碳纤维是重要的无机高性能纤维，这点是由其材料本性、产业技术复杂性、应用领域重要性和市场规模性等因素决定的，其首个市场化应用是1972年市售的碳纤维增强树脂钓鱼竿。此后，碳纤维应用快速向以航空航天器主结构材料为代表的高端化发展。


01 什么是碳纤维预浸料

预浸料（Prepreg，PreimpregnatedMaterials），是把基体（Matrix）浸渍在强化纤维（Reinforced Fiber）中制成的预浸片材产品，是复合材料的中间材料，又名碳纤维预浸布。碳纤维预浸料是由增强体，如碳纤维纱、树脂基体、离型纸等材料，经过涂膜、热压、冷却、覆膜、卷取等工艺加工而成的复合材料，又名碳纤维预浸布。


02 碳纤维预浸料的优缺点

强度高、密度小：碳纤维预浸料的强度可以达到钢材的6-12倍，密度只有钢材四分之一；

可塑性好；可根据模具形状做成任何形状，成型容易，便于加工；

耐腐蚀；寿命长。

大丝束碳纤维预浸料在工业领域的优势凸显。单向碳纤维预浸料面密度高达600 g/m2，这类厚重的预浸料大大提升了预浸和后续铺放工艺的效率。在风电叶片与汽车领域有广泛的应用。

非热压罐工艺（OOA，Out of Autoclave）的预浸料大力发展。此成型工艺大大降低了预浸料后续固化成型的时间与成本，这些新型的预浸料可以采用较低成本的真空袋压法、先进拉挤法和热模压法。

不同预浸料产品形态出现。短切预浸料，可以采用经济型的模压工艺；半预浸料，在预浸工艺时不需要完全―湿透‖纤维，在后续工艺中完成完全浸润。

针对不同应用的专用预浸料。如汽车领域，对零件短时间成型要求高，为满足后续快速成型工艺，必须开发＜5 min的快速固化预浸料。

板材专用碳纤维预浸料。Gurit开发了SparPregTM，无需压实和借助其他排气织物，就可以获得低孔隙率的层合板；在复合材料模具领域，各家也开发了相应的预浸产品。

结构与功能结合的预浸料。在树脂中混入纳米碳管或短切碳纤维，再浸润碳纤维丝束或织物，形成具有吸波功能的预浸料。


03 碳纤维预浸料种类

碳纤维预浸料的种类有：

单向碳纤维预浸料和编织碳纤维预浸料。

单向碳纤维预浸料在纤维方向有大的强度，通常用于有不同方向组合的叠层板，而编织碳纤维预浸料具有不同的编织方式，其强度在两个方向约相等，可应用于不同的结构物。


04 应用领域

碳纤维主要的应用形式是作为树脂材料的增强体，所形成的碳纤维增强树脂（CFRP）具有优异的综合性能；用途非常广，碳纤维重量轻,很好的耐烧蚀材料，可应用于高温高热领域。对X射线有很强的透过率，可用于医疗器械。耐腐蚀性，耐氧化，可应用于：

航空航天，例如：飞机机身，飞行器，飞机上的座椅；

军事领域，例如：雷达罩，指挥车舱，防弹衣；

水陆交通，例如：汽车外壳，火车外壳；

新能源，例如:风力发电机的叶片,海上采油平台,海洋钻孔平台等；

建筑工程，例如:桥梁结构加固,碳纤维管构架等；

体育领域，例如:健身器材,球杆；

医疗领域,例如:ct板,牵引床,运动员假体等；

日常生活领域,例如:地板,自行车架,鱼竿,行礼箱等；

时尚娱乐领域例如：手机壳，ipad保护套，其他，浴缸，座椅等。


05 碳纤维预浸料生产工艺流程

由纤维束拼成所需的含量及宽度，然后经纤维架将纤维均匀的分开，同时树脂加热后涂布在上下离型纸上。将纤维及涂布树脂的上下离型纸同时导入滚轮中，纤维位于上下离型纸之间，借由滚轮的压力将树脂均匀的散布于纤维之间。纤维含浸树脂后经过冷却或烘干，经捲取器捲取成捲轴状。

碳纤维预浸料生产工艺流程图


06 碳纤维预浸料的主要生产方式

碳纤维预浸料主要有两种方式：一种为直接将树脂加热，以降低其黏度，便于均匀散布于纤维之间，称为热溶法。另一种为将树脂溶于溶剂中来降低黏度，待树脂含浸纤维后再加热使溶剂挥发，称为溶液浸渍法。热熔胶法的制程，树脂含量控制容易，可省略烘干的步骤，且无残存的溶剂，但树脂黏度较高，含浸纤维编织物时易造成纤维变形。溶剂法投资成本低，制程简便，但是溶剂的使用易残存于预浸布中，影响复合材料的强度，而且造成环境污染的问题。

目前碳纤维预浸料主要使用热固性材料：环氧树脂，由于预浸料的树脂固化状态为B-stage，因而捲取的预浸料需于低温环境保存，碳纤维预浸料在室温所能储存的时间称为储存周期，如无低温储存条件，预浸料的制作量必须以在储存周期内能够使用完毕为原则。


07 碳纤维预浸料市场前景

碳纤维产业不仅包括聚合、原丝及碳纤维的生产过程，而且包括下游碳纤维预浸料的生产及复合材料的生产与应用。据复合材料杂志ReinforcedPlastics援引的报告称，到2019年，全球碳纤维预浸料市场将达40亿美元，保持快速增长，复合增长率超过11%。由于生产成本的飞升和总需求的增长，碳纤维预浸料的价格将以更快的速度上涨。全球的预浸料供应商数量不断上升，整体的市场充满着创新的活力，产品性能有了更高的表现。


08 碳纤维预浸料主要企业

著名的碳纤维预浸料公司是Toray（东丽）、 Hexcel（赫氏）、Cytec（氰特）、Gurit（固瑞特）和TenCate。占有预浸料市场的大部分份额。国内企业有中复神鹰碳纤维有限责任公司、江苏恒神股份有限公司、沈阳中恒新材料有限公司、威海光威复合材料有限公司 、四川新万兴复合材料有限公司 、嘉兴中宝碳纤维有限公司、江苏澳盛复合材料科技有限公司等公司，虽同国外企业还存在很大差距，但已经在各领域取得了一定的成果，有效减少了对进口产品的依赖。


09 碳纤维预浸料用树脂怎么选？

碳纤维预浸料的树脂基体的最高工作温度影响了复合材料使用温度，一般而言，环氧树脂的工作温度介于100-200℃之间。碳纤维预浸料用树脂的选用应符合以下要求：

树脂的状态和化学性质应符合产品对象的特定要求；

树脂的流出量、黏性、可修复性应满足要求；

单位面积树脂含量均匀，以保证复合材料中碳纤维体积含量和力学性能的稳定性和均一性。



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