Високоефективні препреги з карбону для авіакосмічної та автомобільної промисловості | Weihai Dushi

Карбонове волокно преґ: класифікація та аналіз цінності ключових проміжних компонентів для високоефективних композитних матеріалів

У галузях, таких як авіація та космонавтика, нові енергетичні транспортні засоби та високотехнологічне обладнання, де потрібні екстремальні характеристики матеріалів, препрег із вуглецевого волокна, як точне поєднання вуглецевого волокна та смоли, став основним сировинним матеріалом для виготовлення високоефективних композитних продуктів. Цей тип продукту поєднує армування з вуглецевого волокна з полімерною матрицею за допомогою професійних процесів, зберігаючи високу жорсткість і легкість вуглецевого волокна, водночас забезпечуючи формування пластичності завдяки смолі. Залежно від сфер застосування його можна поділити на кілька спеціалізованих продуктів. Експлуатаційні характеристики препрегу з вуглецевого волокна безпосередньо визначають механічну міцність, адаптивність до навколишнього середовища та ефективність технологічного процесу кінцевого продукту. Розмір ринку постійно зростає разом із розширенням попиту на високотехнологічне виробництво, і очікується, що до 2031 року глобальні продажі перевищать 10,57 млрд доларів США. У цій статті комплексно аналізується унікальна цінність препрегу з вуглецевого волокна — ключової категорії матеріалів — за трьома напрямками: система класифікації, основні переваги та технологічна цінність.

Основна класифікація: точний поділ на основі орієнтації на продуктивність та структурних характеристик

Препрег із вуглецевого волокна має широкий асортимент категорій, які можна розділити на чотири основні типи залежно від типу смоли, розташування волокон та функціональних характеристик. Кожен тип продукту орієнтований на різні сфери застосування, а повторюваність строго контролюється на рівні нижче 50%, щоб забезпечити точну адаптацію до різноманітних потреб.

1. За типом смоли: бінарна основна система термореактивних і термопластичних матеріалів

Це найбазовіший вимір класифікації препрегу із вуглецевого волокна, де властивості смоли безпосередньо визначають метод формування та межі застосування продукту

Термореактивний карбоновий прегрег: На основі епоксидної смоли, фенолформальдегідної смоли тощо, потребує нагрівання та затвердіння для утворення незворотної тривимірної сітки. До 2024 року він становитиме 75% світової частки ринку. Його переваги полягають у стабільних механічних властивостях після затвердіння, з вигинною міцністю понад 2000 МПа, високій точності контролю об'ємної частки волокна (похибка ±1%) та адаптивності до несучих конструкційних елементів аерокосмічної галузі (наприклад, крила літаків, кабіни ракет), які вимагають суворої стабільності характеристик. Однак існують обмеження, такі як тривалий цикл формування (зазвичай 1–4 години) та складність переробки.

Термопластичний вуглецевий препрег: Виготовлений із плавких смол, таких як поліетеретеркетон (PEEK) та поліпропілен (PP), має оборотні властивості розм'якшення при нагріванні та затвердіння при охолодженні, у 2024 році становив 25% ринку і швидко зростає. Його основні переваги — короткий цикл формування (на 50% коротший, ніж у термореактивних матеріалів), можливість переробки та висока ударна міцність (з показником ударної в’язкості понад 80 кДж/м²), що робить його переважним матеріалом для кузовних деталей електромобілів та корпусів електронних пристроїв. Масово застосовується в Tesla Model S Plaid та інших моделях.

2. Розташування волокон: структурні відмінності між односпрямованими та тканими структурами

Розташування волокон визначає напрямкові механічні властивості вуглецевого препрегу та підходить для різних умов навантаження:

Односпрямлений преґрег з вуглецевого волокна: волокна розташовані рівномірно в одному напрямку (з консистентністю напрямку 99,8%), і механічні властивості за віссю повністю реалізовані. Межа міцності при розтягуванні може досягати понад 2600 МПа, поширеними є такі класи модулів: 24T, 30T, 36T, 40T тощо. Цей тип продукту є основним матеріалом несучих конструкцій, наприклад, хвостових оперення літаків, головних балок лопатей вітрових турбін тощо. Шляхом проектування багатошарового накладання можна забезпечити складні вимоги до несучої здатності, а поверхнева густина охоплює повний діапазон специфікацій — від 67 г/м² до 335 г/м².

Ткацтво преформи з вуглепластику: волокна вуглецю переплетаються у полотняному, саржевому, жакардовому та інших типах переплетення, забезпечуючи рівномірний розподіл механічних властивостей в обох напрямках. Різні специфікації пучків волокон, такі як 1K, 3K, 6K, 12K, дозволяють створювати різноманітні текстури. Наприклад, продукти 3K діагонального плетіння мають делікатну текстуру й підходять для оздоблення салонів автомобілів; виріб 12K у полотняному переплетенні має високу жорсткість і використовується для рам промислового обладнання. Поверхнева густину можна налаштувати від 100 г/м² до 480 г/м².

3. Спеціалізовані похідні категорії за функціональними характеристиками: спеціалізовані сценарії

У відповідь на особливі вимоги навколишнього середовища було розроблено кілька функціональних підкатегорій преформи з вуглепластику:

Високотемпературний вуглецевий препрег: із застосуванням модифікованої епоксидної смоли або смоли на основі полііміду, температура тривалого використання може досягати 150–300 °C, а коефіцієнт збереження міцності при розтягуванні за високих температур перевищує 85%. Підходить для периферійних компонентів авіаційних двигунів та конструктивних елементів промислових печей.

Вогнестійкий вуглецевий препрег: із додаванням безгалогенових вогнегасних добавок на основі фосфору та азоту, вогнестійкість досягає рівня UL94 V0, має низьку густину диму та низьку токсичність під час горіння. Широко використовується у внутрішніх елементах вагонів рейкового транспорту та протипожежних конструкціях будівель.

Препрег із вуглецевого волокна для високочастотних та швидкісних застосувань: оптимізовані діелектричні властивості смоли (діелектрична проникність ≤ 3,0), відмінні характеристики передачі сигналу, що робить матеріал ключовим для антен базових станцій 5G та субстратів серверів високого рівня.

4. Згідно зі специфікаціями пучка волокон: збалансувати співвідношення ціни та продуктивності великих і малих пучків волокон

Товщина пучка волокон визначає вартість та сферу застосування продукту

Препрег із вуглецевого волокна (≤ 24K): волокна делікатні та рівномірні, мають високу поверхневу гладкість і стабільні механічні властивості. Переважно використовується в авіакосмічній промисловості та в преміум-сегменті спортивних товарів (наприклад, гольф-клуби), але вартість виробництва порівняно висока.

Препрег із вуглецевого волокна (≥ 48K): висока ефективність виробництва та низька вартість, підходить для масового застосування, наприклад, у лопатках вітрових турбін та для зміцнення будівель. Зростаючий попит на лопатки океанських вітрових турбін потужністю понад 10 МВт стимулює розширення ринку.

Ключова перевага: шість основних цінностей для переосмислення меж експлуатаційних характеристик матеріалів

Причина, чому преформа з вуглепластику стала «матеріаловою основою» високотехнологічного виробництва, полягає в її комплексних перевагах у міцності, легкості, адаптивності та інших аспектах, які разом забезпечують їй незамінне становище на ринку.

1. Найвища питома міцність і питомий модуль

Міцність преформи з вуглепластику може досягати 6–12 разів більше, ніж у сталі, тоді як її густина становить лише 1/4 від густини сталі, а питома міцність (міцність/густина) перевищує аналогічний показник алюмінієвого сплаву більш ніж у 5 разів. Наприклад, у авіаційній промисловості крила літаків, виготовлені з односпрямованої преформи з вуглепластику модуля 36T, на 48% легші та на 35% жорсткіші, ніж деталі з алюмінієвого сплаву, що безпосередньо зменшує витрати палива та масу при зльоті. У галузі вітрової енергетики після використання великих пучків волокон з вуглепластику для лопатей вітрових турбін потужністю 10 МВт маса окремої лопаті може бути знижена на 20%, а ефективність виробництва електроенергії може зрости на 5–8%.

2. Екологічна адаптивність у всіх сценаріях

Усі типи препрегу з вуглецевого волокна мають винятковий опір погодним умовам і стабільність: щодо стійкості до корозії вони витримують вплив морського солоного туману та ерозію хімічними речовинами, а термін служби перевищує 15 років на морських суднах і хімічному обладнанні, що на 50% довше, ніж у традиційних металів; щодо витривалості до втоми, при динамічних навантаженнях, таких як нерівності дороги для автомобілів чи обертання вентиляторів, коефіцієнт збереження міцності при втомі становить понад 88%, що значно перевищує середній показник галузі у 80%; щодо термічної стабільності, коефіцієнт теплового розширення термореактивних матеріалів становить лише 1,5 × 10⁻⁶/℃, і вони здатні зберігати стабільність розмірів у середовищах із екстремальною різницею температур.

3. Висока гнучкість у налаштуванні

Препрег із вуглецевого волокна дозволяє повністю налаштовувати розмірні параметри: систему смоли можна регулювати залежно від потреб (наприклад, високотемпературостійкі смоли для авіації та швидкозатвердіваючі смоли для автомобілів), а рівень однорідності вмісту смоли контролюється в межах ±0,5%; ширина підтримує індивідуальні розміри від 1000 мм до 1500 мм або ще більше, що зменшує кількість стиків для великих деталей; функціональні характеристики можна комбінувати за необхідністю, наприклад, «вогнетривкий + антистатичний», «висока термостійкість + стійкість до корозії» та інші комплексні функції, щоб задовольнити різноманітні вимоги у спеціальних сценаріях.

4. Виняткові характеристики формування та обробки

Незалежно від того, чи це гаряче пресування, формування чи намотування, препрег із вуглецевого волокна має хорошу адаптивність: висока пластичність, може бути виготовлений у будь-якій формі згідно з конфігурацією форми, а похибка точності розмірів після формування становить ≤±0,2 мм; процес обробки є чистим та екологічним, не утворюється велика кількість відходів, а рівень відходів менше 6%, що значно нижче, ніж традиційний показник відходів при обробці металів — 15%; термопластичні продукти дозволяють швидке масове виробництво, час формування однієї партії контролюється в межах 20–30 хвилин, що відповідає високому темпу потреб автомобілебудівної галузі.

5. Різноманітна функціональна розширюваність

Крім основних механічних властивостей, карбонове волокно з попереднім пропитуванням має також багаті функціональні характеристики: відмінні електромагнітні екрануючі властивості, які можуть використовуватися для корпусів військового обладнання; добру теплопровідність (теплопровідність може досягати 150 Вт/(м·К)), що робить його придатним для компонентів відведення тепла в електронних пристроях; висока прозорість для рентгенівських променів із спеціальним застосуванням у галузі медичного обладнання; виняткові властивості гасіння вібрації, що дозволяють зменшити рівень шуму та знос шасі автомобілів і промислових верстатів.

6. Довгострокові переваги у вартості експлуатації

Хоча початкова вартість закупівлі препрегу з вуглецевого волокна є відносно високою, його перевага у повному життєвому циклі є суттєвою: у сфері рейкового транспорту використання цього матеріалу для компонентів вагонів дозволяє зменшити вагу на 300 кг/вагон, економлячи близько 50 000 кВт·год електроенергії на потяг на рік; У галузі промислового обладнання його стійкість до корозії може знизити частоту технічного обслуговування та скоротити простої обладнання на 40%; Можливість переробки термопластичних продуктів дозволяє ще більше зменшити відходи сировини, що відповідає тенденції зеленого виробництва.

Технологічна перевага: точний контроль і підвищення вартості від сировини до готового продукту

Перевага препрегу з вуглецевого волокна полягає в його точному технологічному процесі та суворому контролі якості. Його технологічна система забезпечує не лише узгодженість продукту, а й оптимальний баланс між продуктивністю та вартістю.

1. Основний виробничий процес: подвійне забезпечення методом гарячого розплаву та методом розчинного просочування

Два основних технологічних процеси мають кожен свою специфіку та можуть бути гнучко вибрані залежно від позиціонування продукту:

• Процес гарячого пресування: В'язкість смоли знижується за рахунок нагрівання (зазвичай нагрівають до 80–120 °C), після чого смола рівномірно наноситься на поверхню вуглецевого волокна за допомогою гарячого прес-валка. Основною перевагою цього процесу є точний контроль вмісту смоли (похибка ±0,5%), відсутність залишків розчинника, що забезпечує стабільні механічні властивості кінцевого продукту, особливо підходить для виробництва високоякісних препрегів із вуглецевого волокна для авіаційно-космічних застосувань. Однак потрібен точний контроль температури та тиску, щоб уникнути деформації волокна, яка може вплинути на експлуатаційні характеристики.
• Процес просочування розчином: Смола розчиняється в органічному розчиннику (наприклад, ацетоні) для зниження в'язкості. Після того, як вуглецеве волокно повністю адсорбує смолу через пропитувальну ванну, розчинник випаровується через нагрівальний канал. Цей процес має низькі витрати на інвестиції, простий у виробництві та підходить для масового виробництва недорогих препрегів з вуглецевого волокна. Щоб вирішити проблему залишкового розчинника, у промисловості застосовують багатоступеневе сушіння гарячим повітрям і вакуумне видалення, щоб знизити вміст залишкового розчинника до менш ніж 0,1%, ефективно забезпечуючи міцність продукту.

2. Ключові точки контролю процесу: чотири основні ланки, що визначають експлуатаційні характеристики

Якість препрегу з вуглецевого волокна залежить від загального контролю процесу, серед якого особливо критичними є чотири ланки:

• Обробка поверхні волокна: Шляхом використання процесів, таких як окиснення та покриття зв'язуючими агентами, підвищується міцність адгезії між вуглепластиком і смолою, що призводить до зростання міцності на відрив більш ніж на 38% і вирішує проблему розшарування, яка часто виникає в традиційних продуктах.
• Оптимізація формули смоли: Коригування складу смоли залежно від сценаріїв застосування, наприклад, додавання модифікаторів ударної в’язкості до авіаційних смол для підвищення стійкості до ударів або додавання наповнювачів із низькою діелектричною проникністю до електронних смол для оптимізації передачі сигналу, забезпечуючи відповідність властивостей смоли та волокна.
• Контроль параметрів просочення: Шляхом регулювання швидкості просочення (зазвичай у межах 5–15 м/хв), тиску (0,5–1,5 МПа) та температури забезпечується рівномірне проникнення смоли в кожне вуглецеве волокно та уникнення слабких ділянок, спричинених локальним недостачею клею.
• Охолодження та намотування: Препрегований матеріал має пройти градієнтне охолодження (від 80 ℃ до кімнатної температури), щоб уникнути передчасного затвердіння смоли; натяг намотування контролюється в межах 50–100 Н, щоб забезпечити відсутність зморшок у готовому продукті та рівномірне розташування волокон.

3. Тенденція інновацій у процесах: три основні напрямки для просування оновлення продуктів

Галузь продовжує покращувати експлуатаційні характеристики та співвідношення вартості та ефективності вуглецевого волокна-препрегу за рахунок інновацій у технологічних процесах:

• Автоматизована виробнича лінія: Використання системи візуального контролю на основі комп'ютерного зору для моніторингу розташування волокон та розподілу смоли в режимі реального часу, частота виявлення дефектів досягає 99,9%, що в 10 разів ефективніше, ніж при ручному контролі, забезпечуючи узгодженість у партіях продукції.
• Багатовісна технологія укладання: Розробка багатовісної лінії виробництва препрегу з вуглепластику, здатної забезпечити синхронну пропитку волокон у кількох напрямках, таких як 0°, 90°, ±45°, що зменшує подальші процеси пакування та підвищує ефективність виробництва на 40%.
• Дослідження та розробка екологічних процесів: Сприяння безрозчинниковим процесам пропитки та застосуванню смол на основі біологічних матеріалів для зменшення впливу на навколишнє середовище, а також розробка процесів переробки термопластикових виробів для задоволення потреб у «зеленому» виробництві відповідно до мети «подвійного вуглецю».