預(yù)浸料是制備復(fù)合材料的核心中間材料，指將未固化的樹脂預(yù)先與纖維浸潤結(jié)合制成的半成品，成品具備一定儲存期，在有效期內(nèi)可隨時開展鋪層設(shè)計(jì)與成型加工，后續(xù)經(jīng)加熱即可完成固化。預(yù)浸料所用樹脂以熱固性樹脂為主，常用的有酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、雙馬樹脂、乙烯基樹脂、氰酸樹脂等。其中碳纖維預(yù)浸料又稱碳纖維預(yù)浸布，是以經(jīng)展紗處理的碳纖維絲束或碳纖維編織布為基材，在特定壓力和溫度作用下，與預(yù)先涂敷于離型紙上的樹脂復(fù)合，再經(jīng)冷卻、覆膜、卷取等工藝制成；該類預(yù)浸料中環(huán)氧樹脂的應(yīng)用最為廣泛，雙馬樹脂和氰酸樹脂則多用于耐高溫的應(yīng)用場景。
預(yù)浸料生產(chǎn)示意圖
預(yù)浸料的常見組成部分為：底部是一層離型紙（白色），中間為成品預(yù)浸料（黑色），表面再覆蓋一層聚乙烯薄膜（藍(lán)色），其中中間的成品預(yù)浸料又由樹脂和纖維組成，具體見下圖。
（a）碳纖維UD預(yù)浸料 （b）碳纖維編織布預(yù)浸料
生產(chǎn)好的碳纖維預(yù)浸料
預(yù)浸料適用工藝較多，主要是熱壓罐工藝、真空袋壓工藝、預(yù)浸料模壓工藝、預(yù)浸料吹氣模壓、卷管工藝和纏繞工藝。
一、熱壓罐工藝
熱壓罐工藝是纖維復(fù)合材料應(yīng)用較多、最為常見的一種成型方式，特別在航空航天領(lǐng)域的比重更是高達(dá)80%以上。成型的構(gòu)件多應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域等主承力和次承力結(jié)構(gòu)，以及國防、軌道交通、電子通訊、汽車制造、體育運(yùn)動器材等諸多領(lǐng)域。
2006年ASC為波音787機(jī)身定做的：長度23米，直徑9米
熱壓罐工藝示意圖如上
將碳纖維預(yù)浸料按鋪層要求鋪放于模具上，將毛坯密封在真空袋后放置于碳纖維熱壓罐中。在真空狀態(tài)下，經(jīng)過熱壓罐設(shè)備升溫、加壓、保溫、降溫和卸壓等程序，利用熱壓罐內(nèi)同時提供的均勻溫度和均布壓力實(shí)現(xiàn)固化，從而可以形成表面與內(nèi)部質(zhì)量高、形狀復(fù)雜的碳纖維復(fù)合材料制件。用熱壓罐的一個重要原因是向預(yù)浸料提供足夠的壓力，以此抑制孔隙的生成，所以做出來的產(chǎn)品性能好，能夠作為結(jié)構(gòu)件使用。因此熱壓罐工藝在航空航天上應(yīng)用較多，但是熱壓罐工藝也存在成本高、效率低的缺點(diǎn)。
二、真空袋壓工藝
針對熱壓罐成本高的缺點(diǎn)，發(fā)展了真空袋壓工藝，真空袋壓工藝前序工藝和熱壓罐類似，后期固化不使用熱壓罐，而是使用固化爐。
固化爐價格便宜，但沒有壓力，在抽真空情況下，壓差只有一個大氣壓。因此要得到類似的孔隙率，對樹脂和預(yù)浸料要求較高。有研究表明，半浸潤的預(yù)浸料能夠有效地提高氣體滲透性，OoA預(yù)浸料采用樹脂半浸潤，將干纖維作為排出氣體的通道，在零件固化時卷入的氣體和揮發(fā)份都可以通過通道排出。
三、預(yù)浸料模壓工藝
將一定量預(yù)浸料加入金屬對模內(nèi)，經(jīng)加熱、加壓固化成型的方法。
預(yù)浸料模壓相對生產(chǎn)效率高，便于實(shí)現(xiàn)專業(yè)化和自動化生產(chǎn)，特別是使用快速固化預(yù)浸料，時間可以縮短到10分鐘以內(nèi)一模；產(chǎn)品尺寸精度高，重復(fù)性好；表面光潔；能一次成型結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制品；適合批量生產(chǎn)。不足之處在于模具制造復(fù)雜，投資較大，加上受壓機(jī)限制，最適合于批量生產(chǎn)中小型復(fù)合材料制品，不易生產(chǎn)大尺寸產(chǎn)品。而且預(yù)浸料本身有一定加工成本。
預(yù)浸料模壓應(yīng)用的領(lǐng)域較多，航空航天、汽車、電子、醫(yī)療器械、體育器械等。
四、預(yù)浸料吹氣模壓
該工藝源自預(yù)浸料模壓技術(shù)，適用于中空碳纖維制品生產(chǎn)，技術(shù)雛形發(fā)源于中國臺灣。早期生產(chǎn)碳纖維球拍時，采用“發(fā)泡劑填充-模壓加熱”工藝，利用發(fā)泡膨脹壓力撐開預(yù)浸料定型。此工藝存在異響、重量難控等缺陷，后續(xù)研發(fā)出“吹氣模壓”工藝。該工藝目前是體育用品的主流工藝，包括碳纖維羽毛球拍、高爾夫球桿、棒球拍、自行車等產(chǎn)品，都是該工藝生產(chǎn)出來的。
五、卷管工藝
碳纖維卷管成型工藝是采用碳纖維預(yù)浸料，通過卷管機(jī)熱卷成型的復(fù)合材料制品加工方法。該工藝為當(dāng)前碳纖維釣魚竿生產(chǎn)的主流工藝，又名搓管工藝。從行業(yè)實(shí)踐來看，早期部分小型碳纖維釣魚竿生產(chǎn)企業(yè)曾采用人工搓制的簡易加工方式，即由操作人員手持預(yù)浸料在芯管上完成搓卷成型。
該工藝的具體流程如下：借助卷管機(jī)熱輥對碳纖維預(yù)浸料進(jìn)行加熱軟化，使預(yù)浸料中的樹脂膠粘劑熔融；在設(shè)定張力條件下，利用熱輥與心軸的摩擦力驅(qū)動預(yù)浸料連續(xù)卷繞至管芯表面，直至達(dá)到設(shè)計(jì)壁厚；隨后通過冷輥進(jìn)行冷卻定型，定型完成后從卷管機(jī)取出坯料，纏繞熱收縮膜并送入烤箱進(jìn)行固化處理；待管材完全固化后，去除熱收縮膜及內(nèi)芯模具，最終獲得復(fù)合材料卷管制品。
除常規(guī)圓管（如碳纖維釣魚竿）外，該工藝還可實(shí)現(xiàn)方管、三角形管及其他異形截面管材的生產(chǎn)，適配不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求。
六、纏繞工藝
廣義上來說前面的卷管工藝也可以說纏繞工藝，但該工藝并不使用連續(xù)的預(yù)浸料，而是有一定的疊層設(shè)計(jì)。我們?nèi)粘＠p繞工藝，可以使用連續(xù)的預(yù)浸料，通過一定的角度設(shè)計(jì)，生產(chǎn)管材、氣瓶等。因此這里的預(yù)浸料和傳統(tǒng)的預(yù)浸料有所差異，多使用預(yù)浸窄帶。
碳纖維預(yù)浸料優(yōu)點(diǎn)明顯，廣泛應(yīng)用于釣具、運(yùn)動器材、體育用品、航空航天等領(lǐng)域， 軍事上用于制造火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、雷達(dá)、防彈車、防彈衣等重要軍工產(chǎn)品。
本文章來源于微信公眾號 復(fù)材應(yīng)用技術(shù)
