預浸料(Prepreg,Preimpregnated Materials)是指樹脂基體在嚴格控制含量條件下浸漬增強材料,制得的具有均勻纖維面密度的樹脂基體和增強材料的組合物,是制備復合材料的一種重要的中間過渡基材。樹脂和纖維是復合材料組成基礎,預浸料質量好壞直接影響復合材料的性能優劣。預浸料使用工藝有真空袋、熱壓罐、模壓法、袋壓法、卷管工藝等種類,均在高溫高壓下固化制備,因而具有獨特的性能。
為了方便后處理,預浸料中的樹脂基體通常只是部分固化,并儲存在陰涼處以防止完全聚合。在制造復合材料期間,需要在高壓釜或烘箱中加熱此預浸料,以實現完全聚合。預浸料中的增強材料可以是單向纖維或織物,見下圖。
圖1:預浸料增強形式分類
預浸料按增強體物理形狀可以分為單向預浸料和織物預浸料;按寬度分類有寬、窄帶;按增強體種類分有碳纖維增強預浸料、玻璃纖維增強預浸料及芳綸纖維增強預浸料等;按固化溫度分可分為低溫(80℃)、中溫(120℃)、高溫(180℃)固化預浸料;預浸料按照所用基體樹脂的不同,主要分為熱固性預浸料和熱塑性預浸料兩大類,其中熱固性基體樹脂主要使用環氧樹脂,其它包括酚醛、不飽和聚酯、乙烯基酯等;所用增強纖維有碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維、PBO纖維等。
圖2:預浸料的分類
預浸料的主要優點如下:
依據材料的性能和用量,預浸料和其他高性能復合材料技術比較如下圖:
圖3:預浸料和其他高性能復合材料技術比較
在上世紀60年代,預浸料工藝技術在歐美發達國家得到了快速發展,本世紀初,面向國內航空航天、風能、汽車、體育休閑和工業裝備領域,國外主要的預浸料廠家紛紛在國內建廠生產,使預浸料在復合材料領域的應用得到大幅提升。下面列出了預浸料當前可以使用的一些關鍵領域:
二、國內外預浸料應用市場概述
預浸料產品成型容易、便于加工且具有較大的設計自由度,在商用航空航天、軍事/防御、通用航空、太空/衛星、體育用品、船舶、風能、汽車和土木工程等行業中具有良好的發展前景。知名市調機構Lucintel LCC預測,到2024年,全球預浸料市場預計將達到64億美元,從2019年到2024年的復合年增長率為4.6%。全球預浸料市場的主要驅動因素是對高性能復合材料的需求不斷增長以及在不同終端應用行業中用復合材料代替金屬成為大勢所趨。知名市調機構Research and Markets預測,2026年全球碳纖維預浸料市場規模將達到49億美元,在所有預浸料市場規模中占比高達70%以上。在航空航天、工業應用和體育休閑三大應用領域的占比分別為15%、65%和20%。
國外著名的預浸料生產企業有Toray(東麗)、Hexcel(赫氏)、Solvay SA(索爾維,原Cytec(氰特))、Gurit(固瑞特)、Mitsubishi Chemical(三菱化學)、Teijin(帝人)、SGL(西格里)、TenCate(騰卡特,現已并入東麗)、SK化學(現已并入東麗)等。
在我國,運動用品如網球拍、自行車、釣魚竿和高爾夫球桿等是碳纖維預浸料的傳統市場,同時隨著航空航天、軌道交通和風電領域越來多地使用碳纖維預浸料,推動了市場的不斷增長。但無論是在技術水平還是產量方面,與國際先進水平相比,我國的預浸料產品還存在一定差距,高端產品主要依靠進口。我國預浸料產品的應用目前仍集中在相對低端的體育休閑產業,航空航天、工業應用和體育休閑用品分別占比為5%、35%和60%,航空航天、汽車和軌道交通等高端工業領域的預浸料產品仍然需要依賴進口。因此,國內的預浸料廠家主要產品集中在低端的體育休閑和一般工業領域,這些領域對預浸料產品的性能要求不高,不需要長時間的材料認證和成品實驗,門檻較低,從而導致產品低價競爭激烈。
國內生產企業主要有中航復材、光威復材、恒神股份、山東江山纖維、浙江聯洋、江蘇澳盛、四川新萬興、上海晉飛、百合航太等。
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