發(fā)表時(shí)間：2021/6/10 來(lái)源：《探索科學(xué)》2021年4月 作者：李文斌
| [導(dǎo)讀] 許多高機(jī)能產(chǎn)品均選擇碳纖維復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)部件，碳纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度、長(zhǎng)久性等其它特點(diǎn)都要取決于碳纖維預(yù)浸料的特點(diǎn)，利用范疇的不同，預(yù)浸料的類(lèi)型也是不一樣的。目前我國(guó)在此方面的研究取得了一定成果。本文介紹了碳纖維預(yù)浸料種類(lèi)及生產(chǎn)方式，對(duì)碳纖維預(yù)浸料現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，分析未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，以期推動(dòng)我國(guó)碳纖維預(yù)浸料更好的發(fā)展。 |
哈爾濱玻璃鋼研究院有限公司 李文斌 150000
如今，許多高機(jī)能產(chǎn)品均選擇碳纖維復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)部件，碳纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度、長(zhǎng)久性等其它特點(diǎn)都要取決于碳纖維預(yù)浸料的特點(diǎn)，利用范疇的不同，預(yù)浸料的類(lèi)型也是不一樣的。目前我國(guó)在此方面的研究取得了一定成果。本文介紹了碳纖維預(yù)浸料種類(lèi)及生產(chǎn)方式，對(duì)碳纖維預(yù)浸料現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，分析未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，以期推動(dòng)我國(guó)碳纖維預(yù)浸料更好的發(fā)展。
關(guān)鍵詞：材料 碳纖維 預(yù)浸料 發(fā)展趨勢(shì)
前言
碳纖維預(yù)浸料屬于新型高性能復(fù)合材料，能夠拓展碳纖維應(yīng)用范圍，有效提升碳纖維附加價(jià)值。一定條件下將碳纖維絲同多種樹(shù)脂等有機(jī)聚合，再通過(guò)浸膠、擠膠、烘干、墊鋪隔離紙、壓實(shí)等步驟制作成的復(fù)合材料，又被稱(chēng)作碳纖維預(yù)浸布。碳纖維預(yù)浸料經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，應(yīng)用前景巨大，是未來(lái)的先進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)材料，而且在國(guó)防軍工設(shè)備制造上，也離不開(kāi)該材料的使用。在當(dāng)前的軍事領(lǐng)域中，很多產(chǎn)品都有所涉及，比如防彈車(chē)、火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、防彈衣等；在民用領(lǐng)域，大多應(yīng)用在航空釣具、航天設(shè)備、運(yùn)動(dòng)器材等產(chǎn)品的生產(chǎn)中。
1.碳纖維預(yù)浸料種類(lèi)及生產(chǎn)方式
1.1種類(lèi)
編織碳纖維預(yù)浸料、單向碳纖維預(yù)浸料是碳纖維預(yù)浸料的兩個(gè)種類(lèi)。編織碳纖維預(yù)浸料有著不同的編織方式，應(yīng)用也要更加普遍。由于其在兩個(gè)方向的強(qiáng)度相同，因此在多種不同的結(jié)構(gòu)物中都可應(yīng)用到。與編織碳纖維預(yù)浸料相比，最大的差距在纖維方向上，單向碳纖維預(yù)浸料具有最大的強(qiáng)度，在其使用上，大多應(yīng)用在不同方向組合的疊層板上。當(dāng)前碳纖維預(yù)浸料的制備原材料較為固定，通常選擇的是熱固性材料：環(huán)氧樹(shù)脂，受到預(yù)浸料樹(shù)脂固化狀態(tài)為B-stage的影響，對(duì)于其保存環(huán)境需要特別注意，確保捲取的預(yù)浸料始終處在低溫條件中。碳纖維預(yù)浸料在室溫所能儲(chǔ)存的時(shí)間稱(chēng)為儲(chǔ)存周期，若是儲(chǔ)存條件有限，不能達(dá)到低溫要求，此時(shí)對(duì)于預(yù)浸料制作量將就會(huì)有特別規(guī)定，制作量遵循的首要原則，就是需要再儲(chǔ)存周期內(nèi)全部用盡
1.2生產(chǎn)方式
熱熔法、浸漬法是碳纖維預(yù)浸料的兩種主要生產(chǎn)方式。熱熔法是在一定的壓力跟溫度下，把合乎請(qǐng)求的樹(shù)脂膠膜跟相應(yīng)的纖維或織物經(jīng)過(guò)熱熔浸膠機(jī)進(jìn)行熱壓浸漬，所制造出來(lái)的資料即為熱熔預(yù)浸料。該方法目前使用較多，制備得到的熱熔預(yù)浸料優(yōu)點(diǎn)比較明顯，一是樹(shù)脂含量可以很容易進(jìn)行控制；二是環(huán)保效益好，不會(huì)有溶劑殘留。缺點(diǎn)也較為突出，一旦樹(shù)脂粘度較高，就會(huì)導(dǎo)致纖維變形的現(xiàn)象發(fā)生；溶液浸漬法，將樹(shù)脂溶于一種低沸點(diǎn)的溶劑中，形成一種存在特定濃度的溶液，再將纖維束或者織物按劃定的速度浸漬樹(shù)脂溶液，用幫助工具把持樹(shù)脂的含量，而后通過(guò)干燥使低沸點(diǎn)的溶劑揮發(fā)，最后收卷。該方法投資成本不高，制造工藝不復(fù)雜，但是在生產(chǎn)中會(huì)有殘留的溶劑產(chǎn)生，這將會(huì)給環(huán)境帶來(lái)污染，所以此方法的使用頻率越來(lái)越低。
2.國(guó)內(nèi)外預(yù)浸料發(fā)展現(xiàn)狀
現(xiàn)如今碳纖維預(yù)浸料利用其優(yōu)異的性能特點(diǎn)，隨著國(guó)內(nèi)外科學(xué)技術(shù)的多年發(fā)展，應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在復(fù)合材料領(lǐng)域中有著非常重要的影響，成為不可忽視的一部分。在碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用中，預(yù)浸料使用占比很大，超過(guò)七成的先進(jìn)復(fù)合材料產(chǎn)品均需要通過(guò)預(yù)浸料鋪迭固化得到。預(yù)浸料內(nèi)在質(zhì)量決定了復(fù)合材料力學(xué)、化學(xué)性能的大小，其使用狀態(tài)也同復(fù)合材料的成型工藝存在聯(lián)系。隨著科技進(jìn)步發(fā)展，碳纖維制品的優(yōu)勢(shì)逐漸展現(xiàn)，因此更多的受到市場(chǎng)歡迎，碳纖維預(yù)浸料市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿薮?，有待進(jìn)一步研究。
2.1國(guó)外預(yù)浸料市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀
在碳纖維行業(yè)中，碳纖維預(yù)浸料屬于其下游產(chǎn)品。在國(guó)際上，日本在該行業(yè)發(fā)展迅速，掌握最先進(jìn)的碳纖維技術(shù)，其產(chǎn)量也要超過(guò)其他國(guó)家。美國(guó)對(duì)于該產(chǎn)品的消耗量是最大的，超過(guò)了世界消費(fèi)量一半以上。目前，全球每年碳纖維市場(chǎng)需求約75000噸，而且以每年百分之十到百分之十五的速率在保持增長(zhǎng)。隨著風(fēng)能市場(chǎng)、汽車(chē)輕量化時(shí)代到來(lái)，對(duì)于碳纖維市場(chǎng)來(lái)說(shuō)有著巨大發(fā)展?jié)摿?，需求量保守估?jì)在未來(lái)很多年都將會(huì)持續(xù)提升。據(jù)有關(guān)預(yù)測(cè)，碳纖維市場(chǎng)規(guī)模復(fù)合年均增長(zhǎng)率在近六年時(shí)間里，將會(huì)達(dá)到11%。在三大應(yīng)用領(lǐng)域上，航空航天、工業(yè)應(yīng)用、體育休閑占比也將迎來(lái)新高，分別達(dá)到15%、65%和20%。
2.2國(guó)內(nèi)預(yù)浸料市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀
在我國(guó)，過(guò)去碳纖維預(yù)浸料傳統(tǒng)市場(chǎng)較為局限，主要運(yùn)用在運(yùn)動(dòng)用品上，比如網(wǎng)球拍、自行車(chē)、釣魚(yú)竿、高爾夫球桿等。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，航空航天、軌道交通和風(fēng)電等行業(yè)領(lǐng)域也迎來(lái)質(zhì)的飛躍，對(duì)于碳纖維預(yù)浸料的應(yīng)用也逐漸增加，進(jìn)一步促進(jìn)了該市場(chǎng)的需求發(fā)展。但是同國(guó)際上先進(jìn)水平相比，不管在技術(shù)水平或者產(chǎn)品產(chǎn)量上來(lái)看，我國(guó)的預(yù)浸料產(chǎn)品起步較慢，還有很多需要解決完善的地方。高端產(chǎn)品相對(duì)匱乏，滿足日常需求還要靠從國(guó)外進(jìn)口。目前我國(guó)預(yù)浸料年需求量較高，應(yīng)用領(lǐng)域也存在缺陷，整體來(lái)看還有很大的局限性。產(chǎn)品大多集中在體育休閑產(chǎn)業(yè)，占比達(dá)到60%，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，在航空航天、工業(yè)應(yīng)用上的占較低，分別只有5%、35%。這就導(dǎo)致的實(shí)際情況是，航空航天、風(fēng)電、汽車(chē)和軌道交通等高端工業(yè)領(lǐng)域的預(yù)浸料產(chǎn)品不能自給自足，對(duì)進(jìn)口有著很強(qiáng)的依賴(lài)性。國(guó)內(nèi)的預(yù)浸料廠家主要產(chǎn)品受此因素影響，更多的將注意力放在較為低端的體育休閑以及一般的工業(yè)領(lǐng)域上，使該行業(yè)產(chǎn)品價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)十分激烈。
3.碳纖維預(yù)浸料未來(lái)趨勢(shì)
工業(yè)領(lǐng)域中，大絲束碳纖維預(yù)浸料將發(fā)揮更大優(yōu)勢(shì)。單向碳纖維預(yù)浸料面密度高達(dá) 600g/m2，該類(lèi)預(yù)浸料在有兩個(gè)特點(diǎn)，一是提高預(yù)浸，二是提高后續(xù)鋪放工藝效率。在風(fēng)電葉片、汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用將會(huì)變得普遍，發(fā)展前景較為光明。
不同預(yù)浸料產(chǎn)品形態(tài)的出現(xiàn)。短切預(yù)浸料，選擇經(jīng)濟(jì)型的模壓工藝；半預(yù)浸料，預(yù)浸工藝不用完全“濕透”纖維，隨著工藝的進(jìn)行，完全浸潤(rùn)在后續(xù)工作中完成即可。
非熱壓罐工藝的預(yù)浸料大力發(fā)展。在過(guò)去預(yù)浸料后續(xù)固化成型時(shí)間和成本較大，影響其推廣使用。有了新工藝的發(fā)展，時(shí)間、成本都將會(huì)有效降低。
結(jié)構(gòu)與功能結(jié)合的預(yù)浸料。將納米碳管或短切碳纖維混入到樹(shù)脂中，再將碳纖維絲束或織物進(jìn)行浸潤(rùn)，從而得到新的預(yù)浸料，新制備的預(yù)浸料獲得新性能，具備了吸波功能。
熱塑性碳纖維預(yù)浸料。不會(huì)再受到冷庫(kù)倉(cāng)存以及運(yùn)輸制約，后續(xù)成型工藝高效，制備出的材料優(yōu)點(diǎn)很多，不僅韌性大，抗沖擊性能好，而且經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益更高，可再生循環(huán)利用。
超薄碳纖維預(yù)浸料復(fù)合材料。同常規(guī)預(yù)浸料相比，尺寸優(yōu)勢(shì)巨大，在力學(xué)性能上也要更為優(yōu)越，穩(wěn)定性能更高，有效防止裂紋現(xiàn)象發(fā)生。
4.總結(jié)
碳纖維預(yù)浸料材料性能良好，在我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用具有重要意義。所以目前在軍用、民用設(shè)備中更多的有了應(yīng)用，行業(yè)發(fā)展速度加快。在生產(chǎn)方面，雖然在如今的全球市場(chǎng)中，發(fā)達(dá)國(guó)家企業(yè)占據(jù)較高市場(chǎng)份額，但是隨著我國(guó)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了碳纖維預(yù)浸料國(guó)產(chǎn)化，未來(lái)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)仍依然將會(huì)有著很大的發(fā)展前景。
參考文獻(xiàn)
[1]孟雨辰，王彥輝，荊蓉，張銳濤，張興剛.碳纖維復(fù)合材料用環(huán)氧樹(shù)脂體系研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代化工，2020，40(1)：75-78.
2.1國(guó)外預(yù)浸料市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀
在碳纖維行業(yè)中，碳纖維預(yù)浸料屬于其下游產(chǎn)品。在國(guó)際上，日本在該行業(yè)發(fā)展迅速，掌握最先進(jìn)的碳纖維技術(shù)，其產(chǎn)量也要超過(guò)其他國(guó)家。美國(guó)對(duì)于該產(chǎn)品的消耗量是最大的，超過(guò)了世界消費(fèi)量一半以上。目前，全球每年碳纖維市場(chǎng)需求約75000噸，而且以每年百分之十到百分之十五的速率在保持增長(zhǎng)。隨著風(fēng)能市場(chǎng)、汽車(chē)輕量化時(shí)代到來(lái)，對(duì)于碳纖維市場(chǎng)來(lái)說(shuō)有著巨大發(fā)展?jié)摿Γ枨罅勘Ｊ毓烙?jì)在未來(lái)很多年都將會(huì)持續(xù)提升。據(jù)有關(guān)預(yù)測(cè)，碳纖維市場(chǎng)規(guī)模復(fù)合年均增長(zhǎng)率在近六年時(shí)間里，將會(huì)達(dá)到11%。在三大應(yīng)用領(lǐng)域上，航空航天、工業(yè)應(yīng)用、體育休閑占比也將迎來(lái)新高，分別達(dá)到15%、65%和20%。
2.2國(guó)內(nèi)預(yù)浸料市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀
在我國(guó)，過(guò)去碳纖維預(yù)浸料傳統(tǒng)市場(chǎng)較為局限，主要運(yùn)用在運(yùn)動(dòng)用品上，比如網(wǎng)球拍、自行車(chē)、釣魚(yú)竿、高爾夫球桿等。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，航空航天、軌道交通和風(fēng)電等行業(yè)領(lǐng)域也迎來(lái)質(zhì)的飛躍，對(duì)于碳纖維預(yù)浸料的應(yīng)用也逐漸增加，進(jìn)一步促進(jìn)了該市場(chǎng)的需求發(fā)展。但是同國(guó)際上先進(jìn)水平相比，不管在技術(shù)水平或者產(chǎn)品產(chǎn)量上來(lái)看，我國(guó)的預(yù)浸料產(chǎn)品起步較慢，還有很多需要解決完善的地方。高端產(chǎn)品相對(duì)匱乏，滿足日常需求還要靠從國(guó)外進(jìn)口。目前我國(guó)預(yù)浸料年需求量較高，應(yīng)用領(lǐng)域也存在缺陷，整體來(lái)看還有很大的局限性。產(chǎn)品大多集中在體育休閑產(chǎn)業(yè)，占比達(dá)到60%，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，在航空航天、工業(yè)應(yīng)用上的占較低，分別只有5%、35%。這就導(dǎo)致的實(shí)際情況是，航空航天、風(fēng)電、汽車(chē)和軌道交通等高端工業(yè)領(lǐng)域的預(yù)浸料產(chǎn)品不能自給自足，對(duì)進(jìn)口有著很強(qiáng)的依賴(lài)性。國(guó)內(nèi)的預(yù)浸料廠家主要產(chǎn)品受此因素影響，更多的將注意力放在較為低端的體育休閑以及一般的工業(yè)領(lǐng)域上，使該行業(yè)產(chǎn)品價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)十分激烈。
3.碳纖維預(yù)浸料未來(lái)趨勢(shì)
工業(yè)領(lǐng)域中，大絲束碳纖維預(yù)浸料將發(fā)揮更大優(yōu)勢(shì)。單向碳纖維預(yù)浸料面密度高達(dá) 600g/m2，該類(lèi)預(yù)浸料在有兩個(gè)特點(diǎn)，一是提高預(yù)浸，二是提高后續(xù)鋪放工藝效率。在風(fēng)電葉片、汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用將會(huì)變得普遍，發(fā)展前景較為光明。
不同預(yù)浸料產(chǎn)品形態(tài)的出現(xiàn)。短切預(yù)浸料，選擇經(jīng)濟(jì)型的模壓工藝；半預(yù)浸料，預(yù)浸工藝不用完全“濕透”纖維，隨著工藝的進(jìn)行，完全浸潤(rùn)在后續(xù)工作中完成即可。
非熱壓罐工藝的預(yù)浸料大力發(fā)展。在過(guò)去預(yù)浸料后續(xù)固化成型時(shí)間和成本較大，影響其推廣使用。有了新工藝的發(fā)展，時(shí)間、成本都將會(huì)有效降低。
結(jié)構(gòu)與功能結(jié)合的預(yù)浸料。將納米碳管或短切碳纖維混入到樹(shù)脂中，再將碳纖維絲束或織物進(jìn)行浸潤(rùn)，從而得到新的預(yù)浸料，新制備的預(yù)浸料獲得新性能，具備了吸波功能。
熱塑性碳纖維預(yù)浸料。不會(huì)再受到冷庫(kù)倉(cāng)存以及運(yùn)輸制約，后續(xù)成型工藝高效，制備出的材料優(yōu)點(diǎn)很多，不僅韌性大，抗沖擊性能好，而且經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益更高，可再生循環(huán)利用。
超薄碳纖維預(yù)浸料復(fù)合材料。同常規(guī)預(yù)浸料相比，尺寸優(yōu)勢(shì)巨大，在力學(xué)性能上也要更為優(yōu)越，穩(wěn)定性能更高，有效防止裂紋現(xiàn)象發(fā)生。
4.總結(jié)
碳纖維預(yù)浸料材料性能良好，在我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用具有重要意義。所以目前在軍用、民用設(shè)備中更多的有了應(yīng)用，行業(yè)發(fā)展速度加快。在生產(chǎn)方面，雖然在如今的全球市場(chǎng)中，發(fā)達(dá)國(guó)家企業(yè)占據(jù)較高市場(chǎng)份額，但是隨著我國(guó)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了碳纖維預(yù)浸料國(guó)產(chǎn)化，未來(lái)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)仍依然將會(huì)有著很大的發(fā)展前景。
參考文獻(xiàn)
[1]孟雨辰，王彥輝，荊蓉，張銳濤，張興剛.碳纖維復(fù)合材料用環(huán)氧樹(shù)脂體系研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代化工，2020，40(1)：75-78.
[2]林剛，申屠年.全球碳纖維及其復(fù)合材料市場(chǎng)現(xiàn)狀和展望[J].高科技纖維與應(yīng)用，2015，(40)：1-12，22.
