碳纖維是最重要的無(wú)機(jī)高性能纖維，這點(diǎn)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(chǎng)規(guī)模性等因素決定的，其首個(gè)市場(chǎng)化應(yīng)用是1972年市售的碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂釣魚(yú)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。日本東麗2017年初針對(duì)航空航天市場(chǎng)推出號(hào)稱世界上性能最好的新一代碳纖維預(yù)浸料，其拉伸強(qiáng)度和抗沖擊性能比上一代產(chǎn)品均提升了30%。該產(chǎn)品解決了長(zhǎng)久以來(lái)高模量和高韌性不可得兼的技術(shù)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(yōu)異的性能深入應(yīng)用到人類生活的各個(gè)領(lǐng)域。

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。

碳纖維預(yù)浸料是由增強(qiáng)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(fù)合材料，又名碳纖維預(yù)浸布。

性能特點(diǎn)

• 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(zhǎng)
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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
• 編織碳纖維預(yù)浸料

單向碳纖維預(yù)浸料在纖維方向有最大的強(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(gè)方向約相等，可應(yīng)用于不同的結(jié)構(gòu)物。

應(yīng)用領(lǐng)域

碳纖維最主要的應(yīng)用形式是作為樹(shù)脂材料的增強(qiáng)體，所形成的碳纖維增強(qiáng)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(yīng)用于高溫高熱領(lǐng)域。對(duì)X射線有很強(qiáng)的透過(guò)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(tái),海洋鉆孔平臺(tái)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(yùn)動(dòng)員假體等
• 日常生活領(lǐng)域,例如:地板,自行車架,魚(yú)竿,行禮箱等
• 時(shí)尚娛樂(lè)領(lǐng)域例如：手機(jī)殼，ipad保護(hù)套，其他，浴缸，座椅等

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(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(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(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(yù)浸料生產(chǎn)工藝流程圖

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(shù)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(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(yù)浸布中，影響最終復(fù)合材料的強(qiáng)度，而且造成環(huán)境污染的問(wèn)題。

 

目前碳纖維預(yù)浸料主要使用熱固性材料：環(huán)氧樹(shù)脂，由于預(yù)浸料的樹(shù)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(chǔ)存的時(shí)間稱為儲(chǔ)存周期，如無(wú)低溫儲(chǔ)存條件，預(yù)浸料的制作量必須以在儲(chǔ)存周期內(nèi)能夠使用完畢為原則

碳纖維預(yù)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(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(bào)告稱，到2019年，全球碳纖維預(yù)浸料市場(chǎng)將達(dá)40億美元，保持快速增長(zhǎng)，復(fù)合增長(zhǎng)率超過(guò)11%。由于生產(chǎn)成本的飛升和總需求的增長(zhǎng)，碳纖維預(yù)浸料的價(jià)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(chǎng)充滿著創(chuàng)新的活力，產(chǎn)品性能有了更高的表現(xiàn)。

碳纖維預(yù)浸料主要企業(yè)

全世界最著名的碳纖維預(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(chǎng)的大部分份額。

國(guó)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(yáng)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(wàn)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(guó)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(duì)進(jìn)口產(chǎn)品的依賴。

碳纖預(yù)浸料產(chǎn)品在近幾年呈現(xiàn)出新的發(fā)展趨勢(shì)

1、 大絲束碳纖維預(yù)浸料在工業(yè)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)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。

2、 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(shí)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。產(chǎn)品如Hexcel的HexPly®M 56，Tencate的TC 250，Cytec的Cycom 532，ACG的MTM 44-1。

3、 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，產(chǎn)品如Hexcel的He xmc，De n c a t e的MS系列產(chǎn)品；半預(yù)浸料，在預(yù)浸工藝時(shí)不需要完全―濕透‖纖維，在后續(xù)工藝中完成完全浸潤(rùn)，產(chǎn)品如He x c e l的Hexfit。

4、 針對(duì)不同應(yīng)用的專用預(yù)浸料。如汽車領(lǐng)域，對(duì)零件短時(shí)間成型要求高，為滿足后續(xù)快速成型工藝，必須開(kāi)發(fā)＜5 min的快速固化預(yù)浸料，產(chǎn)品如Hexcel的Hexply M77，可以在150 ℃下2min固化；為了滿足風(fēng)電葉片支撐梁–厚層合

5、 板的生產(chǎn)，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(fù)合材料模具領(lǐng)域，各家也開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的預(yù)浸產(chǎn)品，如Hexcel的Hextool，ACG的DFormTM專業(yè)產(chǎn)品。

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

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

上面所述都是說(shuō)的熱固性碳纖維預(yù)浸料，其實(shí)近年來(lái)國(guó)外熱塑性預(yù)浸料發(fā)展迅猛比如：德國(guó)Cetex研究所是從事紡織品半成品、功能件和高性能結(jié)構(gòu)之制造技術(shù)和設(shè)備研發(fā)的研究所，它附屬于德國(guó)克姆尼茨理工大學(xué)。該研究所的Ce-Preg®熱塑性預(yù)浸料是用連續(xù)纖維與熱塑性薄膜復(fù)合形成的的纖維復(fù)合材料半成品。

熱塑性預(yù)浸料與熱固性預(yù)浸料相比，熱塑性預(yù)浸料無(wú)需冷庫(kù)倉(cāng)存與運(yùn)輸，后續(xù)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(jié)能減排綠色環(huán)保趨勢(shì)。

但熱塑性預(yù)浸料存在的最大問(wèn)題主要有4 個(gè)：

• 一是熱塑性樹(shù)脂的高粘度導(dǎo)致與纖維的浸潤(rùn)非常困難；
• 二是還沒(méi)有合適的低成本、高效率和能保證質(zhì)量的預(yù)浸料制備方法與裝備；
• 三是高性能熱塑性樹(shù)脂成型溫度在350 ℃以上，預(yù)浸料及其復(fù)合材料制品成型工藝難度很大；
• 四是高性能熱塑性樹(shù)脂與通用熱固性樹(shù)脂相比較價(jià)格太昂貴。

目前國(guó)際上主要通過(guò)粉末噴涂、纖維混紡、薄膜輥壓等工藝，獲取了不同樹(shù)脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)精度的熱塑性預(yù)浸料，分別滿足各類成型應(yīng)用的需要。