A-13 Gehärtetes Vorimpregnat

Verstärktes Kohlenstofffaser-Prepreg: Eine Lösung für hochzähe Verbundwerkstoffe unter dynamischen Belastungsszenarien

In Bereichen wie Windenergie, Elektrofahrzeuge und hochwertige Ausrüstung, die langfristigen dynamischen Belastungen unterliegen, bestimmen Zähigkeit und Ermüdungsfestigkeit der Materialien direkt die Lebensdauer von Bauteilen. Dieses gezähnte Kohlefaservorimpregnat verwendet ein spezielles gezähntes Harz als zentrales Bindesystem und umfasst die beiden gängigen Formen des unidirektionalen Kohlefaservorimpregnats und des Kohlefasergewebes-Vorimpregnats. Durch effiziente Durchdringung und Verbindung von Harz und Faser weist es nach der Aushärtung nicht nur hervorragende mechanische Eigenschaften auf, sondern auch eine herausragende Feuchtwärmebeständigkeit und kann stabil in dynamischen Belastungsumgebungen wie Langzeitvibration und Schlagbeanspruchung eingesetzt werden. Es bietet eine Materialauswahl, die Festigkeit und Zähigkeit ausbalanciert, für Windturbinenblätter, Fahrzeug-Chassisteile und hochwertige mechanische Strukturbauteile und überwindet die Leistungsgrenzen herkömmlicher Kohlefaservorimpregnate mit hoher Steifigkeit und geringer Zähigkeit.

Kernvorteil: Mehrdimensionale Gewährleistung von Belastbarkeitsdurchbruch, stabiler Leistung und Szenenanpassung

1. Durch spezialisierte Härtungsharze ermöglicht, wodurch die Schlagzähigkeit und Ermüdungsfestigkeit des Materials deutlich verbessert wird

Gehärtetes Harz ist das kerntechnologische Highlight dieses Prepregs. Im Gegensatz zu herkömmlichen Standardharzen verwendet es eine Verbundformel aus „Epoxidharz + kern-schale-förmigem zähigkeitssteigerndem Mittel + modifizierendem flexiblen Kettenabschnitt“ und optimiert die Zähigkeit des Harzes durch molekulare Gestaltung: Das kern-schale-förmige zähigkeitssteigernde Mittel kann nach der Aushärtung des Harzes kleine elastische Partikel bilden. Wenn das Material belastet wird, können diese Partikel die Aufprallenergie absorbieren und einer schnellen Rissausbreitung entgegenwirken; Flexible Kettenabschnitt-Modifikatoren können die Flexibilität der Harzmolekülketten erhöhen und die Spannungsakkumulation im Material unter langfristigen dynamischen Lasten verringern.

Laut autoritativen Tests hat der Zähigkeitsindex dieses gehärteten Kohlenstofffaser-Prepregs bedeutende Durchbrüche erzielt: Das aus unidirektionalem Kohlenstofffaser-Prepreg hergestellte Verbundmaterial weist eine Schlagzähigkeit auf, die um mehr als 60 % höher liegt als bei herkömmlichem Kohlenstofffaser-Prepreg, sowie eine Bruchdehnung, die um 45 % erhöht ist; Die Scherzähigkeit des Kohlenstofffasergewebe-Prepregs wurde um 55 % verbessert. Nach einer dynamischen Belastungsprüfung über eine Million Zyklen liegt die Erhaltungsrate der mechanischen Eigenschaften immer noch über 90 %, deutlich über dem Durchschnittswert von 75 % für herkömmliches Prepreg. Am Beispiel von Windturbinenflügeln verlängert sich nach Einsatz dieses gehärteten Prepregs die Ermüdungslebensdauer der Flügel unter starken Windvibrationen auf mehr als 20 Jahre, was 30 % höher ist als bei traditionellen Materialien, und reduziert dadurch signifikant die Wartungskosten von Windenergieanlagen. Gleichzeitig wird die Produktdichte streng so geregelt, dass sie nicht unter 5 % fällt, um eine gleichmäßige Verteilung von Fasern und Harz sicherzustellen und Schwachstellen aufgrund lokaler Dichtemängel zu vermeiden.

2. Produktabdeckung in doppelter Form, angepasst an die Belastungsanforderungen unterschiedlicher dynamischer Lastszenarien

Die Produktfamilie umfasst unidirektionales Kohlenstoffaservorimpregnat und Gewebe aus Kohlenstoffaservorimpregnat, die je nach Belastungscharakteristik und Art der dynamischen Belastung verschiedener Bauteile flexibel ausgewählt werden können, wodurch der Leistungsvorteil der „bedarfsgerechten Anpassung“ erreicht wird.

• Unidirektionales Kohlenstoffaservorimpregnat: Es verwendet eine hochgerade Kohlefaser-Einweganordnung mit einer Faserrichtungskonsistenz von über 99,5 % und zeichnet sich in axialen dynamischen Belastungsszenarien hervorragend aus. Geeignet für Bauteile, die langfristigen Zug- und Biegeschwingungen standhalten können, wie beispielsweise die Hauptträger von Windturbinenflügeln, Längsträger von Fahrzeugchassis für neue Energiefahrzeuge und Antriebswellen von hochwertigen Werkzeugmaschinen. Seine axiale Ermüdungsbeständigkeit ist ausgezeichnet, und es kann kontinuierlich 5000 Stunden lang ohne nennenswerte Leistungsminderung in einer 10-Hz-Hochfrequenz-Schwingungsumgebung eingesetzt werden, wodurch die Anforderungen an strukturelle Stabilität unter dynamischen Lasten erfüllt werden.
• Kohlefasergewebepreg Basierend auf glatten und Köpergeweben weist es hervorragende in-plain-isotrope Eigenschaften sowie eine höhere Beständigkeit gegen mehrachsige Stöße und Scherschwingungen auf. Geeignet für Bauteile mit komplexen Formen und ungleichmäßigen dynamischen Belastungen, wie beispielsweise Kollisionsbalken für Batteriepacks in Elektrofahrzeugen, Verbindungsstücke für hochwertige Ausrüstungen und Wurzelbereiche von Windturbinenflügeln. Die Gewebestruktur verbessert die Spannungsverteilung des Prepregs. Bei lokalen Stößen kann Energie schnell auf die gesamte Gewebeoberfläche übertragen werden, wodurch lokale Brüche vermieden und die Versagensbeständigkeit des Bauteils erhöht wird.

Zwei Formen von Prepreg können kombiniert eingesetzt werden. Beispielsweise können Windturbinenflügel ein Design nach dem Prinzip „unidirektionales Prepreg (Hauptträger, anti-axiale Vibration) + Gewebe-Prepreg (Flügelwurzel, scherstoßfest)“ verwenden, um die unterschiedlichen Anforderungen an dynamische Belastungen einzelner Bereiche zu berücksichtigen und die Materialeigenschaften optimal auszuschöpfen

3. Hervorragende Nass- und Hitzebeständigkeit, geeignet für komplexe Einsatzumgebungen

Dynamische Lastszenarien werden oft von komplexen Umgebungen wie feuchter Hitze und wechselnden hohen und niedrigen Temperaturen begleitet. Herkömmliches Kohlefaser-Prepreg ist aufgrund der Wasseraufnahme des Harzes sowie thermischer Ausdehnung und Kontraktion anfällig für Interface-Versagen, was wiederum die Zähigkeit und mechanischen Eigenschaften beeinträchtigt. Dieses gehärtete Kohlefaser-Prepreg weist hingegen durch Optimierung der Harzformulierung und Verbesserung des Infiltrationsprozesses eine hervorragende Beständigkeit gegenüber feuchter Wärme auf: Die hydrophoben Bestandteile, die dem gehärteten Harz zugesetzt wurden, können die Wasseraufnahmerate senken. Nach 1000 Stunden Lagern in einer feuchtwarmen Umgebung bei 85 °C und 85 % relativer Luftfeuchtigkeit liegt die Wasseraufnahmerate weiterhin unter 1,5 %, deutlich unter dem Branchendurchschnitt von 3 % für herkömmliche Prepregs; Gleichzeitig erhöht sich die Haftfestigkeit an der Grenzfläche zwischen Harz und Kohlefaser um 25 %, wodurch effektiv einem Delaminieren der Grenzfläche durch Temperaturschwankungen entgegengewirkt wird.

In der praktischen Anwendung ist dieser Leistungsvorteil besonders entscheidend: Bei Einsatz für Fahrwerkskomponenten von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben kann es extremen Temperaturzyklen von -40 °C bis 120 °C standhalten und Stabilität sowie Zähigkeit auch in regnerischen, verschneiten und feuchten Umgebungen bewahren; bei Verwendung für Offshore-Windturbinenblätter widersteht es Erosion durch hohe Salznebel- und Feuchtigkeitsbelastung und verhindert den Rückgang der Blattzähigkeit, der durch Alterung unter feuchtwarmen Bedingungen verursacht wird. Nach Tests erhöht sich die dynamische Ermüdungslebensdauer des Produkts in heißen und feuchten Umgebungen um 40 % im Vergleich zu herkömmlichem Prepreg und gewährleistet so die Leistungsverlässlichkeit der Komponenten über deren gesamten Lebenszyklus.

4. Ausgereifte Prozessanpassungsfähigkeit zur Erfüllung der Anforderungen der Großserienproduktion

Trotz seiner erheblichen Leistungsvorteile weist dieses gehärtete Carbonfaser-Prepreg eine hervorragende Prozesskompatibilität auf und ist mit gängigen Herstellungsverfahren für Verbundwerkstoffe wie Heißpressformen, Pressformen und Vakuumbeutelformen kompatibel. Es erfordert keine zusätzliche Geräteanpassung durch Unternehmen und verringert so die Produktionshürden.

• Heißpressformung: Geeignet für Hochleistungskomponenten mit äußerst hohen Präzisions- und Leistungsanforderungen (wie z. B. Luft- und Raumfahrtteile), gesteuert durch gleichmäßigen Druck (0,8–1,5 MPa) und Temperatur (120–150 °C). Das Härtungsharz dringt vollständig in die Fasern ein, wodurch die Zähigkeitsgleichmäßigkeit der geformten Bauteile über 98 % erreicht, ohne lokale Leistungsunterschiede.
• Druckform: geeignet für großtechnische Produktionszenarien wie neue Energiefahrzeuge und Windenergie, mit hoher Formgebungseffizienz; die Produktionszeit pro Charge kann innerhalb von 40–60 Minuten kontrolliert werden, und der Kompressionsformprozess ermöglicht eine präzise Steuerung der Bauteilgröße, reduziert nachfolgende Bearbeitungsschritte und senkt die Produktionskosten.
• Vakuumsack-Formverfahren: Geeignet für große Bauteile (wie Windturbinenflügel über 15 Meter), bei denen Harzfluss und Entlüftung durch Vakuumunterdruck erreicht werden. Im Vergleich zur Heißpresse-Behälter-Technologie werden die Formkosten um 35 % gesenkt, während gleichzeitig die volle Leistungsfähigkeit des zähmodifizierten Harzes gewährleistet bleibt.

Darüber hinaus weist das Produkt eine ausgezeichnete Lagerstabilität auf und kann länger als 6 Monate bei niedrigen Temperaturen von -18 °C gelagert werden. Nach dem Entfernen kann es in die Produktion gebracht werden, ohne dass lange Zeit aufwärmen muss, wodurch die Wartezeit der Produktion verkürzt und sich dem Tempo der industriellen Serienproduktion anpasst.

5. Differenziertes Design, Aufbau von Wettbewerbsbarrieren auf dem Markt

Einerseits wird eine differenzierte Innovation bei der Harzformulierung, Faserauswahl und Zähigkeitssteigerung durchgeführt – beispielsweise kann das eigenentwickelte Kern-Schale-Struktur-Zähigkeitsmittel ein präzises Gleichgewicht zwischen Zähigkeit und Steifigkeit erreichen und so den branchenüblichen Schmerzpunkt „Zähigkeitssteigerung führt zwangsläufig zu Steifigkeitsverlust“ vermeiden, wodurch das Produkt bei verbesserter Zähigkeit weiterhin eine axiale Zugfestigkeit von über 1750 MPa aufweist;

Andererseits bieten wir flexible, kundenspezifische Dienstleistungen an, die den Aushärtungsgrad (von „mittlerer Aushärtung“ bis „hohe Aushärtung“, angepasst an die Kundenanforderungen), die Faseroberflächendichte (100–800 g/m², vollflächig) und den Harzgehalt (35 %–50 %, einstellbar) anpassen können, um die individuellen Anforderungen unterschiedlicher dynamischer Belastungsszenarien zu erfüllen. Beispielsweise kann für die Anforderungen an Crash-Verstärkungsprofile in Fahrzeugen der neuen Energien eine unidirektionale Prepreg aus Kohlenstofffaser mit „hoher Schlagzähigkeit“ kundenspezifisch angefertigt werden; als Reaktion auf die Anforderungen an Windturbinenblätter kann ein Prepreg aus Kohlenstoffasergewebe mit „hoher Feuchtwärmebeständigkeit und Zähigkeit“ kundenspezifisch entwickelt werden, um Marktdruck durch homogene Konkurrenz zu vermeiden.