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復(fù)合材料預(yù)浸料的現(xiàn)狀與趨勢

2022-11-25 來源:復(fù)合材料進展

預(yù)浸料概況

預(yù)浸料是指在嚴格控制的條件下,將樹脂基體浸漬連續(xù)纖維或織物,制成的可以儲存的樹脂基體與增強體的組合物。預(yù)浸料是制造復(fù)合材料的中間材料,其優(yōu)劣直接關(guān)系到復(fù)合材料的質(zhì)量。在應(yīng)用時,預(yù)浸料受熱聚合而固化,一旦固化,熱固性樹脂就充分交聯(lián),形成耐腐蝕、耐熱、輕質(zhì)高強的復(fù)合材料,所制備的復(fù)合材料目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、風(fēng)力發(fā)電、高鐵、汽車、漁具、賽艇等領(lǐng)域(圖1)。

圖1 預(yù)浸料所處的產(chǎn)業(yè)鏈

目前,預(yù)浸料的分類方法較多(圖2),所用的增強纖維主要是碳纖維和玻璃纖維,最常用的分類方式是熱固性預(yù)浸料和熱塑性預(yù)浸料,兩者的性能對比如表 1。熱固性預(yù)浸料的基體樹脂主要是環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、苯并噁嗪、雙馬來酰亞胺、聚酰亞胺等熱固性樹脂,熱塑性預(yù)浸料的基體樹脂主要是聚砜、聚苯硫醚、聚醚砜等熱塑性樹脂。

圖2 預(yù)浸料的類型

表1 熱塑性預(yù)浸料和熱固性預(yù)浸料性能對比

預(yù)浸料市場現(xiàn)狀

熱固性樹脂技術(shù)成熟,性能穩(wěn)定,是目前預(yù)浸料主流的基體樹脂,在航空航天領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用(表2),但熱塑性預(yù)浸料也在快速發(fā)展,相關(guān)技術(shù)已在空客飛機主要結(jié)構(gòu)件上取得突破。

表2 不同類型的熱固性預(yù)浸料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

預(yù)浸料應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,航空航天是其最主要應(yīng)用領(lǐng)域,具體包括民用飛機、噴氣式戰(zhàn)機、直升機、航空發(fā)動機、衛(wèi)星及火箭等。國外航空復(fù)合材料工藝技術(shù)較為成熟,在飛機和發(fā)動機上已實現(xiàn)大范圍應(yīng)用。目前北美是航空復(fù)材最大的市場,市場份額約占58%,其次是歐洲,約占38%(圖3)。赫氏公司和索爾維公司在碳纖維預(yù)浸料市場各擁有約40%的份額,市場份額相當(dāng),兩家公司共同占據(jù)全球預(yù)浸料市場領(lǐng)導(dǎo)地位(圖4)。

圖 3 全球航空復(fù)合材料市場

圖4 全球預(yù)浸料市場

預(yù)浸料市場預(yù)測

2018年全球航空預(yù)浸料市場規(guī)模約320億元人民幣。根據(jù)市場調(diào)研機構(gòu)Marketsandmarket和Stratview Research統(tǒng)計與預(yù)測,2018年全球預(yù)浸料市場約64億美元,并有望在未來幾年保持10.5%的年復(fù)合增速,至2024年達到115億美元。目前航空領(lǐng)域預(yù)浸料市場已占到全部用途預(yù)浸料市場的70%以上,且占比仍將持續(xù)上升(圖7)。

圖7 航空領(lǐng)域及非航空領(lǐng)域預(yù)浸料市場規(guī)模統(tǒng)計及預(yù)測

隨著航空復(fù)合材料的發(fā)展,預(yù)浸料在國內(nèi)外軍機上應(yīng)用范圍不斷擴大,用量占比會大幅提升。國盛證券研究對國內(nèi)軍機碳纖維預(yù)浸料的市場規(guī)模進行了測算,預(yù)計未來10年我國軍機預(yù)浸料市場規(guī)模約948.12億元,再考慮其他裝備,未來10年我國軍用預(yù)浸料市場規(guī)?;虺?000億元(表5)。

表5 未來10年國內(nèi)軍機預(yù)浸料市場規(guī)模測算

預(yù)浸料技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著航空航天的輕質(zhì)化、高速化,軌道交通的輕質(zhì)化、阻燃化,電子電器的高集成化的迅速發(fā)展,復(fù)合材料的阻燃性、力學(xué)性能、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性的要求越來越高,預(yù)浸料的要求也越來越嚴苛。未來,預(yù)浸料將往以下方向發(fā)展。

(1)開發(fā)新型熱熔預(yù)浸料體系。預(yù)浸料的制備方法主要有兩種,即溶液浸漬法和熱熔膠膜法,目前以溶液浸漬法為主。溶液浸漬法是將纖維或織物經(jīng)過樹脂溶液浸漬后,將樹脂中的溶劑揮發(fā)掉,并使預(yù)浸料達到B階段的工藝;該法生產(chǎn)設(shè)備投入少,缺點是預(yù)浸料樹脂含量難以精確控制,大量溶劑揮發(fā),形成環(huán)境污染。熱熔膠膜法是首先將熔融的樹脂制成均勻平整的膠膜,而后將膠膜與纖維或織物在一定溫度和壓力下進行復(fù)合浸漬,得到合格預(yù)浸料;此工藝優(yōu)點是樹脂含量控制精確、揮發(fā)份少,無環(huán)境污染。為此,開發(fā)新型熱熔預(yù)浸料體系變得越來越迫切。

(2)室溫長儲存期。為了降低先進復(fù)合材料的制造成本,除采用各式各樣的新技術(shù)外,一個重要方面是大力發(fā)展低溫低壓固化的樹脂體系。如果在不提高固化溫度的情況下延長樹脂及其預(yù)浸料室溫下的使用期,不但不用建立大型的冷藏設(shè)備,而且也不用對現(xiàn)有的制件成型設(shè)備進行改造。這將大幅降低先進復(fù)合材料在制造和使用中的儲存及工藝成本。

(3)高性能化?!拜p質(zhì)化、長壽命、高可靠、高效能、高隱身、高突防、低成本”是新一代飛行器的發(fā)展目標(biāo),對預(yù)浸料的輕質(zhì)高強、耐高溫、抗燒蝕性、高力學(xué)強度、高介電性能、可設(shè)計性等提出了越來越高的要求。同時,電子產(chǎn)品向著高速化、高頻化方向不斷發(fā)展,同時對可靠性的要求也越來越高,對于覆銅板用預(yù)浸料,具有高耐熱性、優(yōu)異的介電性能已顯得越來越重要。

目前,酚醛預(yù)浸料雖然耐溫性好、阻燃性好、強度高,但是脆性大、韌性差和抗沖擊損傷容限低等,制約了酚醛樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用,酚醛預(yù)浸料的增韌改性成為一大發(fā)展趨勢。環(huán)氧預(yù)浸料的韌性相對較好,但其耐熱性、阻燃性欠佳,有必要進行耐熱、阻燃相關(guān)改性研究。雙馬預(yù)浸料的耐熱性好,力學(xué)強度高,但是其固化溫度高、脆性大,為此,需對其進行改性研究。此外,復(fù)合材料的輕質(zhì)化要求預(yù)浸料的制備過程中引入改性填料,填料的均勻分散是公認的技術(shù)難題,有待深入研究。

 

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