碳纤维预浸料——其工作原理是什么？

什么是预浸料？

如今，复合材料部件占一级方程式赛车的 85%，但重量仅占 20% 左右。只有不断开发和发展碳纤维制造复杂部件的能力，才能实现这一成就。这些部件是通过将碳纤维预浸料的各个层以不同的角度相互叠放来构建的，以确保各个方向的机械性能。这一过程经常被讨论，然而，人们经常忘记的是制造这些碳纤维预浸料所需的制造过程。

近 40 年来，一级方程式赛车和赛车运动市场一直在使用预浸料等先进复合材料。预浸料本质上是一种使用碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维和浸渍聚合物基质的织物的材料形式。

从功能上讲，纤维赋予复合材料沿其纤维方向的强度和刚度。精心选择织物预浸料可以考虑组件应力，并将其引导到关键负载路径上。通常以 0° 和 90° 取向的编织织物和单向格式的组合允许设计出最佳性能，无论是需要准各向同性还是各向异性特性。单向材料的典型应用包括悬架组件，而编织增强材料主要用于车身。

树脂

热固性树脂基质的主要作用是充当粘合剂，将纤维团粘合并固定在一起。但是，也可以使用填料和颗粒对树脂进行优化，以提高其功能性，改善韧性、抗冲击性和可燃性。从根本上讲，每根纤维都浸入树脂中，这不仅可以使它们吸收更高的压缩载荷，而且载荷还可以在纤维之间传递，从而整体上更好地分布外部载荷。赛车运动中最常用的树脂是环氧树脂，它本质上是由环氧分子和胺制成的。将这两者混合在一起会引发化学反应，导致这些分子形成一个闭链，其结构比其他聚合物（如乙烯基酯）更规则。

“简单地说，预浸料的生产就是在严格控制的工艺中有效地结合树脂基质和适当的增强材料。一般来说，树脂成分混合后会引发聚合反应，预浸料的生产是一项敏感的操作，因此在整个生产过程中，我们都非常小心。一旦化学反应开始，你就有有限的时间来完成生产操作，以保证客户的质量和性能。

预浸料制造中使用的树脂基质是热固性树脂，它们在加热时不会熔化，而是会分解。未固化时，构成这组聚合物的短分子链粘度较低，非常适合纤维浸渍。树脂成分原材料在大型搅拌机中混合在一起，硬化剂引起的化学反应在这些短链之间形成键，形成非常坚固的 3D“交联”网络。

树脂混合后，有两个主要的转化过程。首先是直接涂覆，该过程将树脂立即均匀地分布在纤维增强材料上，适用于风能等重量级织物。第二种选择是薄膜涂覆，这种方法将一层薄薄的树脂涂在防粘纸上，适用于轻质织物/纤维结构，如赛车运动。薄膜涂覆允许您在浸渍纤维之前测试和校准树脂。从根本上讲，这都是关于过程控制的，我们在进行纤维浸渍之前确切地知道树脂的重量。

纤维

纤维选择首先要考虑价格与性能。从最终用途来看，每种纤维形式（玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维）都有不同的价值主张。在重量优化至关重要的赛车应用中，碳纤维是最佳解决方案，但并非所有碳纤维都相同。每种碳纤维的单位重量强度和刚度都不同。例如，3K 纤维意味着每束中有 3,000 根细丝，而一束是一束细丝。

单向和编织

一级方程式赛车市场的碳纤维增强材料通常有两种形式：编织或单向 (UD)。编织碳纤维通常使用斜纹编织，视觉上具有对角线图案。这种形式实现了开放的“松散”编织图案，使其更容易悬垂，在层压具有复杂曲线和轮廓的模具表面时特别有用。因此，编织织物在赛车运动中得到广泛使用，然而，在只需要在负载方向上具有强度的应用中，可以使用 UD，用编织织物包围以将其固定在一起。单向材料的原理是使所有纤维都沿同一方向排列，从而最大限度地发挥在该方向上实现的高强度的优势。

为了制造 UD 预浸料，需要将多个纤维线轴排列在纱架上，每个线轴提供一束碳纤维，其中的细丝被展开并排列整齐。然后，在制造过程中将树脂膜涂在纤维上。所涂树脂的量经过严格控制，以符合一级方程式车队所要求的公差。

生产编织预浸料的方法类似，增强材料以编织织物的形式输送到生产线，宽度通常为 1.25 米。与树脂层压在一起后，该工艺可控制浸渍水平。

碳纤维具有多种方向性，因此最终用途的可能性无穷无尽。因此，很容易理解为什么复合材料在现代赛车的许多领域得到如此广泛的应用。我们不仅可以改变纤维类型，从而改变强度、模量和纤维丝数量，还可以改变树脂类型、应用方式以及树脂与纤维的比例。这就是为什么制造复合材料以实现最佳性能如此复杂的原因，因为可以修改的参数太多了。