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碳纤维预浸料的发展现状和未来趋势分析

发表时间：2021/6/10 来源：《探索科学》2021年4月作者：李文斌

[导读] 许多高机能产品均选择碳纤维复合材料作为结构部件，碳纤维复合材料的强度、长久性等其它特点都要取决于碳纤维预浸料的特点，利用范畴的不同，预浸料的类型也是不一样的。目前我国在此方面的研究取得了一定成果。本文介绍了碳纤维预浸料种类及生产方式，对碳纤维预浸料现状进行阐述，分析未来发展趋势，以期推动我国碳纤维预浸料更好的发展。

哈尔滨玻璃钢研究院有限公司李文斌 150000

如今，许多高机能产品均选择碳纤维复合材料作为结构部件，碳纤维复合材料的强度、长久性等其它特点都要取决于碳纤维预浸料的特点，利用范畴的不同，预浸料的类型也是不一样的。目前我国在此方面的研究取得了一定成果。本文介绍了碳纤维预浸料种类及生产方式，对碳纤维预浸料现状进行阐述，分析未来发展趋势，以期推动我国碳纤维预浸料更好的发展。
关键词：材料碳纤维预浸料发展趋势
        前言
        碳纤维预浸料属于新型高性能复合材料，能够拓展碳纤维应用范围，有效提升碳纤维附加价值。一定条件下将碳纤维丝同多种树脂等有机聚合，再通过浸胶、挤胶、烘干、垫铺隔离纸、压实等步骤制作成的复合材料，又被称作碳纤维预浸布。碳纤维预浸料经过多年发展，应用前景巨大，是未来的先进工业生产材料，而且在国防军工设备制造上，也离不开该材料的使用。在当前的军事领域中，很多产品都有所涉及，比如防弹车、火箭、导弹、卫星、防弹衣等；在民用领域，大多应用在航空钓具、航天设备、运动器材等产品的生产中。
        1.碳纤维预浸料种类及生产方式
        1.1种类
        编织碳纤维预浸料、单向碳纤维预浸料是碳纤维预浸料的两个种类。编织碳纤维预浸料有着不同的编织方式，应用也要更加普遍。由于其在两个方向的强度相同，因此在多种不同的结构物中都可应用到。与编织碳纤维预浸料相比，最大的差距在纤维方向上，单向碳纤维预浸料具有最大的强度，在其使用上，大多应用在不同方向组合的叠层板上。当前碳纤维预浸料的制备原材料较为固定，通常选择的是热固性材料：环氧树脂，受到预浸料树脂固化状态为B-stage的影响，对于其保存环境需要特别注意，确保捲取的预浸料始终处在低温条件中。碳纤维预浸料在室温所能储存的时间称为储存周期，若是储存条件有限，不能达到低温要求，此时对于预浸料制作量将就会有特别规定，制作量遵循的首要原则，就是需要再储存周期内全部用尽
        1.2生产方式
        热熔法、浸渍法是碳纤维预浸料的两种主要生产方式。热熔法是在一定的压力跟温度下，把合乎请求的树脂胶膜跟相应的纤维或织物经过热熔浸胶机进行热压浸渍，所制造出来的资料即为热熔预浸料。该方法目前使用较多，制备得到的热熔预浸料优点比较明显，一是树脂含量可以很容易进行控制；二是环保效益好，不会有溶剂残留。缺点也较为突出，一旦树脂粘度较高，就会导致纤维变形的现象发生；溶液浸渍法，将树脂溶于一种低沸点的溶剂中，形成一种存在特定浓度的溶液，再将纤维束或者织物按划定的速度浸渍树脂溶液，用帮助工具把持树脂的含量，而后通过干燥使低沸点的溶剂挥发，最后收卷。该方法投资成本不高，制造工艺不复杂，但是在生产中会有残留的溶剂产生，这将会给环境带来污染，所以此方法的使用频率越来越低。
        2.国内外预浸料发展现状
        现如今碳纤维预浸料利用其优异的性能特点，随着国内外科学技术的多年发展，应用越来越广泛，在复合材料领域中有着非常重要的影响，成为不可忽视的一部分。在碳纤维复合材料的应用中，预浸料使用占比很大，超过七成的先进复合材料产品均需要通过预浸料铺迭固化得到。预浸料内在质量决定了复合材料力学、化学性能的大小，其使用状态也同复合材料的成型工艺存在联系。随着科技进步发展，碳纤维制品的优势逐渐展现，因此更多的受到市场欢迎，碳纤维预浸料市场发展潜力巨大，有待进一步研究。

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        2.1国外预浸料市场发展现状
        在碳纤维行业中，碳纤维预浸料属于其下游产品。在国际上，日本在该行业发展迅速，掌握最先进的碳纤维技术，其产量也要超过其他国家。美国对于该产品的消耗量是最大的，超过了世界消费量一半以上。目前，全球每年碳纤维市场需求约75000吨，而且以每年百分之十到百分之十五的速率在保持增长。随着风能市场、汽车轻量化时代到来，对于碳纤维市场来说有着巨大发展潜力，需求量保守估计在未来很多年都将会持续提升。据有关预测，碳纤维市场规模复合年均增长率在近六年时间里，将会达到11%。在三大应用领域上，航空航天、工业应用、体育休闲占比也将迎来新高，分别达到15%、65%和20%。
        2.2国内预浸料市场发展现状
        在我国，过去碳纤维预浸料传统市场较为局限，主要运用在运动用品上，比如网球拍、自行车、钓鱼竿、高尔夫球杆等。随着科学技术的不断发展，航空航天、轨道交通和风电等行业领域也迎来质的飞跃，对于碳纤维预浸料的应用也逐渐增加，进一步促进了该市场的需求发展。但是同国际上先进水平相比，不管在技术水平或者产品产量上来看，我国的预浸料产品起步较慢，还有很多需要解决完善的地方。高端产品相对匮乏，满足日常需求还要靠从国外进口。目前我国预浸料年需求量较高，应用领域也存在缺陷，整体来看还有很大的局限性。产品大多集中在体育休闲产业，占比达到60%，与发达国家相比，在航空航天、工业应用上的占较低，分别只有5%、35%。这就导致的实际情况是，航空航天、风电、汽车和轨道交通等高端工业领域的预浸料产品不能自给自足，对进口有着很强的依赖性。国内的预浸料厂家主要产品受此因素影响，更多的将注意力放在较为低端的体育休闲以及一般的工业领域上，使该行业产品价格竞争十分激烈。
        3.碳纤维预浸料未来趋势
        工业领域中，大丝束碳纤维预浸料将发挥更大优势。单向碳纤维预浸料面密度高达 600g/m2，该类预浸料在有两个特点，一是提高预浸，二是提高后续铺放工艺效率。在风电叶片、汽车领域应用将会变得普遍，发展前景较为光明。
        不同预浸料产品形态的出现。短切预浸料，选择经济型的模压工艺；半预浸料，预浸工艺不用完全“湿透”纤维，随着工艺的进行，完全浸润在后续工作中完成即可。
        非热压罐工艺的预浸料大力发展。在过去预浸料后续固化成型时间和成本较大，影响其推广使用。有了新工艺的发展，时间、成本都将会有效降低。
        结构与功能结合的预浸料。将纳米碳管或短切碳纤维混入到树脂中，再将碳纤维丝束或织物进行浸润，从而得到新的预浸料，新制备的预浸料获得新性能，具备了吸波功能。
        热塑性碳纤维预浸料。不会再受到冷库仓存以及运输制约，后续成型工艺高效，制备出的材料优点很多，不仅韧性大，抗冲击性能好，而且经济环保效益更高，可再生循环利用。
        超薄碳纤维预浸料复合材料。同常规预浸料相比，尺寸优势巨大，在力学性能上也要更为优越，稳定性能更高，有效防止裂纹现象发生。
        4.总结
        碳纤维预浸料材料性能良好，在我国工业领域和军事领域中的应用具有重要意义。所以目前在军用、民用设备中更多的有了应用，行业发展速度加快。在生产方面，虽然在如今的全球市场中，发达国家企业占据较高市场份额，但是随着我国技术的发展，实现了碳纤维预浸料国产化，未来国内市场仍依然将会有着很大的发展前景。
参考文献
[1]孟雨辰，王彦辉，荆蓉，张锐涛，张兴刚.碳纤维复合材料用环氧树脂体系研究进展[J].现代化工，2020，40(1)：75-78.
[2]林刚，申屠年.全球碳纤维及其复合材料市场现状和展望[J].高科技纤维与应用，2015，(40)：1-12，22.