碳纤维预浸布

适用于钓具、体育用品的材料

碳纤维预浸布是在经过高压高温技术将环氧树脂复合在碳纤维上。由碳纤维纱、环氧树脂、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称为碳纤维预浸料，又名碳纤维预浸布。之所以叫预浸布是因为这只是树脂与碳纤维的初步含浸，在产品成型时才是最终含浸的缘故。

简介

预浸料是制造复合材料及其制件的中间材料，构成了复合材料的基本单元，其质量的均匀性和稳定性，是保证复合材料及其制件质量和可靠性的重要环节。树脂基复合材料（RMC）的高比强度和比刚度，可设计性能好，能有效减轻航天器的结构质量，是当今宇航材料的发展重点，正逐渐取代传统的金属材料。然而，随着宇航技术的新发展，环氧树脂（EP）由于其介电性能、耐热性、尺寸稳定性和耐湿性不佳而使用率逐渐减小。而聚酰亚胺（PI）、双马来酰亚胺（BMI）和聚醚醚酮（PEEK）等新材料，虽然耐热性、介电性能有了很大提高，但却又存在着溶解性差、成型温度高等工艺上的缺陷，有待进一步改进。近年来，氰酸酯树脂（CE）因其性能综合了BMI等的耐高温和EP的良好工艺性，且介电性能极佳，具有极广泛的应用前景，成为继PI和BMI之后的又一高性能宇航复合材料基体树脂。近年来，卫星、飞船等空间飞行器上碳纤维复合材料的使用量逐年增加，尤其是碳纤维预浸料复合材料已广泛应用于卫星的中心承力筒、基板、连接架等主体结构中，满足了航天器的多项功能性需求。

制作工艺

碳纤维预浸布是在经过高压高温技术将环氧树脂复合在在碳纤维上。

碳纤维

碳纤维（carbon fiber），顾名思义，它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维（GF）相比，杨氏模量是其3 倍多；它与凯芙拉纤维（KF-49）相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。有学者在1981年将PAN基CF浸泡在强碱NaOH 溶液中，时间已过去30多年，它至今仍保持纤维形态

环氧树脂

环氧树脂是泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物，除个别外，它们的相对分子质量都不高。环氧树脂的分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为其特征，环氧基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构。由于分子结构中含有活泼的环氧基团，使它们可与多种类型的固化剂发生交联反应而形成不溶、不熔的具有三向网状结构的高聚物。

主要分类

按碳纤维原丝

1、PAN基碳纤维布（市场上90%以上为该种碳纤维布）；

2、黏胶基碳纤维布；

3、沥青基碳纤维布

按碳纤维规格分

1、1K碳纤维布；

2、3K碳纤维布；

3、6K碳纤维布；

4、12K碳纤维布；

5、24K及以上大丝束碳纤维布

按碳纤维炭化分

1、石墨化碳纤维布，可以耐2000--3000度高温；

2、碳纤维布，可以耐1000度左右高温；

3、预氧化碳纤维布，可以耐200--300度高温

按织造方式分

1、干法预浸布；

2、湿法预浸布；

3、单向预浸布:

4、预浸带；

5、无托布；

6、有托布等。

技术参数

无托

带托

风电叶片用国产碳纤维预浸料的制备

随着风力发电设备的大型化，对材料的强度和刚度等性能提出了更加苛刻的要求，要满足大型叶片对材料的要求，国外风电叶片生产商已着手在大型叶片的制造过程中使用碳纤维。随着风电技术的发展，碳纤维在风电行业中的应用将使风力发电的综合成本逐渐减低，使用碳纤维复合材料制造大型叶片将是未来必然的发展趋势。常用的复合材料风电叶片的制造工艺有湿法成型、预浸料成型、真空灌注成型等方法。对于制造相同WM级的风电叶片，预浸料呈现最佳的性能。国外碳纤维预浸料在风机叶片上的应用方面已日趋成熟。

实验部分

1）主要材料与试剂

双酚A型环氧树脂单体A、B：纯度>99%（HPLC测试）；固化剂组分：中航复合材料有限公司自制；触变剂：中航复合材料有限公司自制；ZT6F碳纤维：T700级12K碳纤维，中简科技有限公司。

2）树脂及复合材料的制备

称取一定量的环氧树脂单体A、B，加热熔融，加入触变剂，高速搅拌；降至一定温度，加入固化剂组分，机械搅拌均匀即得LTC80环氧树脂基体。将LTC80树脂和增强材料（ZT6F碳纤维），通过热熔法制备预浸料，利用真空袋成型，即可制得ZT6F/LTC80树脂基复合材料。

3）测试与表征

树脂的DSC分析：NETZSCH DSC 204 F1示差扫描量热分析仪，升温速率：5℃/min；树脂流变性能：GEMINI200型流变分析仪，测试条件：加载频率：1Hz，加载应力：10MPa，试样厚度：200um，升温速率：3℃/min；树脂DMA：NETZSCH DMA 242C动态热机械分析仪，升温速率：5℃/min。复合材料力学性能的测试：按ASTM标准进行测试。

性能

1、LTC80树脂性能

1）树脂耐温性能

树脂固化后玻璃化转变温度Tg达到136.9℃，具有较高的耐热性。虽然使用低成本的双酚A型环氧树脂，但是由于自制固化剂组分的高效，使得树脂固化完全，使得树脂体系具有高的耐热性。

2）树脂流变性能

随着温度的上升，受温度影响树脂黏度逐渐降低，随着温度的继续上升，树脂开始发生固化反应，树脂黏度逐渐增加，至114℃以上，树脂固化反应加快，很快达到凝胶阶段，树脂的黏度迅速增加，树脂固化。这种动态的流变特性使得树脂易于制备大厚度预浸料；且树脂在固化时具有较低的黏度，同时由于触变剂的加入，使得树脂适用于真空低压固化工艺，具有较好的工艺性。

2、复合材料性能

1）热熔法制备预浸料

LTC80树脂体系的流变特性，使其适用于热熔法制备预浸料，并适用于低压成型。风电叶片用预浸料为了降低铺贴成本，通常采用高面密度，这就给树脂充分浸润纤维带来了考验，LTC80树脂的流变特性恰好解决了这个问题，在树脂流动的动态过程中，触变剂的增稠作用处于失效状态，因此树脂能充分流动。而在制备过程中，设备温度和压力的合理控制，不会出现树脂积淤的现象，使得预浸料不会出现贫胶区域，保证了预浸料性能的稳定。

2）ZT6F/LTC80复合材料性能

复合材料具有优良的力学性能。

实验条件对碳纤维预浸料挥发分含量的影响

将规定量的碳纤维预浸料试样放入鼓风干燥箱中，加热至规定的温度，恒温一定时间以去除挥发物，根据加热前后试样的质量变化计算出挥发分含量。挥发分含量与试样堆积厚度、铺展面积、收集器尺寸等因素有关。试样堆积厚度小、铺展面积大时，受热挥发出的溶剂和小分子低聚物较容易挥发，在收集器能够较好收集回落的溶质前提下，挥发分测试结果较为准确。考察了鼓风和收集器尺寸对碳纤维预浸料挥发分的影响，可以得到结论：

（1）烘箱内开启鼓风时测得氰酸酯体系碳纤维预浸料的挥发分含量较大，碳纤维预浸料在湿态下受热比较均匀，溶剂和小分子低聚物能够较彻底的挥发；

（2）采用直径较大的收集器测得的挥发分含量比直径较小的收集器测得的数据小，在相同堆积厚度和铺展面积的前提下，收集器尺寸较小时，一些样品流动到收集器之外损失掉，造成测试结果偏大；收集器直径达到100mm时，挥发分数据基本达到稳定值，此时受热挥发出的溶剂和小分子低聚物可以有效扩散，同时收集器也能较好地收集回落的溶质；

氰酸酯基体碳纤维预浸料挥发分含量的准确测试，不仅能够监测着碳纤维预浸料的质量好坏，而且控制着复合材料的成型工艺，使基体材料具有一定的黏性和流动性，便于铺叠，以降低复合材料的孔隙含量。不同实验条件对挥发分含量的影响规律能够为碳纤维预浸料挥发分含量的准确测定提供依据。

应用领域

1）宇航：机身、方向舵、火箭的发动机壳、导弹散流器、太阳能电池板等；

2）体育器材：汽车部件、摩托车零件、钓鱼杆、棒球棍、滑雪橇、快艇、羽毛球拍等；

3）工业：发动机部件、混凝土结构物补强材料、风机叶片、传动轴、以及电器零部件等；

4）消防：适用于部队、消防、钢厂等特殊类高档的防火服制作。

防火等级：A级-不燃，执行标准GB8624-2006，德国标准DIN4102 A1级。

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