一文简要了解碳纤维预浸料及其组成材料的特性

1碳纤维预浸料

1.1 碳纤维预浸料

碳纤维预浸料是指连续碳纤维、碳纤维织物或短切碳纤维在一定工艺条件下经过树脂基体浸渍形成的碳纤维/树脂基体的混合体，它是制造先进复合材料结构件的一种主要材料方式。

作为一种纤维增强树脂基材料，碳纤维预浸料在高温加压条件下可以固化成型，从而得到高强质轻的复合材料结构件。复合材料几种主要成型技术如图1所示，而预浸料依靠其优异性能成为复合材料主流材料之一。

图1 复合材料主要成型技术

图2显示了复合材料与传统金属、混凝土、木材等材料的性能对比，复合材料的性能优势体现在：重量轻、强度高、刚度好等；尤其是其轻质高强的优点，使其成为航空、航天、汽车轻量化等青睐的关键材料。

图2 复合材料主要性能优势

1.2 碳纤维预浸料主要形式

碳纤维预浸料主要由碳纤维和树脂基体两大组分组成，按照碳纤维增强方式，碳纤维预浸料可以分为单向增强和多向增强两种，如图3所示。目前碳纤维预浸料已经在航空航天、工业领域获得广泛应用。

图3 碳纤维预浸料主要形式

2碳纤维预浸料中的材料性能

2.1 碳纤维

碳纤维与其他增强纤维的密度和成本对比如图4所示，碳纤维的密度介于芳纶纤维与玻璃纤维之间，其成本要高于其他传统增强纤维，尤其是高模量碳纤维成本最高。

图4 碳纤维密度、成本与其他增强纤维对比

碳纤维与其他增强纤维力学性能对比如图5所示，碳纤维在强度和模量上较之其他增强纤维均具有一定优势。但是，碳纤维生产成本也是远远高于其他增强纤维。

图5 碳纤维性能与其他增强纤维对比

2.2 碳纤维织物

按照碳纤维编织方式，碳纤维织物可以分为机织物、针织物和无纺布，其中机织物按照经、纬向纤维交织规律可以分为平纹、斜纹和缎纹，如图6所示。

图6 碳纤维机织物几种形式

碳纤维无纺布又称非织造布，它是指未经编织一种织物，如图7所示，传统纺织纤维无纺布成型方法主要包括水刺法、针刺法、热轧法等方法。

图7 碳纤维无纺布

2.3 树脂基体性能

目前碳纤维预浸料常用的树脂基体为环氧树脂、酚醛树脂、双马树脂等，不同类型树脂的优点、使用情况如下表所示。

3碳纤维预浸料加工工艺

碳纤维预浸料主要有两种生产方式：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，称为热熔法。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。

目前碳纤维预浸料常用的热熔法又可以分为一步法（图8）和两步法（图9）。在两步法中第一步需要先制备树脂膜，然后进行预浸处理，目前国内碳纤维预浸料约90%工艺采用热熔两步法。

▲ 图8 碳纤维预浸料热熔一步法成型工艺

▲ 图9 碳纤维预浸料热熔两步法成型工艺