碳纖維預浸料是指連續碳纖維、碳纖維織物或短切碳纖維在一定工藝條件下經過樹脂基體浸漬形成的碳纖維/樹脂基體的混合體，它是制造先進復合材料結構件的一種主要材料方式。20世紀80年代初，預浸料被視為一種特殊材料，在航空領域主要用于次級結構，約占飛機結構重量的5%。現如今，預浸料已經成為大型商用飛機主結構的標準材料，在空客A350 XWB和波音787上的用量已經占據飛機機構總重的50%以上。
除廣泛應用的航空航天領域，由于預浸料具有高機械性能、高強度和快速固化等優越特性，其可用于汽車、電子、體育用品和風能等各種領域。而得益于預浸料優異特性的其他快速增長的應用包括用于油氣開采的海底管道和高壓容器。與金屬相比，預浸料的用量增長是由更高的比強度、更好的疲勞強度和更大設計自由度等潛力推動的。
此次關于預浸料技術的完全知識指南旨在幫助大家更好地了解預浸料、預浸料的制造、加工、性能和各種應用。本系列文章主要參考了Hexcel公司預浸料技術手冊內容，包括上、下兩篇，共包括8部分內容。
在上篇文章中包括4部分內容：1）、碳纖維預浸料概述；2）、纖維和織物性能；3）、基體性能；4）、預浸料性能。本文首先介紹了預浸料概念以及典型應用，然后按照預浸料組成，分別介紹了纖維、織物、樹脂等材料的特性；進一步介紹了預浸料的性能與生產方法，論述了常見的加工工藝。
1 碳纖維預浸料技術概述
1.1 高性能復合材料主要技術
作為一種纖維增強樹脂基材料，碳纖維預浸料在高溫加壓條件下可以固化成型，從而得到高強質輕的復合材料結構件。復合材料幾種主要成型技術如圖1所示，而預浸料依靠其優異性能成為復合材料主流材料之一。
復合材料主要成型技術
1.2 為什么使用復合材料？
復合材料與傳統木材、混凝土以及金屬材料的典型特性對比如下所示，從圖中可以看出，復合材料具有優異的拉伸強度和拉伸模量，同時兼具低密度特點，從而具備了重量輕、強度高、剛度好等特點。
1.3 什么是碳纖維預浸料？
碳纖維預浸料主要由碳纖維和樹脂基體兩大組分組成，按照碳纖維增強方式，碳纖維預浸料可以分為單向增強和多向增強兩種，如下圖所示。
圖片
碳纖維預浸料常見形式
1.4 預浸料應用于哪些領域？
2 纖維和織物性能
2.1 碳纖維的性能
碳纖維與其他增強纖維的密度和成本對比如下圖所示，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增強纖維，尤其是高模量碳纖維成本最高。
碳纖維與其他增強纖維力學性能對比如下圖所示，碳纖維在強度和模量上較之其他增強纖維均具有一定優勢。但是，碳纖維生產成本也是遠遠高于其他增強纖維。
碳纖維性能與其他增強纖維對比
2.2 纖維的織物形式有哪些？
碳纖維與其他增強纖維力學性能對比如下圖所示，碳纖維在強度和模量上較之其他增強纖維均具有一定優勢。但是，碳纖維生產成本也是遠遠高于其他增強纖維。
按照碳纖維編織方式，碳纖維織物可以分為機織物、針織物和無紡布，其中機織物按照經、緯向纖維交織規律可以分為平紋、斜紋和緞紋，如下圖所示。
碳纖維機織物的常見形式
碳纖維無紡布又稱非織造布，它是指未經編織一種織物，如下圖所示，傳統紡織纖維無紡布成型方法主要包括水刺法、針刺法、熱軋法等方法。
碳纖維無紡布
2.3 影響增強材料選擇的主要因素有哪些？
碳纖維與其他增強纖維力學性能對比如下圖所示，碳纖維在強度和模量上較之其他增強纖維均具有一定優勢。但是，碳纖維生產成本也是遠遠高于其他增強纖維。
3 基體性能
3.1 什么是基體？
在復合材料中，基體的作用是支撐纖維，并將纖維黏合形成整體。通過使纖維保持方向和位置，樹脂可以將任何施加的載荷轉移到纖維上。此外，樹脂基體還決定了預浸料的耐環境性和最高使用溫度。選擇預浸料時，最高使用溫度是選擇預浸料基體的關鍵標準之一。
在熱固性樹脂基復合材料中使用的基體為熱塑性樹脂，固化過程可以簡單地將其視為環氧預聚物的交聯反應，其反應位點連接在一起形成鏈和交聯，但實際上，成分更多、固化過程更復雜。一旦該過程發生，聚合物就完全固化；其固化機制（以環氧樹脂為例）和基體不同組分的作用如下所示。
3.2 不同熱固性樹脂的性能有哪些？
目前碳纖維預浸料常用的樹脂基體為環氧樹脂、酚醛樹脂、雙馬樹脂等，下表歸納了每種樹脂的優點和主要用途：
不同樹脂工作溫度和性能如表1所示：
4 預浸料性能
4.1 為什么使用預浸料？
碳纖維預浸料具有易成型、成本低、纖維含量易控制等優點，而且碳纖維預浸料具有優異的拉伸、剛度、疲勞、耐腐蝕等性能。因此，碳纖維預浸料獲得廣泛應用。
選擇預浸料時主要取決于兩個因素：性能和成本，下圖顯示了使用預浸料的優點。
4.1 預浸料是如何生產的？
碳纖維預浸料主要有兩種生產方式：一種為直接將樹脂加熱，以降低其黏度，便于均勻散布于纖維之間，稱為熱熔法。另一種為將樹脂溶于溶劑中來降低黏度，待樹脂含浸纖維后再加熱使溶劑揮發，稱為溶液浸漬法。
目前碳纖維預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脂膜，然后進行預浸處理，目前國內碳纖維預浸料約90%工藝采用熱熔兩步法。
熱熔工藝：又稱樹脂膜轉移法，織物和單向預浸料均可使用熱熔工藝生產。此過程分為兩個階段。第一步包括在紙質基材上涂覆加熱樹脂的薄膜。增強材料和樹脂在預浸料機中相互作用。在施加壓力和熱量后，樹脂會滲入纖維中，形成最終的預浸料，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織物預浸料，該方法涉及將樹脂溶解在溶劑浴中并將增強織物浸入樹脂溶液中。然后使用干燥爐將溶劑從預浸料坯上蒸發掉。
（本文主要參考Hexcel預浸料手冊，部分內容由本號編輯整理）
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