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核心技術(shù)

復合材料預浸料的應用與趨勢

2023-04-19 368
隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展與科技的進(jìn)步,普通金屬材料逐漸難以滿(mǎn)足人們的需求。汽車(chē)輕量化、載人航空航天等無(wú)不促使著(zhù)我們加快探索新材料的腳步。由此連續纖維增強熱塑復合材料和熱固復合材料的成功問(wèn)世解決了人們對于材料的特殊需求,為了打破國外技術(shù)壁壘,積極投身于種復合材料的研發(fā)當中,取得了不錯的成果。復合材料顧名思義就是把不同材料按照一定的比例進(jìn)行混合,從而使材料獲得我們所需要的特性。

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說(shuō)到復合材料,就必須提到“預浸料(預浸帶)“了。預浸料俗稱(chēng)模塑料,是用樹(shù)脂在嚴格控制條件下浸漬連續纖維及其織物而制成的組合體,是制造復合材料的中間體。根據選用樹(shù)脂的種類(lèi)可以分為熱塑性預浸料和熱固性預浸料根據選用樹(shù)脂的類(lèi)型分為:環(huán)氧預浸料、聚酰胺預浸料、酚醛預浸料、氰酸酯預浸料、聚砜預浸料、聚醚預浸料等;根據增強材料類(lèi)型分為:碳纖維預浸料、玻璃纖維預浸料、芳綸纖維預浸料、玄武巖纖維預浸料、硼纖維預浸料等:根據增強材料結構型式可分為:單向纖維預浸、短切纖維預浸料、織物預浸料等。

熱塑性與熱固性預浸料的區別

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熱塑性預浸料是復合材料增強材料（玻璃纖維，碳纖維，芳綸等），已預先浸漬了熱塑性樹(shù)脂。用于熱塑性預浸料的常見(jiàn)樹(shù)脂包括PP，PET，PE，PPS和PEEK。熱塑性預浸料可以單向膠帶或編織或縫合的織物的形式提供。熱固性預浸料和熱塑性預浸料之間的主要區別在于，熱塑性預浸料在室溫下是穩定的，并且通常沒(méi)有保存期限。這是熱固性樹(shù)脂和熱塑性樹(shù)脂之間差異的直接結果。

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預浸料復合材料制造中更常用的是熱固性預浸料。使用的主要樹(shù)脂基質(zhì)是環(huán)氧樹(shù)脂。將其他熱固性樹(shù)脂制成預浸料，包括BMI和酚醛樹(shù)脂。使用熱固性預浸料，熱固性樹(shù)脂從液體開(kāi)始，并完全浸漬纖維增強材料。精確地從增強物中去除了多余的樹(shù)脂。同時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂經(jīng)歷部分固化，從而將樹(shù)脂的狀態(tài)從液體改變?yōu)楣腆w。這就是所謂的“ B階段”。在B階段，樹(shù)脂被部分固化并且通常發(fā)粘。當樹(shù)脂升高到高溫時(shí)，它通常會(huì )在完全硬化之前短暫回到液態(tài)。固化后，處于b階段的熱固性樹(shù)脂現已完全交聯(lián)。所制備的復合材料目前已廣泛應用于航空航天、風(fēng)力發(fā)電、高鐵、汽車(chē)、漁具、賽艇等領(lǐng)域。說(shuō)完預浸料,下面我們將介紹四種加工工藝。

復合材料制品加工工藝

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熱壓罐成型:將預浸料按鋪層要求鋪放于模具上,并密封在真空袋中后放入熱壓罐中,經(jīng)過(guò)熱壓罐設備加溫、加壓,完成材料固化反應,使得預浸料胚件成為所需形狀且單面光滑的工藝手法。適合產(chǎn)量不大、面積或體積較大、型面復雜的構建。
真空固化爐成型:原理類(lèi)似熱壓罐成型,優(yōu)點(diǎn)是體積大,可生產(chǎn)更大滿(mǎn)級或體積的構件,也可同時(shí)放入較多中小型構件,使得單個(gè)產(chǎn)品的成型成本低。

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高溫模壓成型:該工藝是將預浸料裁剪成所需的形狀或手工疊成所需造型,將胚料放入模具中,經(jīng)加溫、加壓成型復合材料制品。
感應加熱成型:該工藝是通過(guò)熱源直接接觸模具,使得模具快速升溫,達到成型固化條件。原理類(lèi)似于高溫模壓工藝,但不受模壓設備尺寸限制,可制作大型的尺寸精度要求較高的構件。

預浸料應用領(lǐng)域

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熱固性樹(shù)脂技術(shù)成熟，性能穩定，是目前預浸料主流的基體樹(shù)脂，隨著(zhù)高性能碳纖維品種與質(zhì)量的突破，以及復合材料結構設計制造技術(shù)的提高，特別是國產(chǎn)大飛機產(chǎn)業(yè)的形成，高端預浸料在航空航天領(lǐng)域的應用必將會(huì )有大幅度提升，航空領(lǐng)域預浸料的供應將會(huì )面臨供不應求的局面。
目前我國預浸料行業(yè)還處于成長(cháng)階段，行業(yè)還有較大的增長(cháng)空間，隨著(zhù)我國新材料進(jìn)入由大到強轉變的關(guān)鍵時(shí)期，逐步實(shí)現進(jìn)口替代，我國預浸料產(chǎn)業(yè)將會(huì )保持穩定增長(cháng)。

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在新能源領(lǐng)域，風(fēng)電葉片、光伏多晶硅坩堝以及碳纖維纏繞氣瓶等多個(gè)相關(guān)次級市場(chǎng)對碳纖維復合材料的應用已相對普及，并不斷通過(guò)技術(shù)進(jìn)步增加其應用比重，進(jìn)而成為了帶動(dòng)碳纖維需求快速增長(cháng)的“壓艙石”。以氫能產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展為例，諸如氫能汽車(chē)、氫能重卡、物流車(chē)甚至列車(chē)等的陸續下線(xiàn)，直接催生帶動(dòng)了一大批的碳纖維車(chē)載纏繞氣瓶的需求。
在汽車(chē)領(lǐng)域，無(wú)論是傳統燃油汽車(chē)還是新能源汽車(chē)，車(chē)身、車(chē)架、傳動(dòng)軸等重要部件都迫切需要新材料減重降耗，碳纖維是其中的最佳選擇之一，國內外主流汽車(chē)廠(chǎng)商采用碳纖維復合材料的高端新車(chē)型越來(lái)越多，汽車(chē)領(lǐng)域對預浸料市場(chǎng)需求將不斷增加。

預浸料技術(shù)發(fā)展趨勢

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隨著(zhù)航空航天的輕質(zhì)化、高速化，軌道交通的輕質(zhì)化、阻燃化，電子電器的高集成化的迅速發(fā)展，復合材料的阻燃性、力學(xué)性能、耐熱性、尺寸穩定性的要求越來(lái)越高，預浸料的要求也越來(lái)越嚴苛。未來(lái)，預浸料將往以下方向發(fā)展。
開(kāi)發(fā)新型熱熔預浸料體系。預浸料的制備方法主要有兩種，即溶液浸漬法和熱熔膠膜法，目前以溶液浸漬法為主。溶液浸漬法是將纖維或織物經(jīng)過(guò)樹(shù)脂溶液浸漬后，將樹(shù)脂中的溶劑揮發(fā)掉，并使預浸料達到B階段的工藝；該法生產(chǎn)設備投入少，缺點(diǎn)是預浸料樹(shù)脂含量難以精確控制，大量溶劑揮發(fā)，形成環(huán)境污染。熱熔膠膜法是首先將熔融的樹(shù)脂制成均勻平整的膠膜，而后將膠膜與纖維或織物在一定溫度和壓力下進(jìn)行復合浸漬，得到合格預浸料；此工藝優(yōu)點(diǎn)是樹(shù)脂含量控制精確、揮發(fā)份少，無(wú)環(huán)境污染。為此，開(kāi)發(fā)新型熱熔預浸料體系變得越來(lái)越迫切。

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室溫長(cháng)儲存期。為了降低先進(jìn)復合材料的制造成本，除采用各式各樣的新技術(shù)外，一個(gè)重要方面是大力發(fā)展低溫低壓固化的樹(shù)脂體系。如果在不提高固化溫度的情況下延長(cháng)樹(shù)脂及其預浸料室溫下的使用期，不但不用建立大型的冷藏設備，而且也不用對現有的制件成型設備進(jìn)行改造。這將大幅降低先進(jìn)復合材料在制造和使用中的儲存及工藝成本。
高性能化?！拜p質(zhì)化、長(cháng)壽命、高可靠、高效能、高隱身、高突防、低成本”是新一代飛行器的發(fā)展目標，對預浸料的輕質(zhì)高強、耐高溫、抗燒蝕性、高力學(xué)強度、高介電性能、可設計性等提出了越來(lái)越高的要求。同時(shí)，電子產(chǎn)品向著(zhù)高速化、高頻化方向不斷發(fā)展，同時(shí)對可靠性的要求也越來(lái)越高，對于覆銅板用預浸料，具有高耐熱性、優(yōu)異的介電性能已顯得越來(lái)越重要。

來(lái)源:靈犀研究院
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中國復合材料工業(yè)協(xié)會(huì )

中國復合材料工業(yè)協(xié)會(huì )英文譯文名為CHINA COMPOSITES INDUSTRY ASSOCIATION,縮寫(xiě)CCIA。成立于1984年8月，是經(jīng)中華人民共和國民政部注冊，具有獨立法人資格的社會(huì )團體 （社證字第3258號）。中國復合材料工業(yè)協(xié)會(huì )是新中國對外開(kāi)放后成立的第一批一級行業(yè)社團組織，由國家建材局發(fā)起，北京玻璃鋼研究設計院組織成立，接受?chē)鴦?wù)院國有資產(chǎn)監督管理委員會(huì )行業(yè)協(xié)會(huì )商會(huì )黨建工作局黨建管理。


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