Высокопроизводительные препреги из углеродного волокна для аэрокосмической и автомобильной промышленности | Weihai Dushi

Препреги из углеродного волокна: классификация и анализ стоимости ключевых промежуточных продуктов для композитных материалов повышенной прочности

В таких областях, как аэрокосмическая промышленность, транспорт на новой энергетике и высокотехнологичное оборудование, где требуются экстремальные характеристики материалов, углеродное волокно препрег, представляющее собой точное сочетание углеродного волокна и смолы, стало ключевым сырьём для производства высокопроизводительных композитных изделий. Данный продукт объединяет углеродное волокно-наполнитель и смоляную матрицу посредством профессиональных технологических процессов, сохраняя при этом высокую жёсткость и лёгкость углеродного волокна, а также обеспечивая формовочную пластичность за счёт смолы. В зависимости от сферы применения он может подразделяться на множество специализированных продуктов. Эксплуатационные характеристики углеродного волокна препрега напрямую определяют механическую прочность, устойчивость к внешним условиям и эффективность производственных процессов конечного изделия. Его рыночный объём продолжает расти вместе с расширением спроса на высокотехнологичное производство, и ожидается, что к 2031 году глобальные продажи превысят 10,57 миллиарда долларов США. В данной статье будет проведён всесторонний анализ уникальной ценности углеродного волокна препрега — ключевой категории материалов — по трём направлениям: система классификации, основные преимущества и технологическая ценность.

Основная классификация: точное разделение на основе ориентации по производительности и структурных характеристик

Препреги из углеродного волокна имеют широкий ассортимент, который можно разделить на четыре основные категории в зависимости от типа смолы, расположения волокон и функциональных характеристик. Каждый тип продукта ориентирован на различные сферы применения, а повторяемость строго контролируется на уровне ниже 50%, чтобы обеспечить точное соответствие разнообразным требованиям.

1. По типу смолы: бинарная основная система термореактивных и термопластичных материалов

Это наиболее базовый аспект классификации препрегов из углеродного волокна, при котором свойства смолы напрямую определяют метод формования и область применения продукта

Термореактивная углеродная пленка пропитанная смолой: на основе эпоксидной смолы, фенольной смолы и т.д., требует нагрева и отверждения для формирования необратимой трехмерной сшитой структуры. К 2024 году она будет занимать 75% доли мирового рынка. Её преимущества заключаются в стабильных механических свойствах после отверждения, изгибной прочности свыше 2000 МПа, высокой точности контроля объемной доли волокна (с погрешностью ±1%) и пригодности для силовых конструкционных элементов в аэрокосмической отрасли (например, крылья самолетов, корпуса ракет), где требуется строгая стабильность характеристик. Однако существуют ограничения, такие как длительный цикл формования (обычно 1–4 часа) и сложность переработки.

Термопластичная углеродная пленка: изготавливается из плавких смол, таких как полиэфирэфиркетон (PEEK) и полипропилен (PP), обладает обратимыми свойствами размягчения при нагреве и затвердевания при охлаждении, доля на рынке составила 25% в 2024 году и быстро растёт. К числу основных преимуществ относятся короткий цикл формования (на 50% короче, чем у термореактивных материалов), возможность переработки и высокая ударная вязкость (с прочностью на удар с надрезом более 80 кДж/м²), что делает его предпочтительным материалом для деталей кузова электромобилей и корпусов электронных устройств. Материал широко применяется в Tesla Model S Plaid и других моделях.

2. Расположение волокон: различия структурных характеристик между однонаправленной и тканой структурами

Расположение волокон определяет направленные механические свойства углеродной пленки и подходит для различных условий нагрузки:

Однонаправленный препрег из углеродного волокна: волокна аккуратно уложены в одном направлении (с однородностью ориентации 99,8 %), при этом полностью реализуются осевые механические свойства. Прочность на растяжение может достигать более 2600 МПа, распространённые классы модуля включают 24T, 30T, 36T, 40T и т.д. Данный тип продукта является основным материалом несущих конструкций, например, хвостовых оперений самолётов, главных лонжеронов лопастей ветряных турбин и др. Благодаря многослойной конструкции с различной ориентацией слоёв можно достичь выполнения сложных требований по несущей способности, а поверхностная плотность охватывает полный диапазон спецификаций — от 67 г/м² до 335 г/м².

Плетение препрега из углеродного волокна: углеродные волокна переплетаются способами саржевого, полотняного, жаккардового и другими видами плетения, что обеспечивает равномерное распределение механических свойств в обоих направлениях. Различные спецификации пучков волокон, такие как 1K, 3K, 6K, 12K, позволяют создавать различные текстуры. Например, продукты 3K с диагональным плетением имеют тонкую текстуру и подходят для отделки автомобильных салонов; Продукт 12K с полотняным переплетением обладает высокой жесткостью и используется для каркасов промышленного оборудования. Поверхностная плотность может быть адаптирована от 100 г/м² до 480 г/м².

3. Категории производных продуктов, адаптированные по функциональным характеристикам: специализированные сценарии

В ответ на особые требования к окружающей среде препрег из углеродного волокна был дополнен несколькими функциональными подкатегориями:

Термостойкая углеродная пластина с пропиткой: с использованием модифицированной эпоксидной смолы или смолы на основе полиимида, температура длительного использования может достигать 150–300 °C, а коэффициент сохранения прочности при растяжении при высоких температурах превышает 85 %. Подходит для периферийных компонентов авиационных двигателей и конструкционных элементов промышленных печей.

Огнестойкая углеродная пластина с пропиткой: с добавлением безгалогенных огнезамедлителей на основе фосфора и азота, огнестойкость достигает уровня UL94 V0, низкая плотность дыма и низкая токсичность при горении. Широко применяется для внутренней отделки вагонов железнодорожного транспорта и противопожарных строительных элементов.

Углеродная пластина с пропиткой для высокочастотных и высокоскоростных применений: оптимизированные диэлектрические свойства смолы (диэлектрическая постоянная ≤ 3,0), отличные характеристики передачи сигнала, становится ключевым материалом для антенн базовых станций 5G и субстратов высокопроизводительных серверов.

4. В соответствии со спецификациями пучка волокон: сбалансировать соотношение цены и качества для крупных и мелких пучков волокон

Толщина пучка волокон определяет стоимость и сегмент применения продукта

Препреги из углеродного волокна (≤ 24K): волокна тонкие и однородные, с высокой гладкостью поверхности и стабильными механическими свойствами. Основное применение — аэрокосмическая промышленность и высококачественные спортивные товары (например, клюшки для гольфа), однако себестоимость производства относительно высока.

Препреги из углеродного волокна (≥ 48K): отличаются высокой эффективностью производства и низкой стоимостью, подходят для масштабного применения, например, в лопастях ветряных турбин и усилении строительных конструкций. Растущий спрос на лопасти морских ветряных турбин мощностью свыше 10 МВт способствует расширению рынка.

Ключевое преимущество: шесть основных ценностей для переопределения границ производительности материалов

Причина, по которой препреги из углеродного волокна стали «материальным краеугольным камнем» высокотехнологичного производства, заключается в их комплексных преимуществах по прочности, легкости, адаптивности и другим параметрам, которые вместе обеспечивают им незаменимое положение на рынке.

1. Максимальная удельная прочность и удельный модуль

Прочность препрега из углеродного волокна может достигать 6–12 раз по сравнению со сталью, при этом его плотность составляет лишь 1/4 от плотности стали, а удельная прочность (прочность/плотность) превышает аналогичный показатель алюминиевых сплавов более чем в 5 раз. Например, в аэрокосмической промышленности крылья самолетов, изготовленные из однонаправленного препрега из углеродного волокна с модулем 36T, на 48% легче и на 35% жестче, чем детали из алюминиевых сплавов, что напрямую снижает расход топлива и взлетную нагрузку. В области ветроэнергетики после применения препрега из углеродного волокна с большим пучком в лопастях ветровых турбин мощностью 10 МВт масса одной лопасти может быть снижена на 20%, а эффективность выработки электроэнергии повышена на 5–8%.

2. Экологическая адаптивность во всех сценариях

Все типы препрега из углеродного волокна обладают отличной устойчивостью к атмосферным воздействиям и стабильностью: по коррозионной стойкости они устойчивы к морскому солевому туману и эрозии химическими средами, срок службы в морских судах и химическом оборудовании превышает 15 лет, что на 50% дольше, чем у традиционных металлов; по усталостной стойкости при динамических нагрузках, таких как удары автомобиля и вращение вентилятора, коэффициент сохранения усталостной прочности составляет более 88%, что значительно превышает отраслевой средний показатель в 80%; по термостойкости коэффициент теплового расширения термореактивных продуктов составляет всего 1,5 × 10⁻⁶/℃, и они могут сохранять размерную стабильность в условиях экстремальных перепадов температур.

3. Высокая гибкость возможностей индивидуальной настройки

Препреги из углеродного волокна позволяют полностью настраивать размерные параметры: система смолы может быть скорректирована в зависимости от требований (например, термостойкие смолы для авиации и быстротвердеющие смолы для автомобилей), а равномерность содержания смолы контролируется в пределах ±0,5 %; ширина поддерживает индивидуальные спецификации от 1000 мм до 1500 мм или даже шире, что уменьшает количество стыков при изготовлении крупных деталей; функциональные характеристики можно комбинировать по необходимости, например «антистатический + самозатухающий», «жаропрочность + коррозионная стойкость» и другие комплексные функции, чтобы удовлетворить разнообразные требования особых условий эксплуатации.

4. Отличные характеристики формования и обработки

Независимо от того, применяется ли горячее прессование, формование или намотка, препрег из углеродного волокна обладает высокой адаптивностью: отличной пластичностью, может изготавливаться в детали любой формы в соответствии с формой пресс-формы, а погрешность точности размеров после формования составляет ≤±0,2 мм; процесс обработки является чистым и экологически безопасным, не образует большого количества отходов, а процент отходов менее 6%, что значительно ниже традиционного уровня отходов при обработке металлов — 15%; термопластичные изделия позволяют осуществлять быстрое массовое производство, время формования одной партии контролируется в пределах 20–30 минут, что соответствует высоким темпам производства в автомобильной промышленности.

5. Многообразная функциональная расширяемость

Помимо основных механических свойств, препреги из углеродного волокна также обладают широким спектром функциональных характеристик: отличной экранировкой от электромагнитного излучения, что позволяет использовать их для корпусов военного оборудования; хорошей теплопроводностью (коэффициент теплопроводности может достигать 150 Вт/(м·К)), что делает их пригодными для компонентов отвода тепла в электронных устройствах; высокой прозрачностью для рентгеновских лучей, что обеспечивает им специальное применение в области медицинского оборудования; выдающиеся демпфирующие свойства, позволяющие уменьшить уровень шума и износ при работе автомобильных шасси и промышленных станков.

6. Долгосрочные преимущества с точки зрения экономической эффективности

Хотя первоначальная стоимость закупки препрега из углеродного волокна относительно высока, его преимущество по полному жизненному циклу является значительным: в области железнодорожного транспорта использование этого материала для элементов вагонов позволяет снизить вес на 300 кг/вагон, экономя около 50 000 кВт·ч электроэнергии на поезд в год; В области промышленного оборудования его коррозионная стойкость может снизить частоту технического обслуживания и уменьшить простои оборудования на 40 %; Возможность переработки термопластичных изделий дополнительно снижает отходы сырья, что соответствует тенденции зеленого производства.

Технологическое конкурентное преимущество: точный контроль и повышение ценности от сырья до готового продукта

Превосходство препрега из углеродного волокна заключается в его точном производственном процессе и строгом контроле качества. Его технологическая система не только обеспечивает стабильность продукции, но и достигает оптимального баланса между эксплуатационными характеристиками и стоимостью.

1. Основной производственный процесс: двойная гарантия метода горячего нанесения и метода растворного пропитывания

Два основных технологических процесса имеют каждая свою специфику и могут гибко выбираться в зависимости от позиционирования продукта:

• Процесс горячего наложения: Вязкость смолы снижается за счёт нагрева (обычно нагрев до 80–120 °C), после чего смола равномерно наносится на поверхность углеродного волокна с помощью пресс-валика. Основное преимущество этого процесса — точный контроль содержания смолы (с погрешностью ±0,5 %), отсутствие остатков растворителя, что обеспечивает стабильные механические свойства конечного продукта, особенно подходит для производства высококачественной препреги из углеродного волокна для аэрокосмической промышленности. Однако требуется точный контроль температуры и давления, чтобы избежать деформации волокна и потери эксплуатационных характеристик.
• Процесс пропитки раствором: Смола растворяется в органическом растворителе (например, ацетоне) для снижения вязкости. После того как углеродное волокно полностью адсорбирует смолу в пропиточной ванне, растворитель испаряется в нагревательном канале. Данный процесс характеризуется низкой стоимостью инвестиций, простым производственным циклом и подходит для крупносерийного производства недорогой препреги из углеродного волокна. Для решения проблемы остатков растворителя в отрасли применяются многоступенчатая сушка горячим воздухом и вакуумное удаление, позволяющие снизить содержание остаточного растворителя до менее чем 0,1%, что эффективно обеспечивает прочность продукции.

2. Ключевые точки контроля процесса: четыре основных этапа, определяющих эксплуатационные характеристики

Качество препреги из углеродного волокна зависит от общего контроля технологического процесса, при этом особенно важны четыре этапа:

• Обработка поверхности волокна: За счет использования процессов, таких как окисление и нанесение покрытий с применением связующих агентов, повышается прочность межфазного сцепления между углеродным волокном и смолой, что приводит к увеличению прочности на отслаивание более чем на 38% и решает проблему расслоения, часто возникающую в традиционных продуктах.
• Оптимизация формулы смолы: Корректировка состава смолы в зависимости от сферы применения, например, добавление модификаторов ударной вязкости в авиационные смолы для повышения устойчивости к ударным нагрузкам и добавление наполнителей с низкой диэлектрической проницаемостью в электронные смолы для оптимизации передачи сигнала, что обеспечивает соответствие свойств смолы и волокна.
• Контроль параметров пропитки: Путем регулировки скорости пропитки (обычно контролируется в диапазоне 5–15 м/мин), давления (0,5–1,5 МПа) и температуры обеспечивается равномерное проникновение смолы в каждое углеродное волокно и исключаются слабые участки, вызванные местным недостатком клея.
• Охлаждение и намотка: Пропитанный материал должен пройти стадию градиентного охлаждения (от 80 °C до комнатной температуры), чтобы избежать преждевременного отверждения смолы; натяжение при намотке контролируется в диапазоне 50–100 Н, чтобы готовое изделие не имело складок, а волокна были аккуратно уложены.

3. Тенденция инноваций в технологических процессах: три основных направления для продвижения обновления продукции

Отрасль продолжает совершенствовать характеристики и соотношение цены и качества препрега из углеродного волокна за счёт технологических инноваций:

• Автоматизированная производственная линия: Использование системы визуального контроля с применением компьютерного зрения для мониторинга укладки волокон и распределения смолы в режиме реального времени, скорость обнаружения дефектов достигает 99,9 %, что в 10 раз эффективнее ручного контроля, обеспечивая стабильность при серийном производстве.
• Технология многоосевой укладки: Разработка многонаправленной линии производства препрега из углеродного волокна, способной обеспечить синхронную пропитку волокон в нескольких направлениях, таких как 0°, 90°, ±45°, что позволяет сократить последующие процессы укладки и повысить производительность на 40%.
• Исследования и разработки в области экологичных процессов: Внедрение процессов пропитки без использования растворителей и применение био-смол для снижения воздействия на окружающую среду, а также разработка технологий переработки термопластичных изделий для удовлетворения потребностей в «зеленом» производстве в рамках цели «двойного углерода».