强度,通常用于有不同方向组合的叠层板,而编织碳纤维预浸料具有不同的编织方式,其强度在两个方向约相等,可应用于不同的结构物。
 
应用领域
 
碳纤维最主要的应用形式是作为树脂材料的增强体,所形成的碳纤维增强树脂(CFRP)具有优异的综合性能;用途非常广,碳纤维重量轻,很好的耐烧蚀材料,可应用于高温高热领域。对X射线有很强的透过率,可用于医疗器械。耐腐蚀性,耐氧化,可应用于
 
航空航天,例如:飞机机身,飞行器,飞机上的座椅。
 
军事领域,例如:雷达罩,指挥车舱,防弹衣
 
水陆交通,例如:汽车外壳,火车外壳
 
新能源,例如:风力发电机的叶片,海上采油平台,海洋钻孔平台等
 
建筑工程,例如:桥梁结构加固,碳纤维管构架等
 
体育领域,例如:健身器材,球杆
 
医疗领域,例如:ct板,牵引床,运动员假体等
 
日常生活领域,例如:地板,自行车架,鱼竿,行礼箱等
 
时尚娱乐领域例如:手机壳,ipad保护套,其他,浴缸,座椅等
 
 
 
碳纤维预浸料生产工艺流程
 
由纤维束拼成所需的含量及宽度,然后经纤维架将纤维均匀的分开,同时树脂加热后涂布在上下离型纸上。将纤维及涂布树脂的上下离型纸同时导入滚轮中,纤维位于上下离型纸之间,借由滚轮的压力将树脂均匀的散布于纤维之间。纤维含浸树脂后经过冷却或烘干,经捲取器捲取成捲轴状。
 
 
碳纤维预浸料生产工艺流程图
 
碳纤维预浸料的主要生产方式
 
碳纤维预浸料主要有两种方式:一种为直接将树脂加热,以降低其黏度,便于均匀散布于纤维之间,称为热溶法。另一种为将树脂溶于溶剂中来降低黏度,待树脂含浸纤维后再加热使溶剂挥发,称为溶液浸渍法。
热熔胶法的制程,树脂含量控制容易,可省略烘干的步骤,且无残存的溶剂,但树脂黏度较高,含浸纤维编织物时易造成纤维变形。溶剂法投资成本低,制程简便,但是溶剂的使用易残存于预浸布中,影响最终复合材料的强度,而且造成环境污染的问题。
 
 
 
 
目前碳纤维预浸料主要使用热固性材料:环氧树脂,由于预浸料的树脂固化状态为B-stage,因而捲取的预浸料需于低温环境保存,碳纤维预浸料在室温所能储存的时间称为储存周期,如无低温储存条件,预浸料的制作量必须以在储存周期内能够使用完毕为原则。
 
碳纤维预浸料市场前景
 
碳纤维产业不仅包括聚合、原丝及碳纤维的生产过程,而且包括下游碳纤维预浸料的生产及复合材料的生产与应用。
据复合材料杂志ReinforcedPlastics援引的报告称,到2019年,全球碳纤维预浸料市场将达40亿美元,保持快速增长,复合增长率超过11%。由于生产成本的飞升和总需求的增长,碳纤维预浸料的价格将以更快的速度上涨。全球的预浸料供应商数量不断上升,整体的市场充满着创新的活力,产品性能有了更高的表现。
 
碳纤维预浸料主要企业
 
全世界最著名的碳纤维预浸料公司是Toray(东丽)、 Hexcel(赫氏)、Cytec(氰特)、Gurit(固瑞特)和TenCate。占有预浸料市场的大部分份额。
国内企业有中复神鹰碳纤维有限责任公司、江苏恒神股份有限公司、沈阳中恒新材料有限公司、威海光威复合材料有限公司 、四川新万兴复合材料有限公司 、嘉兴中宝碳纤维有限公司、江苏澳盛复合材料科技有限公司等公司,虽同国外企业还存在很大差距,但已经在各领域取得了一定的成果,有效减少了对进口产品的依赖。
 
碳纤预浸料产品在近几年呈现出新的发展趋势
 
1、 大丝束碳纤维预浸料在工业领域的优势凸显。单向碳纤维预浸料面密度高达600 g/m2,这类厚重的预浸料大大提升了预浸和后续铺放工艺的效率。在风电叶片与汽车领域有广泛的应用。
2、 非热压罐工艺(OOA,Out of Autoclave)的预浸料大力发展。此成型工艺大大降低了预浸料后续固化成型的时间与成本,这些新型的预浸料可以采用较低成本的真空袋压法、先进拉挤法和热模压法。产品如Hexcel的HexPly®M 56,Tencate的TC 250,Cytec的Cycom 532,ACG的MTM 44-1。
3、 不同预浸料产品形态出现。短切预浸料,可以采用经济型的模压工艺,产品如Hexcel的He xmc,De n c a t e的MS系列产品;半预浸料,在预浸工艺时不需要完全―湿透‖纤维,在后续工艺中完成完全浸润,产品如He x c e l的Hexfit。
4、 针对不同应用的专用预浸料。如汽车领域,对零件短时间成型要求高,为满足后续快速成型工艺,必须开发<5 min的快速固化预浸料,产品如Hexcel的Hexply M77,可以在150 ℃下2min固化;为了满足风电叶片支撑梁–厚层合
5、 板的生产,Gurit开发了SparPregTM,无需压实和借助其他排气织物,就可以获得低孔隙率的层合板;在复合材料模具领域,各家也开发了相应的预浸产品,如Hexcel的Hextool,ACG的DFormTM专业产品。
6、 结构与功能结合的预浸料。在树脂中混入纳米碳管或短切碳纤维,再浸润碳纤维丝束或织物,形成具有吸波功能的预浸料。
7、 与其他材料共固化的预浸料。预浸料可以与灌注的树脂共同固化,可以与SMC共同模压固化,也可以用单向预浸料﹢织物预浸料﹢SMC共同模压固化。
上面所述都是说的热固性碳纤维预浸料,其实近年来国外热塑性预浸料发展迅猛比如:德国Cetex研究所是从事纺织品半成品、功能件和高性能结构之制造技术和设备研发的研究所,它附属于德国克姆尼茨理工大学。该研究所的Ce-Preg®热塑性预浸料是用连续纤维与热塑性薄膜复合形成的的纤维复合材料半成品。
热塑性预浸料与热固性预浸料相比,热塑性预浸料无需冷库仓存与运输,后续成型工艺高效且方便,材料的韧性大,抗冲击性能好,尤其可再生利用,符合节能减排绿色环保趋势。
但热塑性预浸料存在的最大问题主要有4 个:
一是热塑性树脂的高粘度导致与纤维的浸润非常困难;
二是还没有合适的低成本、高效率和能保证质量的预浸料制备方法与装备;
三是高性能热塑性树脂成型温度在350 ℃以上,预浸料及其复合材料制品成型工艺难度很大;
四是高性能热塑性树脂与通用热固性树脂相比较价格太昂贵。
目前国际上主要通过粉末喷涂、纤维混纺、薄膜辊压等工艺,获取了不同树脂质量分数精度的热塑性预浸料,分别满足各类成型应用的需要。