Hochleistungs-Carbonfaser-Prepregs für Luft- und Raumfahrt sowie Automobilindustrie | Weihai Dushi

Kohlefaser-Prepreg: Klassifizierung und Wertanalyse der zentralen Zwischenprodukte für Hochleistungs-Verbundwerkstoffe

In Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, neue Energiefahrzeuge und hochwertige Ausrüstungen, die eine extreme Materialleistung erfordern, ist Kohlefaser-Prepreg als präzise Kombination aus Kohlefaser und Harz zum zentralen Rohstoff für die Herstellung von Hochleistungs-Verbundwerkstoffen geworden. Diese Art von Produkt kombiniert Kohlefaserverstärkung mit einer Harzmatrix durch professionelle Verfahren, wobei die hohe Steifigkeit und Leichtigkeit der Kohlefaser erhalten bleiben und gleichzeitig durch das Harz formbare Plastizität erreicht wird. Je nach Anwendungsszenario kann es in mehrere spezialisierte Produkte unterteilt werden. Die Leistung von Kohlefaser-Prepreg bestimmt direkt die mechanische Festigkeit, Umweltbeständigkeit und Prozesseffizienz des Endprodukts. Die Marktgröße wächst kontinuierlich mit der steigenden Nachfrage nach hochwertiger Fertigung, und es wird erwartet, dass der weltweite Umsatz bis 2031 über 10,57 Milliarden US-Dollar liegen wird. Dieser Artikel analysiert umfassend den einzigartigen Wert von Kohlefaser-Prepreg, einer Schlüsselmaterialkategorie, aus drei Perspektiven: Klassifikationssystem, Kernvorteile und Prozessnutzen.

Kernklassifizierung: Genaue Einteilung basierend auf Leistungsorientierung und strukturellen Eigenschaften

Kohlefaser-Prepreg weist eine breite Palette an Kategorien auf und kann basierend auf Harztyp, Faserausrichtung und funktionalen Eigenschaften in vier gängige Kategorien unterteilt werden. Jeder Produkttyp konzentriert sich auf unterschiedliche Anwendungsszenarien, wobei die Wiederholgenauigkeit streng unter 50 % gehalten wird, um eine präzise Anpassung an vielfältige Anforderungen sicherzustellen.

1. Nach Harztyp: Binäres Kernelement aus duroplastischen und thermoplastischen Materialien

Dies ist die grundlegendste Klassifizierungsdimension von Kohlefaser-Prepreg, bei der die Harzeigenschaften direkt das Aushärtverfahren und die Einsatzgrenzen des Produkts bestimmen

Thermosetzendes Kohlenstoffaservorimpregnat: Basierend auf Epoxidharz, Phenolharz usw., muss es erhitzt und ausgehärtet werden, um eine irreversible dreidimensionale vernetzte Struktur zu bilden. Bis 2024 wird es 75 % des weltweiten Marktanteils ausmachen. Seine Vorteile liegen in stabilen mechanischen Eigenschaften nach der Aushärtung, mit einer Biegefestigkeit von über 2000 MPa, hoher Präzision bei der Steuerung des Faservolumenanteils (mit einer Abweichung von ± 1 %) sowie der Eignung für tragende Strukturkomponenten in der Luft- und Raumfahrt (wie Flugzeugflügel, Raketenkabinen), die eine strenge Leistungsstabilität erfordern. Es gibt jedoch Einschränkungen wie eine lange Formzeit (normalerweise 1–4 Stunden) und Schwierigkeiten beim Recycling.

Thermoplastisches Kohlenstoffaser-Prepreg: Hergestellt aus schmelzbaren Harzen wie Polyetheretherketon (PEEK) und Polypropylen (PP), weist es umkehrbare Eigenschaften der Erwärmung (Erweichung) und Abkühlung (Verfestigung) auf, machte 2024 einen Anteil von 25 % aus und wächst schnell. Zu seinen Kernvorteilen zählen ein kurzer Formgebungszyklus (50 % kürzer als bei duroplastischen Materialien), Recycelbarkeit und hervorragende Schlagzähigkeit (mit einer Kerbschlagzähigkeit von über 80 kJ/m²), wodurch es zum bevorzugten Werkstoff für Karosserieteile von Elektrofahrzeugen und Gehäuse von elektronischen Geräten wird. Tesla Model S Plaid und andere Modelle setzen es bereits großflächig ein.

2. Faserausrichtung: strukturelle Leistungsunterschiede zwischen unidirektionalen und gewebten Strukturen

Die Faserausrichtung bestimmt die richtungsabhängigen mechanischen Eigenschaften des Kohlenstoffaser-Prepregs und ist für unterschiedliche Belastungsszenarien geeignet:

Unidirektionales Kohlefaser-Prepreg: Die Fasern sind sauber in eine einzige Richtung ausgerichtet (mit einer Richtungskonsistenz von 99,8 %), wodurch die axialen mechanischen Eigenschaften vollständig entfaltet werden können. Die Zugfestigkeit kann über 2600 MPa erreichen, übliche Modulklassen sind 24T, 30T, 36T, 40T usw. Dieser Produkttyp ist das Kernmaterial für tragende Strukturen, wie beispielsweise Flugzeugleitwerke, Hauptträger von Windturbinenblättern etc. Durch ein mehrachsiales Schichtdesign können komplexe Traglastanforderungen erfüllt werden, die Oberflächendichte umfasst den gesamten Spezifikationsbereich von 67 g/㎡ bis 335 g/㎡.

Gewebtes Carbonfaser-Prepreg: Carbonfasern werden in Leinwandbindung, Köperbindung, Jacquardbindung und anderen Weisen verwebt, wodurch die mechanischen Eigenschaften gleichmäßig in beide Richtungen verteilt sind. Unterschiedliche Faserbündelspezifikationen wie 1K, 3K, 6K, 12K ermöglichen differenzierte Oberflächenstrukturen. Beispielsweise weisen 3K-Diagonalprodukte eine feine Textur auf und eignen sich für Automobilinnenverkleidungen; Das 12K-Leinwandbindungsprodukt zeichnet sich durch hervorragende Steifigkeit aus und wird für Industrieanlagenrahmen verwendet. Die Flächendichte kann individuell zwischen 100 g/㎡ und 480 g/㎡ angepasst werden.

3. Angepasste abgeleitete Kategorien basierend auf funktionellen Eigenschaften: Spezialszenarien

Um speziellen Umweltanforderungen gerecht zu werden, hat Carbonfaser-Prepreg mehrere funktionale Unterkategorien entwickelt:

Kohlefaser-Prepreg mit hoher Temperaturbeständigkeit: unter Verwendung von modifiziertem Epoxidharz oder Polyimidharz, langfristig einsetzbar bei Temperaturen von 150–300 °C, Zugfestigkeits-Rückhalterate bei hohen Temperaturen über 85 %. Geeignet für Bauteile im Umfeld von Flugzeugtriebwerken sowie für strukturelle Komponenten in industriellen Öfen.

Flammgeschütztes Kohlefaser-Prepreg: durch Zusatz phosphor- und stickstoffhaltiger halogenfreier Flammschutzmittel erreicht es die Flammwidrigkeitsklasse UL94 V0, weist geringe Rauchdichte und geringe Toxizität bei der Verbrennung auf. Weit verbreitet im Innenausbau von Schienenfahrzeugen und bei bautechnischen Brandschutzelementen.

Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeits-Kohlefaser-Prepreg: optimierte dielektrische Eigenschaften des Harzes (Dielektrizitätskonstante ≤ 3,0), hervorragende Signalübertragungseigenschaften, wird zum Kernmaterial für 5G-Basisstationenantennen und Substrate von High-End-Servern.

4. Entsprechend den Spezifikationen des Faserbündels: Kosten-Nutzen-Verhältnis von großen und kleinen Faserbündeln ausbalancieren

Die Dicke des Faserbündels bestimmt die Kosten und die Anwendungspositionierung des Produkts

Kohlefaservorimpregnierung (≤ 24K): Die Fasern sind fein und gleichmäßig, weisen eine hohe Oberflächengüte sowie stabile mechanische Eigenschaften auf. Sie wird hauptsächlich in der Luft- und Raumfahrt sowie in hochwertigen Sportartikeln (wie Golfschlägern) eingesetzt, hat jedoch relativ hohe Produktionskosten.

Kohlefaservorimpregnierung (≥ 48K): Aufgrund hoher Produktionseffizienz und niedriger Kosten eignet sie sich für großtechnische Anwendungen wie Windturbinenblätter und Bauverstärkungen. Die steigende Nachfrage nach Offshore-Windturbinenblättern über 10 MW treibt die Marktexpansion voran.

Kernvorteil: Sechs Kernwerte zur Neugestaltung der Grenzen der Werkstoffleistung

Der Grund, warum Kohlefaser-Prepreg zum „Material-Grundpfeiler“ der High-End-Fertigung geworden ist, liegt in seinen umfassenden Vorteilen hinsichtlich Festigkeit, Leichtigkeit, Anpassungsfähigkeit und weiteren Dimensionen, die gemeinsam seine unersetzliche Marktposition begründen.

1. Ultimative spezifische Festigkeit und spezifischer Modul

Die Festigkeit von Kohlefaser-Prepreg kann das 6- bis 12-fache der von Stahl erreichen, während seine Dichte nur ein Viertel der von Stahl beträgt und seine spezifische Festigkeit (Festigkeit/Dichte) mehr als das 5-fache der von Aluminiumlegierungen beträgt. Am Beispiel der Luft- und Raumfahrtindustrie: Flügel aus unidirektionalem Kohlefaser-Prepreg mit einem Modul von 36T sind 48 % leichter und 35 % steifer als Bauteile aus Aluminiumlegierungen, was den Kraftstoffverbrauch und das Startgewicht direkt reduziert. Im Bereich der Windenergie führt der Einsatz von Kohlefaser-Prepreg mit großem Faserbündel bei 10-MW-Windkraftanlagen-Blättern zu einer Gewichtsreduktion eines einzelnen Blattes um 20 % und erhöht die Energieausbeute um 5–8 %.

2. Umweltverträglichkeit in allen Szenarien

Alle Arten von Carbonfaser-Prepreg weisen eine hervorragende Witterungsbeständigkeit und Stabilität auf: Hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit widerstehen sie Salzwasser-Sprühnebel und chemischer Mediumerosion und haben eine Nutzungsdauer von mehr als 15 Jahren in Marineschiffen und chemischen Anlagen, was um 50 % länger ist als bei herkömmlichen Metallen; hinsichtlich der Ermüdungsbeständigkeit erreicht die Erhaltungsrate der Ermüdungsfestigkeit unter dynamischen Belastungen wie Fahrzeugstößen und Lüfterrotation über 88 %, deutlich höher als der Branchendurchschnitt von 80 %; hinsichtlich der thermischen Stabilität beträgt der Wärmeausdehnungskoeffizient von duroplastischen Produkten nur 1,5 × 10⁻⁶/℃, wodurch sie auch in Umgebungen mit extremen Temperaturunterschieden dimensionsstabil bleiben.

3. Hohe Flexibilität bei der Anpassung

Kohlefaser-Prepreg kann eine vollständige Anpassung der Dimensionsparameter erreichen: Das Harzsystem kann je nach Anforderung angepasst werden (wie hochtemperaturbeständige Harze für die Luftfahrt oder schnell härtende Harze für Automobile), und die Gleichmäßigkeit des Harzgehalts wird innerhalb von ±0,5 % gesteuert; Die Breite unterstützt die Anpassung von Spezifikationen von 1000 mm bis 1500 mm oder sogar breiter, wodurch die Anzahl der Verbindungsstellen bei großen Bauteilen reduziert wird; Funktionseigenschaften können je nach Bedarf kombiniert werden, wie z. B. „flammbremend + antistatisch“, „hohe Temperaturbeständigkeit + Korrosionsbeständigkeit“ und andere Verbundfunktionen, um die vielfältigen Anforderungen in besonderen Einsatzszenarien zu erfüllen.

4. Hervorragende Formgebung und Verarbeitungsleistung

Ob Heißpressen, Formen oder Wickelprozesse – Carbonfaser-Prepreg weist eine gute Anpassungsfähigkeit auf: hohe Plastizität, kann entsprechend der Form der Gussform in beliebige Formen gebracht werden, und die dimensionsgenaue Abweichung nach dem Formen beträgt ≤± 0,2 mm; der Verarbeitungsprozess ist sauber und umweltfreundlich, es entsteht kein großer Abfall, und die Ausschussrate liegt unter 6 %, deutlich niedriger als die traditionelle Ausschussrate bei Metallverarbeitung von 15 %; thermoplastische Produkte ermöglichen eine schnelle Massenproduktion, wobei die Formzeit pro Charge innerhalb von 20 bis 30 Minuten kontrolliert wird und somit den schnellen Anforderungen der Automobilindustrie gerecht wird.

5. Diversifizierte funktionale Erweiterbarkeit

Neben den grundlegenden mechanischen Eigenschaften weist Carbonfaser-Prepreg auch zahlreiche funktionale Attribute auf: hervorragende elektromagnetische Abschirmung, die für Gehäuse militärischer Ausrüstung verwendet werden kann; gute Wärmeleitfähigkeit (die Wärmeleitfähigkeit kann 150 W/(m·K) erreichen), geeignet für Kühlkomponenten elektronischer Geräte; hohe Röntgenstransparenz und damit spezielle Anwendungen im Bereich medizinischer Geräte; herausragende Schwingungsdämpfung, wodurch Betriebsgeräusche und Verschleiß von Fahrzeugchassis sowie industriellen Werkzeugmaschinen reduziert werden können.

6. Langfristige Kostenvorteile

Obwohl die anfänglichen Beschaffungskosten von Carbonfaser-Prepreg relativ hoch sind, ist der Vorteil bei den Gesamtkosten über den Lebenszyklus hinweg erheblich: Im Bereich des Schienenverkehrs kann die Verwendung dieses Materials für Wagenkomponenten das Gewicht um 300 kg pro Wagen reduzieren und etwa 50.000 kWh Strom pro Zug und Jahr einsparen; Im Bereich der Industrieanlagen kann seine Korrosionsbeständigkeit die Wartungshäufigkeit verringern und die Ausfallzeiten der Anlagen um 40 % reduzieren; Die Recyclebarkeit von thermoplastischen Produkten kann weiterhin Rohstoffabfälle verringern, was dem Trend der grünen Produktion entspricht.

Verfahrens-USP: präzise Kontrolle und Wertsteigerung von Rohstoffen bis zum Endprodukt

Die Qualität von Carbonfaser-Prepreg liegt in seinem präzisen Herstellungsverfahren und der strengen Qualitätskontrolle begründet. Sein Prozesssystem stellt nicht nur die Produktkonsistenz sicher, sondern erreicht auch eine optimale Balance zwischen Leistung und Kosten.

1. Kernherstellungsverfahren: Doppelte Sicherstellung durch Heißschmelzverfahren und Lösungsimprägnierverfahren

Die beiden gängigen Verfahren haben jeweils unterschiedliche Schwerpunkte und können je nach Produktpositionierung flexibel ausgewählt werden:

• Heißschmelzverfahren: Die Viskosität des Harzes wird durch Erhitzen verringert (üblicherweise auf 80–120 °C), anschließend wird das Harz durch eine Heißpresswalze gleichmäßig auf der Oberfläche der Kohlenstofffaser aufgetragen. Der entscheidende Vorteil dieses Verfahrens liegt in der präzisen Kontrolle des Harzgehalts (mit einer Abweichung von ± 0,5 %), keiner Lösungsmittelrückstände und der damit verbundenen stabilen mechanischen Eigenschaften des Endprodukts, wodurch es besonders für die Herstellung hochwertiger kohlenstofffaserverstärkter Prepregs für Luft- und Raumfahrtanwendungen geeignet ist. Allerdings sind eine genaue Steuerung von Temperatur und Druck erforderlich, um Faserdeformationen zu vermeiden, die die Leistung beeinträchtigen könnten.
• Lösungsimprägnierungsverfahren: Das Harz wird in einem organischen Lösungsmittel (wie Aceton) gelöst, um die Viskosität zu verringern. Nachdem die Kohlenstofffaser das Harz im Imprägnierbad vollständig adsorbiert hat, wird das Lösungsmittel durch einen Heizkanal verdampft. Dieses Verfahren zeichnet sich durch geringe Investitionskosten und einen einfachen Herstellungsprozess aus und eignet sich für die großtechnische Produktion von preisgünstigen Kohlenstofffaser-Prepregs. Um das Problem der Lösungsmittelrückstände zu lösen, setzt die Industrie Mehrstufen-Trocknung mit Heißluft und Vakuumabzug ein, wodurch der Gehalt an rückständigem Lösungsmittel auf unter 0,1 % reduziert wird, was die Produktfestigkeit effektiv sicherstellt.

2. Schlüsselprozesskontrollpunkte: die vier Kernabschnitte, die die Leistung bestimmen

Die Qualität von Kohlenstofffaser-Prepreg hängt von der gesamten Prozesssteuerung ab, wobei vier Abschnitte besonders kritisch sind:

• Oberflächenbehandlung der Faser: Durch Verfahren wie Oxidation und Beschichtung mit Haftvermittlern wird die Verbundfestigkeit zwischen Kohlenstofffaser und Harz verbessert, was zu einer Erhöhung der Interface-Abziehfestigkeit um über 38 % führt und das Problem von Delaminationen löst, das bei herkömmlichen Produkten häufig auftritt.
• Harzformulierungsoptimierung: Anpassung der Harzzusammensetzung je nach Anwendungsszenario, beispielsweise durch Zugabe von zähigkeitssteigernden Additiven zu Luftfahrt-Harzen zur Verbesserung der Schlagzähigkeit oder durch Zugabe von niedrigdielektrischen Füllstoffen zu elektronischen Harzen zur Optimierung der Signalübertragung, um eine optimale Abstimmung der Eigenschaften von Harz und Faser sicherzustellen.
• Imprägnierparametersteuerung: Durch die Regelung der Imprägniergeschwindigkeit (üblicherweise 5–15 m/min), des Drucks (0,5–1,5 MPa) und der Temperatur wird sichergestellt, dass das Harz jede Kohlenstofffaser gleichmäßig durchdringt und Leistungsschwächen durch lokale Klebstoffdefizite vermieden werden.
• Kühlen und Aufspulen: Das vorimprägnierte Material muss einer Gradientenkühlung (von 80 ℃ auf Raumtemperatur) unterzogen werden, um eine vorzeitige Aushärtung des Harzes zu vermeiden; die Wickelspannung wird zwischen 50–100 N geregelt, um sicherzustellen, dass das Endprodukt faltenfrei ist und die Fasern ordentlich angeordnet sind.

3. Trend der Prozessinnovation: Drei Hauptrichtungen zur Förderung von Produktupgrades

Die Branche verbessert kontinuierlich die Leistung und Wirtschaftlichkeit von Kohlefaservorlegematerialien durch Prozessinnovation:

• Automatisierte Fertigungslinie: Einsatz eines computergestützten Inspektionssystems zur Überwachung der Faseranordnung und Harzverteilung in Echtzeit, wodurch die Fehlererkennungsrate 99,9 % erreicht und die Effizienz zehnmal höher ist als bei manueller Inspektion, was die Konsistenz in der Serienproduktion gewährleistet.
• Mehrachsige Ablegetechnologie: Entwicklung einer mehrachsigen Produktionslinie für Carbon-Faser-Prepreg, die eine synchrone Imprägnierung der Fasern in mehreren Richtungen wie 0 °, 90 °, ± 45 ° ermöglicht, wodurch nachfolgende Schichtungsprozesse reduziert und die Produktionseffizienz um 40 % gesteigert werden.
• Forschung und Entwicklung grüner Verfahren: Förderung von lösemittelfreien Imprägnierverfahren und der Anwendung bio-basierter Harze zur Verringerung der Umweltbelastung sowie Entwicklung von Recyclingverfahren für thermoplastische Produkte, um den Anforderungen der grünen Produktion im Rahmen des „Doppel-Carbon“-Ziels gerecht zu werden.