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复合材料预浸料的现状与趋势

2022-11-25 来源:复合材料进展 浏览数:1

预浸料概况

预浸料是指在严格控制的条件下,将树脂基体浸渍连续纤维或织物,制成的可以储存的树脂基体与增强体的组合物。预浸料是制造复合材料的中间材料,其优劣直接关系到复合材料的质量。在应用时,预浸料受热聚合而固化,一旦固化,热固性树脂就充分交联,形成耐腐蚀、耐热、轻质高强的复合材料,所制备的复合材料目前已广泛应用于航空航天、风力发电、高铁、汽车、渔具、赛艇等领域(图1)。

图1 预浸料所处的产业链

目前,预浸料的分类方法较多(图2),所用的增强纤维主要是碳纤维和玻璃纤维,最常用的分类方式是热固性预浸料和热塑性预浸料,两者的性能对比如表 1。热固性预浸料的基体树脂主要是环氧树脂、酚醛树脂、苯并噁嗪、双马来酰亚胺、聚酰亚胺等热固性树脂,热塑性预浸料的基体树脂主要是聚砜、聚苯硫醚、聚醚砜等热塑性树脂。

图2 预浸料的类型

表1 热塑性预浸料和热固性预浸料性能对比

预浸料市场现状

热固性树脂技术成熟,性能稳定,是目前预浸料主流的基体树脂,在航空航天领域已得到广泛的应用(表2),但热塑性预浸料也在快速发展,相关技术已在空客飞机主要结构件上取得突破。

表2 不同类型的热固性预浸料在航空航天领域的应用

预浸料应用领域广泛,航空航天是其最主要应用领域,具体包括民用飞机、喷气式战机、直升机、航空发动机、卫星及火箭等。国外航空复合材料工艺技术较为成熟,在飞机和发动机上已实现大范围应用。目前北美是航空复材最大的市场,市场份额约占58%,其次是欧洲,约占38%(图3)。赫氏公司和索尔维公司在碳纤维预浸料市场各拥有约40%的份额,市场份额相当,两家公司共同占据全球预浸料市场领导地位(图4)。

图 3 全球航空复合材料市场

图4 全球预浸料市场

预浸料市场预测

2018年全球航空预浸料市场规模约320亿元人民币。根据市场调研机构Marketsandmarket和Stratview Research统计与预测,2018年全球预浸料市场约64亿美元,并有望在未来几年保持10.5%的年复合增速,至2024年达到115亿美元。目前航空领域预浸料市场已占到全部用途预浸料市场的70%以上,且占比仍将持续上升(图7)。

图7 航空领域及非航空领域预浸料市场规模统计及预测

随着航空复合材料的发展,预浸料在国内外军机上应用范围不断扩大,用量占比会大幅提升。国盛证券研究对国内军机碳纤维预浸料的市场规模进行了测算,预计未来10年我国军机预浸料市场规模约948.12亿元,再考虑其他装备,未来10年我国军用预浸料市场规模或超1000亿元(表5)。

表5 未来10年国内军机预浸料市场规模测算

预浸料技术发展趋势

随着航空航天的轻质化、高速化,轨道交通的轻质化、阻燃化,电子电器的高集成化的迅速发展,复合材料的阻燃性、力学性能、耐热性、尺寸稳定性的要求越来越高,预浸料的要求也越来越严苛。未来,预浸料将往以下方向发展。

(1)开发新型热熔预浸料体系。预浸料的制备方法主要有两种,即溶液浸渍法和热熔胶膜法,目前以溶液浸渍法为主。溶液浸渍法是将纤维或织物经过树脂溶液浸渍后,将树脂中的溶剂挥发掉,并使预浸料达到B阶段的工艺;该法生产设备投入少,缺点是预浸料树脂含量难以精确控制,大量溶剂挥发,形成环境污染。热熔胶膜法是首先将熔融的树脂制成均匀平整的胶膜,而后将胶膜与纤维或织物在一定温度和压力下进行复合浸渍,得到合格预浸料;此工艺优点是树脂含量控制精确、挥发份少,无环境污染。为此,开发新型热熔预浸料体系变得越来越迫切。

(2)室温长储存期。为了降低先进复合材料的制造成本,除采用各式各样的新技术外,一个重要方面是大力发展低温低压固化的树脂体系。如果在不提高固化温度的情况下延长树脂及其预浸料室温下的使用期,不但不用建立大型的冷藏设备,而且也不用对现有的制件成型设备进行改造。这将大幅降低先进复合材料在制造和使用中的储存及工艺成本。

(3)高性能化。“轻质化、长寿命、高可靠、高效能、高隐身、高突防、低成本”是新一代飞行器的发展目标,对预浸料的轻质高强、耐高温、抗烧蚀性、高力学强度、高介电性能、可设计性等提出了越来越高的要求。同时,电子产品向着高速化、高频化方向不断发展,同时对可靠性的要求也越来越高,对于覆铜板用预浸料,具有高耐热性、优异的介电性能已显得越来越重要。

目前,酚醛预浸料虽然耐温性好、阻燃性好、强度高,但是脆性大、韧性差和抗冲击损伤容限低等,制约了酚醛树脂基复合材料的应用,酚醛预浸料的增韧改性成为一大发展趋势。环氧预浸料的韧性相对较好,但其耐热性、阻燃性欠佳,有必要进行耐热、阻燃相关改性研究。双马预浸料的耐热性好,力学强度高,但是其固化温度高、脆性大,为此,需对其进行改性研究。此外,复合材料的轻质化要求预浸料的制备过程中引入改性填料,填料的均匀分散是公认的技术难题,有待深入研究。

 

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