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预浸料技术特点及其市场现状

发布时间:2024-03-06浏览次数:206
随着高性 能纤维如碳纤维、芳纶等的相继问世,预浸料的工艺状态稳定和质量控制得到可靠的保障,各种预浸料的制备技术有了很大发展。随着增强纤维和树脂基体性能的不断提高,促进了预浸料的研究和开发,其工艺技术日趋成熟,应用范围不断扩大。

在现代材料科学领域,预浸料的应用已成为推动高性能复合材料创新的关键因素。这种材料以其卓越的机械性能、工艺稳健性和无与伦比的可重复性而著称,为航空航天、汽车工业和高端运动设备等领域提供了前所未有的解决方案。

预浸料的特点

概念

预浸料是通过将纤维材料(如碳纤维或玻璃纤维)预先浸渍于树脂中而制成的。这一过程确保了纤维与树脂的最佳比率,为制造轻质且强度高的复合材料提供了理想的基础。

预浸料的分类

预浸料按增强体物理形状可以分为单向预浸料 和织物预浸料;按宽度分类有宽、窄带(几毫米或几 十毫米)预浸料;按增强体种类分有碳纤维增强预浸 料、玻璃纤维增强预浸料及芳纶纤维增强预浸料等; 按基体品种分则有热塑性预浸料和热固性预浸料; 按固化温度分可分为低温(80℃)、中温(120℃)、高 温(180℃)固化预浸料。其中,热塑性预浸料和热 固性预浸料是最常用的分类方式,两者的性能对比如下:

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从力学性能来说,单向预浸料没有纬纱,靠树脂基体将纤维粘成片状材料,承载纤维可按受力分析情况设计结构铺层,因此其纱线的力学性能利用率 是最高的。织物预浸料由于织物在织造过程中经、 纬的交织屈曲,不可避免造成纤维损伤,从而降低力学性能。但从易于手工铺层操作和遇有拐角的复合材料结构来看,织物预浸料又有其独特的优点;在某些偏轴织物功用方面,其力学性能也较为稳定。

预浸料作为一种先进的复合材料技术,通过将纤维材料预先浸渍在树脂中,提供了无与伦比的机械性能和工艺稳健性,极大地优化了制造流程。这种材料在航空航天、汽车和高端运动设备制造中尤为重要,因其能够制造出轻质而强度高的零件。然而,高成本、复杂的储存和处理要求以及额外设备的需要是其主要局限性。尽管如此,预浸料因其高度可重复性和共固化能力,在高性能应用领域仍占有不可替代的地位。
未来趋势方面,机械性能的极致优化,预浸料通过精确控制纤维和树脂的比率,为复合材料制造业带来了巨大的变革。尽管存在一些挑战,如高成本和特殊的储存需求,但其带来的优势如卓越的机械性能、工艺稳健性和制造过程的高度可重复性使它成为许多高端应用的首选材料。

预浸料的原料组成

(1)基体

基体树脂的主要作用:
①将纤维定向、定位黏结 成一体;
②在产品受力过程中传递应力。不同类型树脂基体的基本性能对比如表。

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一般来说,通过单一的树脂很难满足工艺性能 要求,通常是采用几种树脂组合来实现工艺操作,如 采用几种不同环氧树脂组合来提高常温或低温下树 脂体系的粘度。酚醛型环氧树脂可提高树脂体系的 反应活性和耐热性,双酚A型环氧树脂可调节树脂 体系的粘度。研究表明,适于预浸料的树脂体系 最好是液体双酚A型环氧树脂、固体双酚A型环氧树脂与酚醛环氧树脂并用。基体材料的选择要兼顾复合材料本身的性能要 求和工艺操作要求。如中温热熔环氧树脂预浸料的 基本要求是夏天不粘手,冬天不发脆。这需要调整 不同组分配比,使得树脂体系软化点满足夏天为36 ~37℃,冬天为30~32℃,同时限制环氧树脂的固化温度。最佳温度一般为120~130℃,固化时间不超过90min。

(2)固化体系

固化体系包括固化剂、促进剂、催化剂和稀释剂等。根据预浸料的使用要求,预浸料需要在室温下具备一定的贮存期,因此固化体系通常使用潜伏性固化剂,即指在常温常压下不与树脂反应,但是在特殊的温度压力下,会促进树脂发生交联固化反应。这样,有利于预浸料在常温下的贮存。该类固化剂 通常为分散型固化剂,即常温下为固态,无法溶解于 环氧树脂中,但加热到其熔点附近时能与环氧树脂 相混溶,开始快速发生固化反应。促进剂的主要作用是促进固化剂在树脂基体中 的溶解,提高固化反应速率;增韧剂是为了降低热固 性树脂基体的脆性,提高其抗冲击性能;稀释剂主要 是降低树脂黏度,提高工艺性能;催化剂主要是促进 树脂在固化成型阶段的反应,但在常温常压下,它处于一种“潜伏”状态 ,这对预浸料的实际生产是很有利的。


产业链

预浸料是一种在精确控制环境下制备的复合材料中间产品,它通过将树脂基质浸渍到连续纤维或织物中,形成一个可存储的增强体和树脂基体组合。这种材料的质量在很大程度上决定了最终复合材料的性能。在使用过程中,预浸料经加热聚合后固化,使得热固性树脂充分交联,形成一个既轻便又具有高强度、耐腐蚀和耐高温特性的复合材料。目前,这种由预浸料制成的复合材料已被广泛应用于众多领域,包括航空航天、风能发电、高速铁路、汽车制造、渔业工具和赛艇制造等。

预浸料作为一种多功能复合材料,在众多领域中发挥着重要作用,其中航空航天领域尤为突出。这一领域的应用范围包括民用飞机、喷气战斗机、直升机、航空发动机以及卫星和火箭等。国际上,尤其是在北美和欧洲,航空航天领域的复合材料工艺技术已达到成熟阶段,广泛应用于飞机和发动机的制造中。就市场分布而言,北美地区是航空复合材料的主要市场,约占全球市场的58%,其次是欧洲,市场份额大约为38%。

在全球碳纤维预浸料市场上,赫氏公司和索尔维公司是主导者,两者在市场上的份额均约为40%,几乎占据了整个市场的主导地位。这两家公司的市场优势彰显了它们在全球预浸料市场中的领导地位。这一市场格局反映了预浸料在高端应用领域的重要性,尤其是在对材料性能要求极高的航空航天行业。

通过调研行业痛点及技术趋势协会总结目前热点技术领域如下:

1.) 开发新型热熔预浸料体系:传统上,预浸料的制备主要依赖溶液浸渍法,此方法尽管设备投资较低,但存在诸如树脂含量控制不精确、溶剂挥发导致环境污染等问题。鉴于此,热熔胶膜法的开发显得尤为重要。该方法通过制造熔融树脂胶膜并与纤维或织物复合浸渍,提供了精确的树脂含量控制和较少的挥发性物质,大大减少了环境污染。

2.) 室温长储存期:为降低复合材料的生产成本,开发低温低压固化的树脂体系显得至关重要。如果能延长树脂及其预浸料在室温下的有效使用期,将减少对大型冷藏设备的依赖,并避免对现有成型设备的改造,从而显著降低储存和工艺成本。

3. )高性能化:随着新一代飞行器和电子产品的发展,对预浸料提出了更高的性能要求,包括轻质高强、耐高温、抗烧蚀性、高机械强度和优异的介电性能。酚醛预浸料的增韧改性、环氧预浸料的耐热和阻燃改性,以及双马来酰亚胺预浸料的改性研究,都是迫切需要解决的问题。同时,为了实现复合材料的轻质化,预浸料中引入改性填料的均匀分散也是一个技术挑战。

这些热点反映出预浸料技术在环保、性能提升和成本控制等方面的持续进步,预示着复合材料行业未来的发展方向。

预浸料,作为一种将纤维材料预先浸渍于树脂中制成的高性能复合材料,已成为航空航天、汽车工业和高端运动设备等领域的关键材料。这种材料以其卓越的机械性能、工艺稳健性和高度可重复性而备受推崇。尽管预浸料的成本较高,且有特殊的储存和处理要求,但其在高性能应用领域的独特优势使其成为首选材料。

在材料选择方面,预浸料的基体通常采用不同类型的树脂组合,以适应特定的应用和工艺要求。固化体系的设计也是一个关键因素,它包括固化剂、促进剂、催化剂和稀释剂等,这些组分共同决定了预浸料的贮存期限和工艺性能。
市场分析方面,预浸料已成为航空航天等高端领域的核心材料。当前,全球预浸料市场呈现出稳定的增长趋势,特别是在航空领域,预浸料的应用日益增多,其市场规模和应用领域都在不断扩大。
技术前沿方面,预浸料领域正在努力解决环保、性能提升和成本控制等关键问题。例如,开发新型的热熔预浸料体系、延长树脂及预浸料在室温下的有效使用期、以及提高预浸料的高性能化都是研究的热点。
未来,预浸料在复合材料中的应用预计将进一步扩大。随着技术的进步和市场需求的增长,预浸料将在航空航天、汽车制造、新能源等领域发挥更加重要的作用。同时,为了满足更加严格的性能要求和环保标准,预浸料的研发也将面临新的挑战和机遇。总之,预浸料技术的持续创新和应用将对高性能复合材料领域产生深远的影响。


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