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1碳纖維預(yù)浸料

 

1.1 碳纖維預(yù)浸料

 

碳纖維預(yù)浸料是指連續(xù)碳纖維、碳纖維織物或短切碳纖維在一定工藝條件下經(jīng)過樹脂基體浸漬形成的碳纖維/樹脂基體的混合體，它是制造先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的一種主要材料方式。

 

作為一種纖維增強(qiáng)樹脂基材料，碳纖維預(yù)浸料在高溫加壓條件下可以固化成型，從而得到高強(qiáng)質(zhì)輕的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。復(fù)合材料幾種主要成型技術(shù)如圖1所示，而預(yù)浸料依靠其優(yōu)異性能成為復(fù)合材料主流材料之一。

 

圖1 復(fù)合材料主要成型技術(shù)

 

圖2顯示了復(fù)合材料與傳統(tǒng)金屬、混凝土、木材等材料的性能對比，復(fù)合材料的性能優(yōu)勢體現(xiàn)在：重量輕、強(qiáng)度高、剛度好等；尤其是其輕質(zhì)高強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，使其成為航空、航天、汽車輕量化等青睞的關(guān)鍵材料。

 

圖2 復(fù)合材料主要性能優(yōu)勢

 

1.2 碳纖維預(yù)浸料主要形式

 

碳纖維預(yù)浸料主要由碳纖維和樹脂基體兩大組分組成，按照碳纖維增強(qiáng)方式，碳纖維預(yù)浸料可以分為單向增強(qiáng)和多向增強(qiáng)兩種，如圖3所示。目前碳纖維預(yù)浸料已經(jīng)在航空航天、工業(yè)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

圖3 碳纖維預(yù)浸料主要形式

 

 

2碳纖維預(yù)浸料中的材料性能

 

2.1 碳纖維

 

碳纖維與其他增強(qiáng)纖維的密度和成本對比如圖4所示，碳纖維的密度介于芳綸纖維與玻璃纖維之間，其成本要高于其他傳統(tǒng)增強(qiáng)纖維，尤其是高模量碳纖維成本最高。

 

圖4 碳纖維密度、成本與其他增強(qiáng)纖維對比

 

碳纖維與其他增強(qiáng)纖維力學(xué)性能對比如圖5所示，碳纖維在強(qiáng)度和模量上較之其他增強(qiáng)纖維均具有一定優(yōu)勢。但是，碳纖維生產(chǎn)成本也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他增強(qiáng)纖維。

 

 

圖5 碳纖維性能與其他增強(qiáng)纖維對比

 

2.2 碳纖維織物

 

按照碳纖維編織方式，碳纖維織物可以分為機(jī)織物、針織物和無紡布，其中機(jī)織物按照經(jīng)、緯向纖維交織規(guī)律可以分為平紋、斜紋和緞紋，如圖6所示。

 

圖6 碳纖維機(jī)織物幾種形式

 

碳纖維無紡布又稱非織造布，它是指未經(jīng)編織一種織物，如圖7所示，傳統(tǒng)紡織纖維無紡布成型方法主要包括水刺法、針刺法、熱軋法等方法。

 

 

 

圖7 碳纖維無紡布

 

2.3 樹脂基體性能

 

目前碳纖維預(yù)浸料常用的樹脂基體為環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、雙馬樹脂等，不同類型樹脂的優(yōu)點(diǎn)、使用情況如下表所示。

 

 

 

 

 

 

3碳纖維預(yù)浸料加工工藝

 

碳纖維預(yù)浸料主要有兩種生產(chǎn)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，稱為熱熔法。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。

 

目前碳纖維預(yù)浸料常用的熱熔法又可以分為一步法（圖8）和兩步法（圖9）。在兩步法中第一步需要先制備樹脂膜，然后進(jìn)行預(yù)浸處理，目前國內(nèi)碳纖維預(yù)浸料約90%工藝采用熱熔兩步法。

 

▲ 圖8 碳纖維預(yù)浸料熱熔一步法成型工藝

 

▲ 圖9 碳纖維預(yù)浸料熱熔兩步法成型工藝