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东丽推出新一代碳纤维预浸料产品 拉伸强度和抗冲击性能提升30%

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2017年3月7日,日本东丽公司在其日文官方网站上宣布,针对航空航天市场需求,推出新一代碳纤维预浸料。该产品拉伸强度和抗冲击性能相比上一代均提升了30%,不但解决了长久以来碳纤维产品高模量和高韧性不可得兼的技术难题,同时还对温度极值(极高温和极低温)有很好的耐受性,充分满足了航空航天产品应用的技术需求和市场期待,是具有巨大应用潜力和价值的重磅产品。

一、什么是预浸料?

预浸料是由树脂基体在严格的控制条件下,通过浸渍纤维增强体制成的树脂基体与增强体组合物,可直接用以制造加工成各种复合材料构件。具体来说,预浸料是复合材料的半成品,但它具有一定力学性能的,而这些力学性能是复合材料性能的基础,基本上可原封不动的带入到复合材料及其构件中。此外,复合材料成型时的工艺性能也取决于预浸料的性能。

东丽卡™预浸布——聚丙烯腈基碳纤维预浸料

图1 东丽卡™预浸布——聚丙烯腈基碳纤维预浸料,主要以完全渗透树脂的薄板型碳纤维的形式存在(日本东丽公司图片)

国产彩丝混编织物及预浸料

图2 我国国产彩丝混编织物及预浸料(山东威海光威复合材料有限公司图片)

预浸料的原材料是增强体和树脂基体。增强体主要包括碳纤维(如图1所示)、芳纶、玻璃纤维以及它们组成的织物(如图2所示);树脂基体主要为热固性树脂(环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺等)和热塑性树脂(聚苯硫醚、聚醚醚酮等)。常用的热固性预浸料的铺覆性和粘性较好,容易操作,其具有下列优点:

l 预浸料可作为复合材料的原料,使用方便,免除了复合材料制造过程的备料、现场混料和浸透工序。

l 成型过程清洁、可控。

l 空隙率低,可以提高制品的品质和均衡性。例如,航空用品要求复合材料结构中的空隙率低于1%,由于使用预浸料能够把空隙率降至最小,基本上消除制品的缺陷。

l 耐疲劳性好。

l 热膨胀系数低。

l 制品厚度、纤维体积分数可控。

制造预浸料制品的工艺多种多样,其中以生产叶片、船艇、车辆内部部件所用的真空袋压工艺和生产在航空航天装备中应用的高性能复合材料结构所用的热压罐工艺最为常见。

二、预浸料制品已取得广泛的应用

预浸料作为复合材料了原料,成功挖掘了纤维增强复合材料所具有的潜力和优势,为复合材料进军高性能要求的制品领域奠定了坚实的基础。在过去的60多年里,预浸料的工业技术和品种在欧美发达国家获得了长足的发展。目前全世界范围内知名的预浸料主要厂商日本东丽、美国赫氏、瑞士固瑞特、美国氰特、荷兰/美国腾卡特等。日美两国垄断了全球95%的高端碳纤维制品市场,其中日本东丽公司和美国赫氏公司一直处于全球预浸料技术的发展前沿。

波音787复合材料

图3 波音787“梦想班机”中复合材料用量达到50%,整机机身、机翼等多个部位均大量使用了碳纤维复合材料(美国波音公司图片)

日本东丽公司是波音787“梦想班机”主结构部件用复合材料的最大供应商,供应的材料是由公司旗下牌号Torayca 3900系列的高度韧化的环氧树脂配合增强碳纤维组成的第三代预浸带。这种预浸带有各种宽度的无纬带、纤维铺放用的窄带以及织物,可热压罐成型,固化温度180摄氏度,具有良好的耐热性和耐冲击性。3900系预浸带中大部分将采用T800S高强中模碳纤维。T800S纤维是东丽公司碳纤维制备工艺改进的成果,属所谓的大丝束碳纤维,它比此前的T800H纤维生产效率更高、来源更广。在波音787“梦想班机”上,东丽公司的预浸带用途非常广泛,应用的部位包括飞机尾翼主承力结构、主翼、前机身段、部分中机身段、后机身蒙皮及桁条、后机身舱隔框,整个中央翼盒等。此外,波音787的货舱门及检查口盖等部件也采用东丽公司的预浸带来制造,并用热压罐固化成型。目前T800S/3900-2预浸料产品已被广泛应用于各类航空航天产品中,成熟度高,迄今为止已积累了近三十年的生产经验。

作为东丽公司的主要竞争对手,美国赫氏公司在预浸料产品市场中也具有不俗的竞争力。空客公司旗下A380宽体客机和A350客机广泛采用了复合材料,其中A350系客机复合材料用量高达52%,而赫氏公司正是空客公司预浸料制品的主要供应商。赫氏公司向空客供应了牌号为Hexply 8552和Hexply M-21的预浸料环氧树脂基体,固化温度180摄氏度,可在120摄氏度的环境中工作,具有优良的韧性、强度和耐损伤特性,在A380和A350客机的机头,前机身段、中机身段、后机身段蒙皮、机翼前后翼梁、机翼上下板件,机翼前缘和固定后缘、中央翼、襟副翼和尾翼等部位均有大量的应用。除上述民机领域外,在美军F-22,F-35以及未来远轰型号中,也大量使用赫氏、氰特等美国本土企业提供的复合材料预浸料产品。

三、东丽公司的新型预浸料在树脂性能方面取得提升

近年来,随着航空航天工业对轻量化结构的需求不断扩大,对飞行载荷和抗冲击性能等力学指标也有了更高的要求。作为生产碳纤维复合材料的两大基本原料,人们对碳纤维和基体树脂的品质也相应地有了更高的要求。

此次问世的新一代碳纤维预浸料,技术突破的关键在于树脂。东丽公司为新一代预浸料产品开发了牌号为3940的热固性树脂。这种树脂能充分发挥东丽旗下碳纤维材料的性能优势,从分子层面提升碳纤维复合材料的力学性能。东丽公司通过工艺技术升级,实现了对树脂的分子构造和固化反应的精确控制,有效压缩了分子链之间的空隙,提高了分子网络的致密程度,突破了现有预浸料产品高模量与高韧性无法共存的技术难题,从而研发出二者兼得的高性能3940号系列树脂。该树脂在力学性能方面有了长足的进步,同时具有优异的耐热性和抗冲击性,因而可以在最为严苛的太空环境下正常作业,恰好满足了航空航天工业的技术需求。

2014年3月,日本东丽公司曾宣布成功研制了第三代碳纤维T1100G,是目前强度最高的碳纤维。但目前采用T1100G碳纤维制成的预浸料,多采用东丽旗下2574环氧树脂,其固化温度130摄氏度,性能方面尚不如3900-2,无法发挥T1100G碳纤维的最大性能。而3940号树脂理论上可与T1100G碳纤维相结合,产生目前可号称世界上性能最强的碳纤维复合材料。其拉伸强度和抗冲击性能与T800S/3900-2相比,大幅提升了30%;同时,抗压能力和抗剥离性能也有了不小的提升,而这些都是航空航天工业所看重的技术指标。这种新型碳纤维复合材料可以减轻部件20%的重量,在航空器机翼、机身、发动机等结构和部件上拥有广泛的应用前景。

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