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树脂体系、数据库及铺层技术是碳纤维复材行业生产研发核心壁垒

发布时间:2020-12-03  来源:立鼎产业研究网  点击量: 1558 

碳纤维复材具备优异的轻质高强性能,是结构减重的最佳选择。碳纤维比强度、比模量高,在非氧化环境下具有极高的耐高温性能,且抗疲劳性好、耐腐蚀性好、导电导热性能及电磁屏蔽性能优异,被称为“新材料之王”。 碳纤维与树脂等基体经过特殊复合成型工艺制成碳纤维复材,其密度仅为铝的一半,比强度为铝的 6 倍、比模量为铝的 3 倍,综合力学性能指标在现有结构材料中是最高的,目前在航空航天、风电叶片、体育竞技等领域已得到大规模应用。

不同航空材料性能比较


资料来源:公开资料

预浸料铺放及预成型符合是目前复材成型的两种主要工艺,前者在航空应用占比超过70%。碳纤维复材成型包括两种主要的工艺路线:第一种是纤维先与树脂配比形成预浸料(先复合),然后通过铺放缠绕的方式成型并进行热固(后成型),获得复材制品;第二种是先进行纤维的编织制成预制体(先成型),然后通过气象沉积的方式复合(后复合),获得复材制品。预浸料工艺(前者)目前占比超过70%,在航空航天结构件、风电叶片、体育休闲、压力容器等领域得到广泛的应用,主要利用其超强的“结构力学”性能。预制体工艺(后者)目前主要在航天热防护和耐烧蚀结构件、飞机刹车盘、热场材料等领域应用,侧重“结构功能”材料的定位。

碳纤维复材产业链及价值链


资料来源:公开资料

纤维与树脂结合制成预浸料,预浸料铺放缠绕为构型,通过热压罐固化成复材制件。预浸料制备先将树脂在高温下熔融,然后通过一步法或两步法浸渍纤维制成预浸料。一步法直接将纤维通过含有熔融树脂的胶槽浸胶,然后烘干收卷。两步法先在制膜机上将熔融后的树脂均匀涂覆在浸胶纸上制成薄膜,然后与纤维或织物叠合高温处理。为了保证预浸料树脂含量稳定,树脂胶膜与纤维束通常以“三明治”结构叠合,最后在高温下使树脂熔融嵌入到纤维中形成预浸料。随后经过预浸料下料、铺设毛坯、预吸修整等工序制作构型,制作真空袋并放入热压罐固化,最后脱模检测获得复材制件,用于后续的加工及装配。

树脂的研发需要与碳纤维特性高度协同,上浆剂是两者结合的重要媒介。除树脂本身特性以外,树脂与浆料的匹配度至关重要,因为树脂与碳纤维的复合本质上是与碳纤维上的浆料结合,但不同碳纤维使用的浆料品种和用量差别大,通用树脂很难与不同碳纤维结合稳定一致。为减少复合过程中的变数,国际复材巨头赫氏、东丽、氰特通常将下游的基材树脂研发与上游的浆料研发结合在一起。历史上第一代航空碳纤维及预浸料(T300/5280)就是在波音制定的BMS9-8(纤维及织物)和BMS8-256(预浸料)标准下一同推出的。

热固型 树脂是目前 预浸料 主流的基体材料,但热塑性树脂也在快速发展。预浸料是用树脂基体在严格控制条件下浸渍纤维或织物后形成的一种储存备用半成品。预浸料按增强体物理形状可分为单向预浸料和织物预浸料; 按宽度可分为宽带(几十毫米)、窄带(几毫米)预浸料;按基体品种分有热塑性预浸料和热固性预浸料;按固化温度可分为低温(80) 、中温(120) 、高温(180)固化预浸料。其中,热塑性预浸料和热固性预浸料是最常用的分类方式。热固性树脂技术成熟,性能稳定,目前广泛应用于航空航天领域,但后续环节高昂的保存费用(需要在-18℃环境中运输存储)以及固化费用(需要在热压罐中处理10小时)是中下游环节成本高企的关键因素。近年来,热塑性树脂优良特性和成本节降潜力受到重视,实验表明热塑性树脂基复材在抗分层和缺陷数量方面具有一定优势,更重要的是热塑性树脂无需冷藏、无需固化,可再次使用,这将大大降低后续工艺成本,相关技术已在空客飞机主要结构件上取得突破。

复材预浸料分类与比较


资料来源:公开资料

不用应用场景适配不同类型树脂,丰富的树脂体系以及数据库是预浸料企业技术壁垒所在。

1)树脂体系:不同型号飞机对树脂基体的韧性、耐热性指标差别大。环氧、双马树脂力学性能好,耐热性能差,广泛应用于飞机机体材料,而聚酰亚胺类树脂耐热性能优异,广泛应用于发动机材料。提升树脂的韧性和耐热性一直是树脂材料开发的重难点,形成多品系的树脂是保证预浸料适用性和实用化的关键。

2)数据库及研发能力:复材的性能由纤维与树脂共同决定,相对来说纤维的牌号较为单一,因此要匹配不同应用场景的工况需求,预浸料是承上启下的关键环节。而要实现这一目标,需要对不同纤维的性能特征有深刻认知,制成复材件后经过充分的实验检测形成数据库,这一能力的形成需要长时间积累,并且与型号项目深度配套。因此在航空航天领域会形成较强的先入优势和技术壁垒。在充分的研发、实验、生产、配套过程中,逐步形成对不同树脂性能特征的理解,掌握面向不同需求的具备针对性的预浸料研发能力。

不同型号飞机树脂使用差别大


资料来源:公开资料

上下游联动,一体化设计确保复材件成型质量。复材制造与制品成型同时完成,产业链整体化设计至关重要。单层设计、铺层设计、结构设计以及后续产品全寿命性能,维护更换等环节需要统筹把握,一旦某个环节出现短板,就会影响国产复材在主机厂的应用。其次,复材生产需上下游高度协同,复材制品性能取决于材料、设计配比、铺层和成型方法,整个生产过程技术壁垒高,关键控制点多,对稳定性要求非常苛刻。因此,国产复材结构研发必须由设计、材料、工艺三个领域的技术人员需要高度配合,相互协作才能完成。

国产大飞机产业的启动将推动自动铺丝铺带技术在国内复材件制备中的应用。手工铺叠目前仍是我国航空用先进复材构件生产的主要形式,适合小批量、中小尺寸、复杂构件的生产。但存在劳动强度大,材料利用率和生产效率偏低的问题,因此无法很好的满足国产大飞机复材件的批量需求。国外民机产业在大型构件中已普遍使用自动铺带机(ATL)以及自动铺丝机(AFP),可将碳纤维预浸料带或预浸料纤维束逐层铺叠在模具表面,进行在线或离线热压固化,人力成本可节降40%,材料损耗降低50%,生产效率提高20倍以上。

不同碳纤维铺放工艺特点比较


资料来源:公开资料


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