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        復合材料預浸料的應用與趨勢

        2023-04-19 341
        隨著時代的發展與科技的進步,普通金屬材料逐漸難以滿足人們的需求。汽車輕量化、載人航空航天等無不促使著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世解決了人們對于材料的特殊需求,為了打破國外技術壁壘,積極投身于種復合材料的研發當中,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行混合,從而使材料獲得我們所需要的特性。

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        說到復合材料,就必須提到“預浸料(預浸帶)“了。預浸料俗稱模塑料,是用樹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。根據選用樹脂的種類可以分為熱塑性預浸料和熱固性預浸料根據選用樹脂的類型分為:環氧預浸料、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脂。用于熱塑性預浸料的常見樹脂包括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,并且通常沒有保存期限。這是熱固性樹脂和熱塑性樹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。使用的主要樹脂基質是環氧樹脂。將其他熱固性樹脂制成預浸料,包括BMI和酚醛樹脂。使用熱固性預浸料,熱固性樹脂從液體開始,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脂。同時,環氧樹脂經歷部分固化,從而將樹脂的狀態從液體改變為固體。這就是所謂的“ B階段”。在B階段,樹脂被部分固化并且通常發粘。當樹脂升高到高溫時,它通常會在完全硬化之前短暫回到液態。固化后,處于b階段的熱固性樹脂現已完全交聯。所制備的復合材料目前已廣泛應用于航空航天、風力發電、高鐵、汽車、漁具、賽艇等領域。說完預浸料,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,經過熱壓罐設備加溫、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:原理類似熱壓罐成型,優點是體積大,可生產更大滿級或體積的構件,也可同時放入較多中小型構件,使得單個產品的成型成本低。

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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,經加溫、加壓成型復合材料制品。
        感應加熱成型:該工藝是通過熱源直接接觸模具,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。

        預浸料應用領域

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        熱固性樹脂技術成熟,性能穩定,是目前預浸料主流的基體樹脂,隨著高性能碳纖維品種與質量的突破,以及復合材料結構設計制造技術的提高,特別是國產大飛機產業的形成,高端預浸料在航空航天領域的應用必將會有大幅度提升,航空領域預浸料的供應將會面臨供不應求的局面。
        目前我國預浸料行業還處于成長階段,行業還有較大的增長空間,隨著我國新材料進入由大到強轉變的關鍵時期,逐步實現進口替代,我國預浸料產業將會保持穩定增長。

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        在新能源領域,風電葉片、光伏多晶硅坩堝以及碳纖維纏繞氣瓶等多個相關次級市場對碳纖維復合材料的應用已相對普及,并不斷通過技術進步增加其應用比重,進而成為了帶動碳纖維需求快速增長的“壓艙石”。以氫能產業的不斷發展為例,諸如氫能汽車、氫能重卡、物流車甚至列車等的陸續下線,直接催生帶動了一大批的碳纖維車載纏繞氣瓶的需求。
        在汽車領域,無論是傳統燃油汽車還是新能源汽車,車身、車架、傳動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,國內外主流汽車廠商采用碳纖維復合材料的高端新車型越來越多,汽車領域對預浸料市場需求將不斷增加。

        預浸料技術發展趨勢

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        隨著航空航天的輕質化、高速化,軌道交通的輕質化、阻燃化,電子電器的高集成化的迅速發展,復合材料的阻燃性、力學性能、耐熱性、尺寸穩定性的要求越來越高,預浸料的要求也越來越嚴苛。未來,預浸料將往以下方向發展。
        開發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過樹脂溶液浸漬后,將樹脂中的溶劑揮發掉,并使預浸料達到B階段的工藝;該法生產設備投入少,缺點是預浸料樹脂含量難以精確控制,大量溶劑揮發,形成環境污染。熱熔膠膜法是首先將熔融的樹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行復合浸漬,得到合格預浸料;此工藝優點是樹脂含量控制精確、揮發份少,無環境污染。為此,開發新型熱熔預浸料體系變得越來越迫切。

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        室溫長儲存期。為了降低先進復合材料的制造成本,除采用各式各樣的新技術外,一個重要方面是大力發展低溫低壓固化的樹脂體系。如果在不提高固化溫度的情況下延長樹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行改造。這將大幅降低先進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質化、長壽命、高可靠、高效能、高隱身、高突防、低成本”是新一代飛行器的發展目標,對預浸料的輕質高強、耐高溫、抗燒蝕性、高力學強度、高介電性能、可設計性等提出了越來越高的要求。同時,電子產品向著高速化、高頻化方向不斷發展,同時對可靠性的要求也越來越高,對于覆銅板用預浸料,具有高耐熱性、優異的介電性能已顯得越來越重要。

        來源:靈犀研究院
        此文由中國復合材料工業協會搜集自網絡,文章不用于商業目的,僅供行業人士交流,引用請注明出處。

        END


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        中國復合材料工業協會

        中國復合材料工業協會英文譯文名為CHINA COMPOSITES INDUSTRY ASSOCIATION,縮寫CCIA。成立于1984年8月,是經中華人民共和國民政部注冊,具有獨立法人資格的社會團體 (社證字第3258號)。中國復合材料工業協會是新中國對外開放后成立的第一批一級行業社團組織,由國家建材局發起,北京玻璃鋼研究設計院組織成立,接受國務院國有資產監督管理委員會行業協會商會黨建工作局黨建管理。


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        文章源自:秘書處     中國復材      原文


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