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除广泛应用的航空航天领域，由于预浸料具有高机械性能、高强度和快速固化等优越特性，其可用于汽车、电子、体育用品和风能等各种领域。而得益于预浸料优异特性的其他快速增长的应用包括用于油气开采的海底管道和高压容器。与金属相比，预浸料的用量增长是由更高的比强度、更好的疲劳强度和更大设计自由度等潜力推动的。
此次关于预浸料技术的完全知识指南旨在帮助大家更好地了解预浸料、预浸料的制造、加工、性能和各种应用。本系列文章主要参考了Hexcel公司预浸料技术手册内容，包括上、下两篇，共包括8部分内容。
在上篇文章中包括4部分内容：1）、碳纤维预浸料概述；2）、纤维和织物性能；3）、基体性能；4）、预浸料性能。本文首先介绍了预浸料概念以及典型应用，然后按照预浸料组成，分别介绍了纤维、织物、树脂等材料的特性；进一步介绍了预浸料的性能与生产方法，论述了常见的加工工艺。
1 碳纤维预浸料技术概述
1.1 高性能复合材料主要技术
作为一种纤维增强树脂基材料，碳纤维预浸料在高温加压条件下可以固化成型，从而得到高强质轻的复合材料结构件。复合材料几种主要成型技术如图1所示，而预浸料依靠其优异性能成为复合材料主流材料之一。
复合材料主要成型技术
1.2 为什么使用复合材料？
复合材料与传统木材、混凝土以及金属材料的典型特性对比如下所示，从图中可以看出，复合材料具有优异的拉伸强度和拉伸模量，同时兼具低密度特点，从而具备了重量轻、强度高、刚度好等特点。
1.3 什么是碳纤维预浸料？
碳纤维预浸料主要由碳纤维和树脂基体两大组分组成，按照碳纤维增强方式，碳纤维预浸料可以分为单向增强和多向增强两种，如下图所示。
图片
碳纤维预浸料常见形式
1.4 预浸料应用于哪些领域？
2 纤维和织物性能
2.1 碳纤维的性能
碳纤维与其他增强纤维的密度和成本对比如下图所示，碳纤维的密度介于芳纶纤维与玻璃纤维之间，其成本要高于其他传统增强纤维，尤其是高模量碳纤维成本最高。
碳纤维与其他增强纤维力学性能对比如下图所示，碳纤维在强度和模量上较之其他增强纤维均具有一定优势。但是，碳纤维生产成本也是远远高于其他增强纤维。
碳纤维性能与其他增强纤维对比
2.2 纤维的织物形式有哪些？
碳纤维与其他增强纤维力学性能对比如下图所示，碳纤维在强度和模量上较之其他增强纤维均具有一定优势。但是，碳纤维生产成本也是远远高于其他增强纤维。
按照碳纤维编织方式，碳纤维织物可以分为机织物、针织物和无纺布，其中机织物按照经、纬向纤维交织规律可以分为平纹、斜纹和缎纹，如下图所示。
碳纤维机织物的常见形式
碳纤维无纺布又称非织造布，它是指未经编织一种织物，如下图所示，传统纺织纤维无纺布成型方法主要包括水刺法、针刺法、热轧法等方法。
碳纤维无纺布
2.3 影响增强材料选择的主要因素有哪些？
碳纤维与其他增强纤维力学性能对比如下图所示，碳纤维在强度和模量上较之其他增强纤维均具有一定优势。但是，碳纤维生产成本也是远远高于其他增强纤维。
3 基体性能
3.1 什么是基体？
在复合材料中，基体的作用是支撑纤维，并将纤维黏合形成整体。通过使纤维保持方向和位置，树脂可以将任何施加的载荷转移到纤维上。此外，树脂基体还决定了预浸料的耐环境性和最高使用温度。选择预浸料时，最高使用温度是选择预浸料基体的关键标准之一。
在热固性树脂基复合材料中使用的基体为热塑性树脂，固化过程可以简单地将其视为环氧预聚物的交联反应，其反应位点连接在一起形成链和交联，但实际上，成分更多、固化过程更复杂。一旦该过程发生，聚合物就完全固化；其固化机制（以环氧树脂为例）和基体不同组分的作用如下所示。
3.2 不同热固性树脂的性能有哪些？
目前碳纤维预浸料常用的树脂基体为环氧树脂、酚醛树脂、双马树脂等，下表归纳了每种树脂的优点和主要用途：
不同树脂工作温度和性能如表1所示：
4 预浸料性能
4.1 为什么使用预浸料？
碳纤维预浸料具有易成型、成本低、纤维含量易控制等优点，而且碳纤维预浸料具有优异的拉伸、刚度、疲劳、耐腐蚀等性能。因此，碳纤维预浸料获得广泛应用。
选择预浸料时主要取决于两个因素：性能和成本，下图显示了使用预浸料的优点。
4.1 预浸料是如何生产的？
碳纤维预浸料主要有两种生产方式：一种为直接将树脂加热，以降低其黏度，便于均匀散布于纤维之间，称为热熔法。另一种为将树脂溶于溶剂中来降低黏度，待树脂含浸纤维后再加热使溶剂挥发，称为溶液浸渍法。
目前碳纤维预浸料常用的热熔法又可以分为一步法（图8）和两步法（图9）。在两步法中第一步需要先制备树脂膜，然后进行预浸处理，目前国内碳纤维预浸料约90%工艺采用热熔两步法。
热熔工艺：又称树脂膜转移法，织物和单向预浸料均可使用热熔工艺生产。此过程分为两个阶段。第一步包括在纸质基材上涂覆加热树脂的薄膜。增强材料和树脂在预浸料机中相互作用。在施加压力和热量后，树脂会渗入纤维中，形成最终的预浸料，最终将其缠绕在纤芯上。
溶剂浸工艺：使用溶剂浸渍法只能生产织物预浸料，该方法涉及将树脂溶解在溶剂浴中并将增强织物浸入树脂溶液中。然后使用干燥炉将溶剂从预浸料坯上蒸发掉。
（本文主要参考Hexcel预浸料手册，部分内容由本号编辑整理）
