碳纖維預(yù)浸料是指連續(xù)碳纖維、碳纖維織物或短切碳纖維在一定工藝條件下經(jīng)過(guò)樹(shù)脂基體浸漬形成的碳纖維/樹(shù)脂基體的混合體，它是制造先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的一種主要材料方式。20世紀(jì)80年代初，預(yù)浸料被視為一種特殊材料，在航空領(lǐng)域主要用于次級(jí)結(jié)構(gòu)，約占飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的5%。現(xiàn)如今，預(yù)浸料已經(jīng)成為大型商用飛機(jī)主結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)材料，在空客A350 XWB和波音787上的用量已經(jīng)占據(jù)飛機(jī)機(jī)構(gòu)總重的50%以上。
除廣泛應(yīng)用的航空航天領(lǐng)域，由于預(yù)浸料具有高機(jī)械性能、高強(qiáng)度和快速固化等優(yōu)越特性，其可用于汽車、電子、體育用品和風(fēng)能等各種領(lǐng)域。而得益于預(yù)浸料優(yōu)異特性的其他快速增長(zhǎng)的應(yīng)用包括用于油氣開(kāi)采的海底管道和高壓容器。與金屬相比，預(yù)浸料的用量增長(zhǎng)是由更高的比強(qiáng)度、更好的疲勞強(qiáng)度和更大設(shè)計(jì)自由度等潛力推動(dòng)的。
此次關(guān)于預(yù)浸料技術(shù)的完全知識(shí)指南旨在幫助大家更好地了解預(yù)浸料、預(yù)浸料的制造、加工、性能和各種應(yīng)用。本系列文章主要參考了Hexcel公司預(yù)浸料技術(shù)手冊(cè)內(nèi)容，包括上、下兩篇，共包括8部分內(nèi)容。
在上篇文章中包括4部分內(nèi)容：1）、碳纖維預(yù)浸料概述；2）、纖維和織物性能；3）、基體性能；4）、預(yù)浸料性能。本文首先介紹了預(yù)浸料概念以及典型應(yīng)用，然后按照預(yù)浸料組成，分別介紹了纖維、織物、樹(shù)脂等材料的特性；進(jìn)一步介紹了預(yù)浸料的性能與生產(chǎn)方法，論述了常見(jiàn)的加工工藝。
1 碳纖維預(yù)浸料技術(shù)概述
1.1 高性能復(fù)合材料主要技術(shù)
作為一種纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基材料，碳纖維預(yù)浸料在高溫加壓條件下可以固化成型，從而得到高強(qiáng)質(zhì)輕的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。復(fù)合材料幾種主要成型技術(shù)如圖1所示，而預(yù)浸料依靠其優(yōu)異性能成為復(fù)合材料主流材料之一。
復(fù)合材料主要成型技術(shù)
1.2 為什么使用復(fù)合材料？
復(fù)合材料與傳統(tǒng)木材、混凝土以及金屬材料的典型特性對(duì)比如下所示，從圖中可以看出，復(fù)合材料具有優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量，同時(shí)兼具低密度特點(diǎn)，從而具備了重量輕、強(qiáng)度高、剛度好等特點(diǎn)。
1.3 什么是碳纖維預(yù)浸料？
碳纖維預(yù)浸料主要由碳纖維和樹(shù)脂基體兩大組分組成，按照碳纖維增強(qiáng)方式，碳纖維預(yù)浸料可以分為單向增強(qiáng)和多向增強(qiáng)兩種，如下圖所示。
圖片
碳纖維預(yù)浸料常見(jiàn)形式
1.4 預(yù)浸料應(yīng)用于哪些領(lǐng)域？
2 纖維和織物性能
2.1 碳纖維的性能
碳纖維與其他增強(qiáng)纖維的密度和成本對(duì)比如下圖所示，碳纖維的密度介于芳綸纖維與玻璃纖維之間，其成本要高于其他傳統(tǒng)增強(qiáng)纖維，尤其是高模量碳纖維成本最高。
碳纖維與其他增強(qiáng)纖維力學(xué)性能對(duì)比如下圖所示，碳纖維在強(qiáng)度和模量上較之其他增強(qiáng)纖維均具有一定優(yōu)勢(shì)。但是，碳纖維生產(chǎn)成本也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他增強(qiáng)纖維。
碳纖維性能與其他增強(qiáng)纖維對(duì)比
2.2 纖維的織物形式有哪些？
碳纖維與其他增強(qiáng)纖維力學(xué)性能對(duì)比如下圖所示，碳纖維在強(qiáng)度和模量上較之其他增強(qiáng)纖維均具有一定優(yōu)勢(shì)。但是，碳纖維生產(chǎn)成本也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他增強(qiáng)纖維。
按照碳纖維編織方式，碳纖維織物可以分為機(jī)織物、針織物和無(wú)紡布，其中機(jī)織物按照經(jīng)、緯向纖維交織規(guī)律可以分為平紋、斜紋和緞紋，如下圖所示。
碳纖維機(jī)織物的常見(jiàn)形式
碳纖維無(wú)紡布又稱非織造布，它是指未經(jīng)編織一種織物，如下圖所示，傳統(tǒng)紡織纖維無(wú)紡布成型方法主要包括水刺法、針刺法、熱軋法等方法。
碳纖維無(wú)紡布
2.3 影響增強(qiáng)材料選擇的主要因素有哪些？
碳纖維與其他增強(qiáng)纖維力學(xué)性能對(duì)比如下圖所示，碳纖維在強(qiáng)度和模量上較之其他增強(qiáng)纖維均具有一定優(yōu)勢(shì)。但是，碳纖維生產(chǎn)成本也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他增強(qiáng)纖維。
3 基體性能
3.1 什么是基體？
在復(fù)合材料中，基體的作用是支撐纖維，并將纖維黏合形成整體。通過(guò)使纖維保持方向和位置，樹(shù)脂可以將任何施加的載荷轉(zhuǎn)移到纖維上。此外，樹(shù)脂基體還決定了預(yù)浸料的耐環(huán)境性和最高使用溫度。選擇預(yù)浸料時(shí)，最高使用溫度是選擇預(yù)浸料基體的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)之一。
在熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料中使用的基體為熱塑性樹(shù)脂，固化過(guò)程可以簡(jiǎn)單地將其視為環(huán)氧預(yù)聚物的交聯(lián)反應(yīng)，其反應(yīng)位點(diǎn)連接在一起形成鏈和交聯(lián)，但實(shí)際上，成分更多、固化過(guò)程更復(fù)雜。一旦該過(guò)程發(fā)生，聚合物就完全固化；其固化機(jī)制（以環(huán)氧樹(shù)脂為例）和基體不同組分的作用如下所示。
3.2 不同熱固性樹(shù)脂的性能有哪些？
目前碳纖維預(yù)浸料常用的樹(shù)脂基體為環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、雙馬樹(shù)脂等，下表歸納了每種樹(shù)脂的優(yōu)點(diǎn)和主要用途：
不同樹(shù)脂工作溫度和性能如表1所示：
4 預(yù)浸料性能
4.1 為什么使用預(yù)浸料？
碳纖維預(yù)浸料具有易成型、成本低、纖維含量易控制等優(yōu)點(diǎn)，而且碳纖維預(yù)浸料具有優(yōu)異的拉伸、剛度、疲勞、耐腐蝕等性能。因此，碳纖維預(yù)浸料獲得廣泛應(yīng)用。
選擇預(yù)浸料時(shí)主要取決于兩個(gè)因素：性能和成本，下圖顯示了使用預(yù)浸料的優(yōu)點(diǎn)。
4.1 預(yù)浸料是如何生產(chǎn)的？
碳纖維預(yù)浸料主要有兩種生產(chǎn)方式：一種為直接將樹(shù)脂加熱，以降低其黏度，便于均勻散布于纖維之間，稱為熱熔法。另一種為將樹(shù)脂溶于溶劑中來(lái)降低黏度，待樹(shù)脂含浸纖維后再加熱使溶劑揮發(fā)，稱為溶液浸漬法。
目前碳纖維預(yù)浸料常用的熱熔法又可以分為一步法（圖8）和兩步法（圖9）。在兩步法中第一步需要先制備樹(shù)脂膜，然后進(jìn)行預(yù)浸處理，目前國(guó)內(nèi)碳纖維預(yù)浸料約90%工藝采用熱熔兩步法。
熱熔工藝：又稱樹(shù)脂膜轉(zhuǎn)移法，織物和單向預(yù)浸料均可使用熱熔工藝生產(chǎn)。此過(guò)程分為兩個(gè)階段。第一步包括在紙質(zhì)基材上涂覆加熱樹(shù)脂的薄膜。增強(qiáng)材料和樹(shù)脂在預(yù)浸料機(jī)中相互作用。在施加壓力和熱量后，樹(shù)脂會(huì)滲入纖維中，形成最終的預(yù)浸料，最終將其纏繞在纖芯上。
溶劑浸工藝：使用溶劑浸漬法只能生產(chǎn)織物預(yù)浸料，該方法涉及將樹(shù)脂溶解在溶劑浴中并將增強(qiáng)織物浸入樹(shù)脂溶液中。然后使用干燥爐將溶劑從預(yù)浸料坯上蒸發(fā)掉。
（本文主要參考Hexcel預(yù)浸料手冊(cè)，部分內(nèi)容由本號(hào)編輯整理）
