2017年3月7日，日本東麗公司在其日文官方網(wǎng)站上宣布，針對(duì)航空航天市場(chǎng)需求，推出新一代碳纖維預(yù)浸料。該產(chǎn)品拉伸強(qiáng)度和抗沖擊性能相比上一代均提升了30%，不但解決了長久以來碳纖維產(chǎn)品高模量和高韌性不可得兼的技術(shù)難題，同時(shí)還對(duì)溫度極值（極高溫和極低溫）有很好的耐受性，充分滿足了航空航天產(chǎn)品應(yīng)用的技術(shù)需求和市場(chǎng)期待，是具有巨大應(yīng)用潛力和價(jià)值的重磅產(chǎn)品。

一、什么是預(yù)浸料？

預(yù)浸料是由樹脂基體在嚴(yán)格的控制條件下，通過浸漬纖維增強(qiáng)體制成的樹脂基體與增強(qiáng)體組合物，可直接用以制造加工成各種復(fù)合材料構(gòu)件。具體來說，預(yù)浸料是復(fù)合材料的半成品，但它具有一定力學(xué)性能的，而這些力學(xué)性能是復(fù)合材料性能的基礎(chǔ)，基本上可原封不動(dòng)的帶入到復(fù)合材料及其構(gòu)件中。此外，復(fù)合材料成型時(shí)的工藝性能也取決于預(yù)浸料的性能。

圖1 東麗卡?預(yù)浸布——聚丙烯腈基碳纖維預(yù)浸料，主要以完全滲透樹脂的薄板型碳纖維的形式存在（日本東麗公司圖片）

圖2 我國國產(chǎn)彩絲混編織物及預(yù)浸料（山東威海光威復(fù)合材料有限公司圖片）

預(yù)浸料的原材料是增強(qiáng)體和樹脂基體。增強(qiáng)體主要包括碳纖維（如圖1所示）、芳綸、玻璃纖維以及它們組成的織物（如圖2所示）；樹脂基體主要為熱固性樹脂（環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚酰亞胺等）和熱塑性樹脂（聚苯硫醚、聚醚醚酮等）。常用的熱固性預(yù)浸料的鋪覆性和粘性較好，容易操作，其具有下列優(yōu)點(diǎn)：

l 預(yù)浸料可作為復(fù)合材料的原料，使用方便，免除了復(fù)合材料制造過程的備料、現(xiàn)場(chǎng)混料和浸透工序。

l 成型過程清潔、可控。

l 空隙率低，可以提高制品的品質(zhì)和均衡性。例如，航空用品要求復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的空隙率低于1%，由于使用預(yù)浸料能夠把空隙率降至最小，基本上消除制品的缺陷。

l 耐疲勞性好。

l 熱膨脹系數(shù)低。

l 制品厚度、纖維體積分?jǐn)?shù)可控。

制造預(yù)浸料制品的工藝多種多樣，其中以生產(chǎn)葉片、船艇、車輛內(nèi)部部件所用的真空袋壓工藝和生產(chǎn)在航空航天裝備中應(yīng)用的高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)所用的熱壓罐工藝最為常見。

二、預(yù)浸料制品已取得廣泛的應(yīng)用

預(yù)浸料作為復(fù)合材料了原料，成功挖掘了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料所具有的潛力和優(yōu)勢(shì)，為復(fù)合材料進(jìn)軍高性能要求的制品領(lǐng)域奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在過去的60多年里，預(yù)浸料的工業(yè)技術(shù)和品種在歐美發(fā)達(dá)國家獲得了長足的發(fā)展。目前全世界范圍內(nèi)知名的預(yù)浸料主要廠商日本東麗、美國赫氏、瑞士固瑞特、美國氰特、荷蘭／美國騰卡特等。日美兩國壟斷了全球95%的高端碳纖維制品市場(chǎng)，其中日本東麗公司和美國赫氏公司一直處于全球預(yù)浸料技術(shù)的發(fā)展前沿。

圖3 波音787“夢(mèng)想班機(jī)”中復(fù)合材料用量達(dá)到50%，整機(jī)機(jī)身、機(jī)翼等多個(gè)部位均大量使用了碳纖維復(fù)合材料（美國波音公司圖片）

日本東麗公司是波音787“夢(mèng)想班機(jī)”主結(jié)構(gòu)部件用復(fù)合材料的最大供應(yīng)商，供應(yīng)的材料是由公司旗下牌號(hào)Torayca 3900系列的高度韌化的環(huán)氧樹脂配合增強(qiáng)碳纖維組成的第三代預(yù)浸帶。這種預(yù)浸帶有各種寬度的無緯帶、纖維鋪放用的窄帶以及織物，可熱壓罐成型，固化溫度180攝氏度，具有良好的耐熱性和耐沖擊性。3900系預(yù)浸帶中大部分將采用T800S高強(qiáng)中模碳纖維。T800S纖維是東麗公司碳纖維制備工藝改進(jìn)的成果，屬所謂的大絲束碳纖維，它比此前的T800H纖維生產(chǎn)效率更高、來源更廣。在波音787“夢(mèng)想班機(jī)”上，東麗公司的預(yù)浸帶用途非常廣泛，應(yīng)用的部位包括飛機(jī)尾翼主承力結(jié)構(gòu)、主翼、前機(jī)身段、部分中機(jī)身段、后機(jī)身蒙皮及桁條、后機(jī)身艙隔框，整個(gè)中央翼盒等。此外，波音787的貨艙門及檢查口蓋等部件也采用東麗公司的預(yù)浸帶來制造，并用熱壓罐固化成型。目前T800S/3900-2預(yù)浸料產(chǎn)品已被廣泛應(yīng)用于各類航空航天產(chǎn)品中，成熟度高，迄今為止已積累了近三十年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。

作為東麗公司的主要競(jìng)爭對(duì)手，美國赫氏公司在預(yù)浸料產(chǎn)品市場(chǎng)中也具有不俗的競(jìng)爭力。空客公司旗下A380寬體客機(jī)和A350客機(jī)廣泛采用了復(fù)合材料，其中A350系客機(jī)復(fù)合材料用量高達(dá)52%，而赫氏公司正是空客公司預(yù)浸料制品的主要供應(yīng)商。赫氏公司向空客供應(yīng)了牌號(hào)為Hexply 8552和Hexply M-21的預(yù)浸料環(huán)氧樹脂基體，固化溫度180攝氏度，可在120攝氏度的環(huán)境中工作，具有優(yōu)良的韌性、強(qiáng)度和耐損傷特性，在A380和A350客機(jī)的機(jī)頭，前機(jī)身段、中機(jī)身段、后機(jī)身段蒙皮、機(jī)翼前后翼梁、機(jī)翼上下板件，機(jī)翼前緣和固定后緣、中央翼、襟副翼和尾翼等部位均有大量的應(yīng)用。除上述民機(jī)領(lǐng)域外，在美軍F-22，F(xiàn)-35以及未來遠(yuǎn)轟型號(hào)中，也大量使用赫氏、氰特等美國本土企業(yè)提供的復(fù)合材料預(yù)浸料產(chǎn)品。

三、東麗公司的新型預(yù)浸料在樹脂性能方面取得提升

近年來，隨著航空航天工業(yè)對(duì)輕量化結(jié)構(gòu)的需求不斷擴(kuò)大，對(duì)飛行載荷和抗沖擊性能等力學(xué)指標(biāo)也有了更高的要求。作為生產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料的兩大基本原料，人們對(duì)碳纖維和基體樹脂的品質(zhì)也相應(yīng)地有了更高的要求。

此次問世的新一代碳纖維預(yù)浸料，技術(shù)突破的關(guān)鍵在于樹脂。東麗公司為新一代預(yù)浸料產(chǎn)品開發(fā)了牌號(hào)為3940的熱固性樹脂。這種樹脂能充分發(fā)揮東麗旗下碳纖維材料的性能優(yōu)勢(shì)，從分子層面提升碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能。東麗公司通過工藝技術(shù)升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)樹脂的分子構(gòu)造和固化反應(yīng)的精確控制，有效壓縮了分子鏈之間的空隙，提高了分子網(wǎng)絡(luò)的致密程度，突破了現(xiàn)有預(yù)浸料產(chǎn)品高模量與高韌性無法共存的技術(shù)難題，從而研發(fā)出二者兼得的高性能3940號(hào)系列樹脂。該樹脂在力學(xué)性能方面有了長足的進(jìn)步，同時(shí)具有優(yōu)異的耐熱性和抗沖擊性，因而可以在最為嚴(yán)苛的太空環(huán)境下正常作業(yè)，恰好滿足了航空航天工業(yè)的技術(shù)需求。

2014年3月，日本東麗公司曾宣布成功研制了第三代碳纖維T1100G，是目前強(qiáng)度最高的碳纖維。但目前采用T1100G碳纖維制成的預(yù)浸料，多采用東麗旗下2574環(huán)氧樹脂，其固化溫度130攝氏度，性能方面尚不如3900-2，無法發(fā)揮T1100G碳纖維的最大性能。而3940號(hào)樹脂理論上可與T1100G碳纖維相結(jié)合，產(chǎn)生目前可號(hào)稱世界上性能最強(qiáng)的碳纖維復(fù)合材料。其拉伸強(qiáng)度和抗沖擊性能與T800S/3900-2相比，大幅提升了30%；同時(shí)，抗壓能力和抗剝離性能也有了不小的提升，而這些都是航空航天工業(yè)所看重的技術(shù)指標(biāo)。這種新型碳纖維復(fù)合材料可以減輕部件20%的重量，在航空器機(jī)翼、機(jī)身、發(fā)動(dòng)機(jī)等結(jié)構(gòu)和部件上擁有廣泛的應(yīng)用前景。

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