碳纖維預浸布

預浸料是製造複合材料及其製件的中間材料，構成了複合材料的基本單元，其質量的均勻性和穩定性，是保證複合材料及其製件質量和可靠性的重要環節。樹脂基複合材料（RMC）的高比強度和比剛度，可設計性能好，能有效減輕航天器的結構質量，是當今宇航材料的發展重點，正逐漸取代傳統的金屬材料。然而，隨着宇航技術的新發展，環氧樹脂（EP）由於其介電性能、耐熱性、尺寸穩定性和耐濕性不佳而使用率逐漸減小。而聚酰亞胺（PI）、雙馬來酰亞胺（BMI）和聚醚醚酮（PEEK）等新材料，雖然耐熱性、介電性能有了很大提高，但卻又存在着溶解性差、成型温度高等工藝上的缺陷，有待進一步改進。近年來，氰酸酯樹脂（CE）因其性能綜合了BMI等的耐高温和EP的良好工藝性，且介電性能極佳，具有極廣泛的應用前景，成為繼PI和BMI之後的又一高性能宇航複合材料基體樹脂。近年來，衞星、飛船等空間飛行器上碳纖維複合材料的使用量逐年增加，尤其是碳纖維預浸料複合材料已廣泛應用於衞星的中心承力筒、基板、連接架等主體結構中，滿足了航天器的多項功能性需求。 ^[1] 

碳纖維預浸布是在經過高壓高温技術將環氧樹脂複合在在碳纖維上。

碳纖維（carbon fiber），顧名思義，它不僅具有碳材料的固有本徵特性，又兼具紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。與傳統的玻璃纖維（GF）相比，楊氏模量是其3 倍多；它與凱芙拉縴維（KF-49）相比，不僅楊氏模量是其2倍左右，而且在有機溶劑、酸、鹼中不溶不脹，耐蝕性出類拔萃。有學者在1981年將PAN基CF浸泡在強鹼NaOH 溶液中，時間已過去30多年，它至今仍保持纖維形態

環氧樹脂是泛指分子中含有兩個或兩個以上環氧基團的有機高分子化合物，除個別外，它們的相對分子質量都不高。環氧樹脂的分子結構是以分子鏈中含有活潑的環氧基團為其特徵，環氧基團可以位於分子鏈的末端、中間或成環狀結構。由於分子結構中含有活潑的環氧基團，使它們可與多種類型的固化劑發生交聯反應而形成不溶、不熔的具有三向網狀結構的高聚物。 ^[1] 

1、PAN基碳纖維布（市場上90%以上為該種碳纖維布）；

2、黏膠基碳纖維布；

3、瀝青基碳纖維布

1、1K碳纖維布；

2、3K碳纖維布；

3、6K碳纖維布；

4、12K碳纖維布；

5、24K及以上大絲束碳纖維布

1、石墨化碳纖維布，可以耐2000--3000度高温；

2、碳纖維布，可以耐1000度左右高温；

3、預氧化碳纖維布，可以耐200--300度高温

1、幹法預浸布；

2、濕法預浸布；

3、單向預浸布:

4、預浸帶；

5、無託布；

6、有託布等。 ^[1] 

隨着風力發電設備的大型化，對材料的強度和剛度等性能提出了更加苛刻的要求，要滿足大型葉片對材料的要求，國外風電葉片生產商已着手在大型葉片的製造過程中使用碳纖維。隨着風電技術的發展，碳纖維在風電行業中的應用將使風力發電的綜合成本逐漸減低，使用碳纖維複合材料製造大型葉片將是未來必然的發展趨勢。常用的複合材料風電葉片的製造工藝有濕法成型、預浸料成型、真空灌注成型等方法。對於製造相同WM級的風電葉片，預浸料呈現最佳的性能。國外碳纖維預浸料在風機葉片上的應用方面已日趨成熟。

1）主要材料與試劑

雙酚A型環氧樹脂單體A、B：純度>99%（HPLC測試）；固化劑組分：中航複合材料有限公司自制；觸變劑：中航複合材料有限公司自制；ZT6F碳纖維：T700級12K碳纖維，中簡科技有限公司。

2）樹脂及複合材料的製備

稱取一定量的環氧樹脂單體A、B，加熱熔融，加入觸變劑，高速攪拌；降至一定温度，加入固化劑組分，機械攪拌均勻即得LTC80環氧樹脂基體。將LTC80樹脂和增強材料（ZT6F碳纖維），通過熱熔法制備預浸料，利用真空袋成型，即可製得ZT6F/LTC80樹脂基複合材料。

3）測試與表徵

樹脂的DSC分析：NETZSCH DSC 204 F1示差掃描量熱分析儀，升温速率：5℃/min；樹脂流變性能：GEMINI200型流變分析儀，測試條件：加載頻率：1Hz，加載應力：10MPa，試樣厚度：200um，升温速率：3℃/min；樹脂DMA：NETZSCH DMA 242C動態熱機械分析儀，升温速率：5℃/min。複合材料力學性能的測試：按ASTM標準進行測試。

1、LTC80樹脂性能

1）樹脂耐温性能

樹脂固化後玻璃化轉變温度Tg達到136.9℃，具有較高的耐熱性。雖然使用低成本的雙酚A型環氧樹脂，但是由於自制固化劑組分的高效，使得樹脂固化完全，使得樹脂體系具有高的耐熱性。

2）樹脂流變性能

隨着温度的上升，受温度影響樹脂黏度逐漸降低，隨着温度的繼續上升，樹脂開始發生固化反應，樹脂黏度逐漸增加，至114℃以上，樹脂固化反應加快，很快達到凝膠階段，樹脂的黏度迅速增加，樹脂固化。這種動態的流變特性使得樹脂易於製備大厚度預浸料；且樹脂在固化時具有較低的黏度，同時由於觸變劑的加入，使得樹脂適用於真空低壓固化工藝，具有較好的工藝性。

2、複合材料性能

1）熱熔法制備預浸料

LTC80樹脂體系的流變特性，使其適用於熱熔法制備預浸料，並適用於低壓成型。風電葉片用預浸料為了降低鋪貼成本，通常採用高面密度，這就給樹脂充分浸潤纖維帶來了考驗，LTC80樹脂的流變特性恰好解決了這個問題，在樹脂流動的動態過程中，觸變劑的增稠作用處於失效狀態，因此樹脂能充分流動。而在製備過程中，設備温度和壓力的合理控制，不會出現樹脂積淤的現象，使得預浸料不會出現貧膠區域，保證了預浸料性能的穩定。

2）ZT6F/LTC80複合材料性能

複合材料具有優良的力學性能。 ^[2] 

將規定量的碳纖維預浸料試樣放入鼓風乾燥箱中，加熱至規定的温度，恆温一定時間以去除揮發物，根據加熱前後試樣的質量變化計算出揮發分含量。揮發分含量與試樣堆積厚度、鋪展面積、收集器尺寸等因素有關。試樣堆積厚度小、鋪展面積大時，受熱揮發出的溶劑和小分子低聚物較容易揮發，在收集器能夠較好收集回落的溶質前提下，揮發分測試結果較為準確。考察了鼓風和收集器尺寸對碳纖維預浸料揮發分的影響，可以得到結論：

（1）烘箱內開啓鼓風時測得氰酸酯體系碳纖維預浸料的揮發分含量較大，碳纖維預浸料在濕態下受熱比較均勻，溶劑和小分子低聚物能夠較徹底的揮發；

（2）採用直徑較大的收集器測得的揮發分含量比直徑較小的收集器測得的數據小，在相同堆積厚度和鋪展面積的前提下，收集器尺寸較小時，一些樣品流動到收集器之外損失掉，造成測試結果偏大；收集器直徑達到100mm時，揮發分數據基本達到穩定值，此時受熱揮發出的溶劑和小分子低聚物可以有效擴散，同時收集器也能較好地收集回落的溶質；

氰酸酯基體碳纖維預浸料揮發分含量的準確測試，不僅能夠監測着碳纖維預浸料的質量好壞，而且控制着複合材料的成型工藝，使基體材料具有一定的黏性和流動性，便於鋪疊，以降低複合材料的孔隙含量。不同實驗條件對揮發分含量的影響規律能夠為碳纖維預浸料揮發分含量的準確測定提供依據。 ^[1] 

1） 宇航：機身、方向舵、火箭的發動機殼、導彈散流器、太陽能電池板等；

2） 體育器材：汽車部件、摩托車零件、釣魚杆、棒球棍、滑雪橇、快艇、羽毛球拍等；

3） 工業：發動機部件、混凝土結構物補強材料、風機葉片、傳動軸、以及電器零部件等；

4） 消防：適用於部隊、消防、鋼廠等特殊類高檔的防火服製作。

防火等級：A級-不燃，執行標準GB8624-2006，德國標準DIN4102 A1級。 ^[2]