多用途高性能的新型预浸料

        预浸料――用树脂预先浸渍的增强材料，可直接用于生产复合材料部件――凭借多功能性、高纤维含量和选择范围广等特点在各种复合材料领域内的应用逐渐增多。Richard Stewart介绍了预浸料技术及其应用领域的新进展。
        

TenCate公司127厘米宽的单向纤维带机用来生产 低压环氧树脂预浸料TC250，用于航空航天领域。

        预浸料技术的进步产生了一种无需冷藏的材料（预浸料保存时间较长），制成的产品可以在低温下固化。增强材料和聚合物基体树脂的多种选择使得预浸料制成的复合材料制品比以往更加丰富。
        Lucintel的《预浸料市场：趋势、预测和机遇分析（2008-2013）》报告指出，自从2002年，的预浸料运输量一直以10%以上的年增长率增长，产量从2002年到2007年增加了一倍多。预浸料的需求量随着复合材料工业应用的增加而稳定增加。
        Lucintel说 ：“从航空航天到运动制品再到风能，预浸料作为一种高性能材料正迅速得到认可。”
        
        成本优势
        虽然预浸料的初始成本高于传统湿法手糊和喷涂工艺中所用的材料，而更低的制造成本、更快的生产速度和其他优势却使得这种差距逐渐减小甚至消除了。预浸料的成本优势包括：通过取消手工浸渍过程减少了劳动量；减少了反复铺放的重复性工作；减少了湿法工艺中的清洗程序。 [-page-] 
        预浸料生产商提供的成卷的预浸料是由增强纤维和树脂基体制成的特定固化形态的材料。热固性树脂是普遍的，其中主要的三种是环氧树脂、酚醛树脂和双马来酰亚胺树脂。
        

ACG的ZPREG®预浸料具有较高的模 具制造速度

        高性能热塑性塑料也用于生产预浸料。
        计算机驱动的切割机以及自动的铺带和纤维铺放系统减少了人力和浪费。美国科罗拉多州的Fiberforge公司专业生产先进的热塑性复合材料，他们开发了一种采用热塑性预浸带复合材料的生产系统，产量很高。自动铺放工艺可以生产出形状几乎一致的定制料坯，然后在高压热成型压力机中加热成型为终的部件。
        Fiberforge的RelayTM生产系统可以经济高效地生产出轻质复合材料结构，废品率低。3月份，该公司宣布许可Oribi制造公司使用RelayTM工作站生产复合材料部件，用于户外、运动、医疗和工业制品市场。
        预浸料可以根据单位面积纤维重量（g/m2）来分类，也可以根据固化温度来分类：室温、250℃和350℃。将预浸料放在模具内或芯轴上后，可以用真空袋、压力袋和高压釜工艺进行固化。
        
        预浸料供应商
        的预浸料供应商包括Hexcel、ACG、Cytec、Gurit、Toray和TenCate。去年Hexcel获得了为空客A350 XWB供应主要的结构预浸料的合同，合同将持续到2025年，总值40亿美元。
        航空咨询公司AeroStrategy说，Cytec和Hexcel是航空航天业内大的碳纤维预浸料供应商，尽管自从波音787梦幻飞机采用碳纤维预浸料后，市场份额也随之流向产量剧增的东丽。
        在2009年的JEC展上，Hexcel推出了其新的用于生产航空复合材料结构的HexPly®M56低压固化（OOA：out-of-autoclave）预浸料。在真空下，该材料只需在135-180℃的烘箱中即可固化。其中的增强材料可以选用碳纤维织物、单向碳纤维带、玻纤织物和金属网。据说，HexPly M56在室温下具有30天的保存期，适用于手糊和自动化工艺。 [-page-] 
        ACG是Umeco公司复合材料集团的下属公司，在JEC上也推出了其OOA航空级预浸料技术。ACG的二次固化预浸料MTM44-1（130-180℃）在2008年通过了空客的质量认证，由纤维带和织物增强的产品系列可用于结构件的生产。据说该材料将通过优化用于低压真空袋工艺。ACG还供应其他应用广泛的OOA预浸料。
        

波音飞机的机翼外壳使用了Cytec公司的预浸料。

Cytec采用碳纤维织物和其他材料生产预浸料 ，用于航空航天和其它先进的复合材料应用 领域。

        Cytec工程材料公司的CYCOM 5320是一种新型OOA预浸料，采用了一种增强型环氧树脂。据说该材料的力学性能与180℃下高压固化的增强型环氧树脂相当。Cytec说，多种真空袋固化周期（从90℃下8小时到120℃下2小时）使该材料的加工工艺更加灵活。
        固瑞特（Gurit）开发了预浸料PB 1000，用于飞机内饰件的制造。该产品采用的是改性苯并恶嗪树脂，没有甲醛或苯酚残留物，固化快速且无挥发，可以得到无孔的表面。另一种预浸料产品EP137-CR527采用的是单向碳纤维增强材料，据说非常适合制造飞机结构内饰件，特别适合自动铺放工艺。
        TenCate推出了一种新型的环氧树脂预浸料RS-36，用于太空人造卫星结构部件的制造，是氰酸酯预浸料的理想替代材料。据说该产品在177℃下固化90分钟后，可以很好地抵抗潮气侵蚀。 [-page-] 
        TenCate公司的TC550也是一种增强型环氧混合预浸料，专门用作飞机内饰件和管道的生产。该产品不含卤素和酚醛，满足欧盟对于REACH的所有要求。
        另一种产品TC250目前正在进行质量认证，是一种增强的环氧预浸料，采用真空袋固化。它可以满足一般的飞机、无人驾驶飞船和商务飞机行业中主结构和次结构的需求。质量认证预计在2009年年底前完成。
        
        风能和海洋能
        固瑞特为风能和海洋能市场的结构应用开发预浸料产品。SparPreg™可用于制造风机叶片结构梁中的厚层压板部分。这种单向预浸料挥发物含量低，无需借助其他干的织物增强材料来去除空气。
        风机叶片的模内表面铺层可以采用SPRINT™ IPT，它由SPRINT Triax材料和一种新的高性能表面薄膜组成，固化后即得到坚固耐磨擦的表面，可以直接上漆。
        

Diehl飞机公司采用Gurit的PB1000预浸料 生产的机舱壁。

Fiberforge公司的Relay®生产线通过自 动铺放工艺用预浸带生产定制的预浸料坯， 然后热成型为终的部件。

        经过成功的生产试验后，一家风机叶片制造商与固瑞特天津工厂签订了预浸料材料及制品的采购协议。
        Hexcel在天津也有一家预浸料生产厂。今年早些时候，该公司在美国科罗拉多州建立了另一家工厂。Hexcel为风机叶片行业提供一系列预浸料产品，包括表面预浸料。
        HexPly®XF2P的表面可以直接上漆，无需胶衣即足够坚固耐久。 [-page-] 
        预浸料在汽车行业的应用也在增加。Hexcel开发了一系列复合材料，可以满足汽车行业的特定需求。例如，HexPly®M49预浸料适用于车身板和外饰件。HexPly®XF3表面膜可以直接喷涂，与大多数环氧预浸料相容，适合多种固化工艺（从100-140℃）。
        
        ACG预浸料在上大的商业化潮汐能系统SeaGen中有应用，该系统位于爱尔兰Strangford海湾的北入口处。ACG的VTM 260系列预浸料制成的65 mm厚的结构加强筋，具有高强度、高刚度和低重量的特性。
        该工程的规模表明，VTM 260预浸料的操作性能和耐久性是影响选择的重要因素。大型部件采用真空固化工艺制成。VTM 260预浸料也可进行高压固化。（关于SeaGen的更多信息请见本期杂志第14-17页。）
        
        防弹预浸料
        有几家制造商可以提供防弹预浸材料。美国爱荷华州Norplex-Micarta公司生产高性能的防弹预浸料、片材和模塑制品。据说，ShotBlockertm系列材料是唯一的商业化1-A级防火防弹材料，其应用包括装甲车、防爆门和安全产品。
        Norplex-Micarta公司说，其玻纤织物基防弹材料有五种防弹等级，性能与传统S-2玻纤层压材料相当，而成本却低得多。ShotBlocker材料具有非常高的结构强度和防弹性能。
        这些材料非常适用于建筑行业中无法使用钢板的场合。三分之一重量的ShotBlocker与钢材具有相同的防护性能。
        

Hexcel的HexPly®预浸料成卷供应，具 有多种树脂基体和增强材料组合。（图片 版权所有：Hexcel）

Amber公司的HX90N模具预浸料用于生产 无人驾驶飞机上的相机盖模具。

        在JEC展上，ACG展示了一种防弹预浸料的应用――英国轻质装甲系统供应商Permali Gloucester制造的防剥落衬里。Permali通过热压成型工艺，用ACG的MTM82酚醛树脂/S2玻纤预浸料制成了该衬里。ACG说，采用这种材料和工艺制成的部件已经大量装备在车辆上。 [-page-] 
         
        模具预浸料
        预浸料也用于复合材料模具的制造。Hexcel在JEC上展示了用HexTOOL®复合材料模具材料制成的模具，并介绍了一种新的碳纤/环氧树脂产品HexTOOL M81。这种材料需要在125℃下于高压釜内固化6小时，然后在205℃下低压后固化两小时。在零下18℃或更低温度下，材料的保存期限为18个月。
        HexTOOL M81比标准的复合材料模具预浸料厚得多，可以经受100多个120℃的固化周期。HexTOOL M61可以经受几百次180℃的高压固化周期。
        ACG生产的模具用DFormtm复合材料系统。该预浸料结合了短玻纤模塑料和高性能长玻纤复合材料的优势。DForm已通过了广泛的市场测试，与湿法手糊和树脂灌注工艺相比，生产周期更短。
        近，ACG在英国的生产工厂内安装了一条新的生产线，以进一步改善产品性能，加快生产速率，满足市场需求。新的生产设备也将促进DForm的结构应用。据ACG报道，DForm特别适合制造复合材料模具，与标准长纤维织物预浸料和多向短纤树脂灌注系统相比，具有许多优势。
        ACG公司的另一种模具用产品ZPREG®是一种部分浸渍的快速层压系统，特别适用于快速制造模具。ACG说，近他们利用ZPREG模具表面毡和高性能模具层压板制成了一个大型的后机身模具。在真空状态下于190℃高压固化后，该模具没有开裂，表面质量非常好。
        

Norplex-Micarta公司生产防弹的预浸料卷和片材。 （图片提供：Norplex-Micarta）

        因Multipreg™ HX系列环氧模具产品而知名的英国Amber复合材料公司也提供一种低温固化模具预浸料，采用的是纳米改性的环氧树脂。据说HX90N具备前所未有的性能 ：非常低的热膨胀、更光滑的平面和无缝的表面质量。因此该产品比铝和环氧树脂模具板更优异。
        据说，HX90N加工方便，具有优异的装饰性，可以制造复杂的部件。更好的表面质量可以更快的获得A级表面，同时减少底漆的用量，降低制品的重量。由于表面缺陷更少，模具寿命也得以延长。
        Amber复合材料公司与欧洲模具和原型制造领导者Axson科技公司合作在德国、法国、意大利、西班牙和葡萄牙生产一系列模具和部件（包括Amber的HX系列模具预浸料），覆盖的领域有汽车、航空航天、船艇等。 [-page-] 
         
        硼纤维增强预浸料
        美国Specialty Materials公司的预浸料是由硼纤维和石墨纤维共同增强的。Hy-Bor®预浸带将硼纤维与环氧树脂浸渍的石墨纤维结合在一起，得到的高性能材料具有优异的性能，可以取代碳纤维。通过改变硼纤维的间距，预浸料的性能和材料成本可以根据不同的应用需求而定制。
        标准Hy-Bor预浸料是采用三菱丽阳的MR-40石墨纤维和直径为0.1 mm的硼纤维以及120℃固化的环氧树脂制成的。Hy-Bor还可以与其他任何商业化的石墨预浸料结合使用。该公司说，各种纤维共同分担载荷，石墨纤维和硼纤维的结合可以提高拉伸强度/模量和压缩强度/模量之间的平衡。据称，Hy-Bor在所有连续纤维基复合材料中具有高的压缩强度。该产品可以在客户所选择的树脂中进行预浸渍。
        美国犹他州的TCR复合材料公司生产的环氧树脂预浸料在室温下具有较长的保存期――在低于24℃的温度下可以保存12个月。该公司的TCR™系列预浸料采用的环氧树脂系统制成。该材料具有灵活的固化周期，无需真空袋或高压釜，应用领域包括汽车、医疗和工业制品。
        TCR材料采用多种纤维制成（从E玻纤到高模量碳纤），形式包括原丝、织物、单向带和编织物。树脂含量和固化时的流速和方向可以根据工艺要求而改变。TCR高性能纤维原丝预浸料非常适合制造压力容器，是专门为高产量的纤维缠绕工艺而开发的（高可达275米/分钟）。
        另一种创新的预浸料产品由碳纤维生产商Mitsuya生产，使用的是高性能的APTIV薄膜和Victrex PEEK™（聚醚醚酮）聚合物以及碳纤维原丝。这种单向薄层轻质预浸料具有较高的耐热性和强度以及优异的加工灵活性。借助APTIV薄膜，Mitsuya可以称产出极薄的（40 um或更薄）预浸料层。