碳纤维预浸料的材料组成、工艺及特性等完全技术指南

在碳纤维预浸料铺贴成件过程中首先需要工装设计，通过设计一种简单、稳定的工装意味着在固化过程中能够对部件施加均匀压力，工装设计主要考虑因素如下：

预浸料常用的成型工艺主要包括真空袋工艺、热压罐工艺、模压工艺、卷管工艺、拉挤成型工艺、缠绕成型工艺、压力袋工艺等。

真空袋工艺：通过将产品密封在模具和真空袋之间，通过抽真空对产品加压、加热，从而获得性能优异产品，其优点在于压力均匀、有助于减少气泡产生。真空袋工艺的主要步骤包括铺贴预浸料后打带、密封，然后抽真空将空气抽走。抽真空时，产生压力达到1个大气压，从而起到对铺层进行压实的作用，然后将其送入固化炉内进行固化，或者采用自加热模具固化。

真空袋工艺的主要步骤

热压罐工艺：热压罐是一种压力容器，通过控制不同真空、压力、升温速率和固化温度等参数为复合材料提供固化条件；该成型技术与真空袋工艺相类似，它通过将预浸料放置真空袋置于热压罐中，将真空泵打开抽至真空，再经过一定时间的真空加热使其固化；该成型工艺稳定可靠，使用范围十分广泛，适用于制造军用机载雷达罩、整流罩、飞机舱门、机翼等产品。

模压工艺：将一定量的预浸料加入金属对模内，经加热、加压固化成型的方法。其主要优点在于生产效率高、产品尺寸精度高、重复性好，但模具制造复杂、成本较高。

卷管工艺：采用卷管机上的热辊，使预浸料软化，随后在一定张力下，在辊的旋转操作过程中，利用辊和心轴之间的摩擦，将预浸料连续卷到管芯上，然后通过冷辊冷却定型，从卷绕机取出，在固化炉中固化。卷管工艺主要用于加工管状结构件。

真空袋/固化炉或热压罐是用预浸料制造复合材料零部件的两种主要工艺，其加工方法取决于部件的质量、成本和种类（如下所示）。

真空袋工艺适用于各种厚度的单板结构和大型夹层结构的制造。部分高性能预浸料也可以使用标准的真空袋固化炉固化，其部件质量接近热压罐工艺。

热压罐工艺通常用于制造高碳纤维体积含量、低孔隙率的优质结构件，也可以在压力较低的情况下生产高标准的蜂窝夹层结构。因为热压罐体积大，往往需要很长时间进行加热和固化，因此周期较长，有时需要缓慢升温才能保证模具和复合材料部件温度的均匀分布。

真空袋打袋步骤如下图所示，该工艺是生产高质量航空航天部件的理想方式，但在工业应用方面也可用其他的铺贴方法。

真空袋打袋示例图

真空袋和热压罐都存在真空袋打袋过程（上图），这种工艺是生产高质量的航空航天部件的理想方式，但是在工业应用方面，也可采用其他铺贴方式。

真空袋打袋过程中的主要耗材和作用如下所示：

• 脱模剂：帮助部件从工装中脱模；

• 剥离布（可选）：有助于析出挥发物和多余树脂，固化后可轻易剥离，其表面有利于胶接或喷涂；

• 吸胶层（可选）：通常采用毡或玻璃纤维织物，吸收多余树脂，树脂含量可以通过吸胶层的数量来调节，以控制纤维的体积含量；

• 隔离膜：可防止树脂流失，并根据需要使用无孔或微孔薄膜，空气和挥发成分也可通过微孔排出；
  

• 透气层：提供真空通道，以便从整个部件中去除空气和挥发成分，当使用热压罐压力时，需要更厚的透气织物；

• 密封条：控制树脂流失，维持部件形状；

• 真空泵/密封胶带：排出空气，形成真空的密封袋。

真空袋成型工艺通过将产品密封在模具和真空袋之间，通过抽真空对产品加压，进而使产品密实的成型工艺方法。真空袋工艺和热压罐工艺主要流程如下图所示。

压实：在铺贴过程中，预浸料铺层之间会存在空气，可以采用隔离膜/透气层/真空袋打袋，在室温下抽真空10-15min，以排除空气、压实预浸料，与工装表面接触的第一层压实后，依据部件的厚度和复杂程度，可以每3-5层压实一次。

真空：通常真空用来排除预浸料层间的空气，同时压实预浸料，在热压罐的固化过程中，可以在加压后降低真空度，这样在整个固化过程中，能够有效地检测真空袋是否泄漏。

升温速率：升温速率对预浸料的粘度、流动性、反应速率以及部件的表面质量都有很大影响，大部分预浸料固化所需的升温速率是一个温度范围，一般而言，较快的升温速率适用于较薄的部件，而较慢的升温速率适用于较厚或者较大的部件；决定升温速率时，应避免部件、工装和热源间产生较大的温差。

保温平台：对于大型部件和工装，也可在固化过程中引入保温平台，它能确保整个工装和部件的温度均匀，良好的温度控制能保证固化过程中树脂流动的一致性，并改善树脂的流动特性。

固化温度公差：在整个固化过程中，固化炉/热压罐、部件和工装的温度应达到并保持在最低固化温度以上，用于检测温度的热电偶应仔细考虑放置的位置，以确保得到整个系统的准确温度，并将温度的公差范围控制在±5℃；对于大型部件，可能需要一个循环测温系统来监控部件和工装的温度场。

固化时间：每种预浸料都有相应的固化时间，其从热电偶达到最低固化温度的时间开始计算，延长在推荐固化温度下的固化时间通常不会对部件产生不利影响。

冷却速率：应该控制冷却温度速率以避免温度的骤然变化而在部件中产生较高的热应力，在整个冷却过程中压力和/或真空仍然应该保持。

成品质量检验：固化后，超声波、错位散斑干涉法、热成像等多种检测手段可以用于复合材料部件的质量检验。

夹层结构是由薄的高强度预浸料蒙皮黏合在较厚的蜂窝、泡沫或轻木芯上构成。具有自粘特性的预浸料不需要额外的胶膜，因此可以更低的成本生产轻型的夹层结构。

该结构的优点包括：重量轻、刚度高、经久耐用、设计自由，生产成本低。

可以使用热压罐、模压或真空袋成型来制造夹层结构，在热压罐或模压情况下，通过可以一次性铺贴并固化夹层结构，但是对于大型部件的真空袋固化而言，可能需要两个或以上的阶段进行铺贴和固化，这样可以提高部件的质量，避免孔隙和蜂格印痕，避免过度压力导致的蜂窝滑移，乃至蜂窝破裂。

纤维在复合材料中提供强度和刚度，并承担大部分载荷；基体树脂则决定了复合材料的使用温度、韧性和耐环境性。因此，单向复合材料（UD）在一个方向上具有优异的力学性能，也就是呈现各向异性，而不是像大部分的金属材料呈现各向同性。

由于纤维主导了复合材料的力学性能，因此，可以通过纤维的取向设计来达到所需的力学性能。

通过纤维的铺贴方式设计，可以优化部件的力学性能。

在复合材料制造过程中，可以通过以下测试来评估预浸料质量：

未固化的预浸料

凝胶时间：在一定温度条件下，树脂从液体变成固体的时间，表现为树脂粘度的迅速增加。

粘度：反映了树脂的流动特性，粘度主要会受到温度和升温速率等因素的影响。

挥发份：暴露在既定的温度和时间后，挥发掉的气态质量损失和原始样本质量的百分比。

流动性：在一定温度和压力条件下，树脂质量损失与原始样本质量的百分比。

粘性：预浸料本身互相粘贴，以及粘贴在模具表面的能力。

树脂含量：单位面积树脂重量百分比。

配方：化学成分的定量配比。

固化后的预浸料

纤维体积含量：复合材料中增强纤维的体积百分比。

复合材料密度：单位体积复合材料的质量。

固化度：预浸料的固化程度。

CPT：固化后的单层厚度。

预浸料一般会采用冷藏的方式进行保存，如美国Hexcel公司的HexPly预浸料典型保存条件为-18℃的冷库。为了避免受潮，在打开聚乙烯袋之前，应当先让预浸料回温至室温（完整包装回温可能需要48h）。

一般而言，在-18℃保存的状态下，预浸料的保质期为自生产日期12个月。一般预浸料产品包装箱的标签上会印上-18℃时的保质期和室温条件下的保质期。室温（温度23℃）环境中预浸料的粘性寿命和外置寿命会因树脂种类不同而存在差异。

概念说明：

对于产品规格完整的制造商，其预浸料在应用方面存在很小的安全风险，如Hexcel公司预浸料由于具备以下特点，而存在极小的安全风险：

• 预浸料在铺贴之前一直带有保护膜，裁剪后再去除保护膜，因此，直接接触预浸料的情况实际上不存在；

• 和湿法工艺不同（干纤维、液态树脂），预浸料工艺纤维粉尘极小，而且无飞溅、无泄漏和溢出；

• 预浸料在常温条件下无挥发；
  

• 在常温下，预浸料的粘性处于中低水平。

但是，所有预浸料在操作时仍应该遵守预防措施，如：始终佩戴手套，确保其覆盖手臂，以避免皮肤与产品的接触。在无保护状态下重复触摸预浸料会引起过敏反应。

加工固化后的产品会产生含有纤维物质的粉尘，应避免吸入。建议在切割区安装吸尘装置收集粉尘。为了防止火灾和爆炸，加工固化产品时应避免粉尘的形成，避免火源，含有碳纤维的粉尘是导电的。

TenCate先进复合材料：2018年被日本东丽公司收购，TenCate Advanced Composites是一家总部位于美国的热压罐复合材料生产商，为洛克希德·马丁公司，General Atomics，Gulfstream和Cirrus Aircraft等公司提供航空航天工业用预浸料。Cirrus的SR-22飞机的机翼结构和机身都采用了TenCate的热压罐复合材料。该公司还生产仅用于高温的真空固化（VCO）预浸料，包括氰酸酯、BMI和环氧树脂。其TC275是用于低固化压力零件制造的环氧预浸料。它是制造厚零件的理想选择，因为它具有低孔隙率，并且还可以用于航空航天环境。该公司的另一个标志性产品是TC350-1，它有良好的韧性和热/湿性能，适用于结构应用。