国外预浸料的研发进展与应用(转载)

2010-12-22

      随着复合材料研究和开发的不断进步, 使用领域日渐扩大, 复合材料构件不同制造工艺、不同工作条件对预浸料也提出了不同要求。为了适应来自多方面的需要, 新的预浸料不断出现, 预浸料的类型不断增加。按物理状态分类,预浸料分成单向预浸料、单向织物预浸料、织物预浸料; 按树脂基体不同, 预浸料分成热固性树脂预浸料和热塑性树脂预浸料; 按增强材料不同, 分成碳纤维( 织物) 预浸料、玻璃纤维( 织物) 预浸料、芳纶( 织物) 预浸料; 根据纤维长度不同, 分成短纤维( 4176mm 以下) 预浸料、长纤维( 1217mm) 预浸料和连续纤维预浸料; 按固化温度不同, 分成中温固化( 120 ℃) 预浸料、高温固化( 180 ℃) 预浸料以及固化温度超过200 ℃ 的预浸料等。

    新近发展趋势说明材料供应商正一如继往地扩大预浸料工艺的范围。非常清楚的是,如果其生产、储存和加工的费用能降低的话,预浸料会得到较大的市场认可。

    单向碳纤维预浸料

    对此贡献最大的是固化温度的降低。Hexcel Composites公司的一位预浸料专家Neil Howard说,如果温度能降低到足以不需目前在航空航天中通常所用的热压釜固化 它将产生极大的影响。除了免掉加工管理费用外,能减少模具成本,还在复合材料成品中减少弹性后效。Hexcel的化学家已通过使用M21,朝这一方向迈进了一步。M21是一种第三代韧性环氧基体,它具有航空航天应用所需的机械强度、刚度和其它性能,但可在l30℃时(而非通常的180℃)固化。M21在湿热老化后在冲击及开孔压缩试验中表现出高的压缩强度。在温度高达130℃还保留湿热性能。此树脂流动性能良好,而且固化简单不需后固化。M21可与单向带和多轴织物一起使用作为适用于大型航空航天结构件的预浸料。

    M36这种空中客车公司认可的材料是另一130℃时固化的基体配套材料,被作为厚膜应用。有趣的是,M36同样地瞄准树脂灌注工艺,此工艺与“标准的”航空航天用热压釜预浸料工艺(作为推荐应用单向带和机织织物的预浸料领域)竞争。因为密度比标准180℃固化基体的约低10%,此树脂可节省重量,优于第二代(增韧的)环氧树脂,有着同等的机械性能(例如Hexcel的 8552和M72,后者在Cytec许可下生产)。其粘度状况和低放热特征使其可与在“半预浸”方法中树脂膜和干纤维层交错的厚铺层共同使用。 

    通常对预浸料的批评是其生产的难度。铺层法因在层间常需压实使得操作缓慢,这阻碍了大规模批量生产。预浸料也不大适合复杂的小半径的3D 几何形状。在这方面预浸料跟SMC和BMC形成了对照,SMC和BMC因其易于制造而受到汽车工业的青睐。但SMC和BMC因其纤维短及纤维含量低而缺乏预浸料具有的高方向性机械强度。为了把SMC的制造能力和接近预浸料的性能结合起来,Hexcel开发了一种单向玻璃纤维和碳纤维预浸料的变体。凭借较长(但非连续的)纤维和不小于57%的纤维含量,Hex McTM在机械性能方面甚至优于强度最高的SMC,从而被推荐用于必须批量生产的刚性、几何形状复杂、重量控制严格的产品。与在碳纤维SMC中实际最大纤维束为3K或6K相比较,碳纤维变体有24K、48K 和60K 的纤维束。和标准的预浸料二样,产品含有脱膜纸成卷包装,并有足够的柔韧性和粘性易于堆放和播放进压缩模具中。

正在生产中的碳纤维预浸料 

    另一家大规模预浸料供应商SP Systems同样坚持改进其系列产品,目前包括在80~C的低温下也能固化的材料。SE 84是一族能在此温度时固化的多用途的热熔环氧,但是为了加速模塑也可采用120"C固化。在2l℃下长达8个星期的外放置寿命,使具有其增粘体系扩大了使用范围。因其压缩强度高,大量用于大型的重负荷构件,例如高性能快艇船壳和翼梁。同样可在80~120℃固化的sE 85是抗微裂纹的橡胶增韧体系。高流动特征使其适用于用真空袋模塑工艺生产厚达25mm 的层板。另一级别的sE 90推荐用于更厚的部件。作结构应用如赛车、桅杆、运动器材和飞行器最理想的体系是SE 135。据说该材料在175℃的固化体系中提供机械性能的水平相当于一种可在低于ll0℃时固化的高强度预浸料。

    Advanced Composites Croup生产的高性能预浸料能在65℃开始固化。尽管如此低的固化温度不可避免地会损失一些“机械性能”,但这种预浸料可用于模具、船舶以及其它对结构荷载要求不是很高的领域。

    另外值得注意的趋势是大丝束碳纤维在高性能商业化应用上的日益增长。例如美国运动器材专业公司Aidida Golf生产几百吨基于50K纤维束的碳纤维预浸料并用于每天多达2.5万根高尔夫球杆的制造。每根高尔夫球杆大约使用碳纤维/环氧90g,高尔夫球杆在恒温箱中于120℃时固化。此固化材料的模量从标准的33Msi到最高的57Msi范围之间。因价格远低于航空航天级小丝束碳纤维(典型的1.2万根单纤维),大丝束碳纤维(48 320K)在基础设施、电子附件和管件应用上的需求日益增长,例如自行车架、转向柱和车辆悬置。例如密支根的Creative Composites公司大丝束碳纤维/环氧用于雪上汽车的悬置装配。

 

(转载:http://www.frponline.com.cn)

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