连续碳纤维增强热塑性单向预浸料-编制说明

T/CSTMXXXXX—202X《连续碳纤维增强热塑性单向预浸料》团体标准编制说明一、工作简况1.1任务来源标准化工作的重要意义就是通过标准对重复性的事物和概念达到统一，以获得最佳秩序和社会效益。2021年9月，江苏亨博复合材料有限公司向CSTM/FC03/TC10建筑材料领域委员会玻璃纤维及碳纤维技术委员会递交标准草案和项目建议书；2021年11月在南京召开线上+线下的CSTM/FC03/TC10建筑材料领域委员会玻璃纤维及碳纤维技术委员会一届四次年会上，江苏亨博复合材料有限公司针对标准项目立项的必要性、科学合理性、与现行法律法规强制性国家标准的协调配套情况、是否涉及专利的问题、参与起草单位组成和编制周期的合理性等方面向全体委员专家进行立项论证汇报，经论证，与会专家认为该标准项目科学、合理，制定必要性充足，参与起草单位组成和编制周期合理，同意标准项目上报；2022年3月，经中国材料与试验团体标准委员会（以下简称“CSTM标准委员会”）建筑材料领域委员会审查，CSTM标准委员会批准CSTM标准《连续碳纤维增强热塑性单向预浸料》立项，标准项目归口管理委员会为CSTM/FC03/TC10建筑材料领域委员会玻璃纤维及碳纤维技术委员会，该标准（中文版）立项编号为CSTMLX031000888—2022，标准（英文版）立项编号为CSTMLX031000888—2022E，标准牵头单位为江苏亨博复合材料有限公司，南京玻璃纤维研究设计院有限公司负责具体的编制任务。1.2标准制定的目的和意义增强材料是新材料产业的重要组成部分，作为《中国制造2025》制造强国战略提出的十大重点领域之一，新材料产业承担着引领材料工业升级换代，支撑战略性新兴产业发展，保障国民经济和国防军工建设等重要使命。连续碳纤维增强热塑性单向预浸料是以碳纤维为增强材料、以热塑性树脂为基体制成的一种单向增强的用于制造复合材料的中间材料，与热固性复合材料相比，热塑性预浸料具有很高的拉伸强度、韧性好、疲劳强度高、低密度、成型自由度大、易于成型、可重复加工、可回收利用、环境污染少，耐腐蚀等优异性能。尤其是以聚芳醚酮（PAEK）类（包括PEEK、PEK、PEKK、PEEKK等）和聚苯硫醚（PPS）类高性能热塑性树脂为基体增强连续碳纤维制备的预浸料，具有①热塑性树脂更高的熔点，可以使碳纤维增强热塑性树脂基复合材料具有更高的使用温度；②热塑性树脂内部氧化交联程度较低，相对于热固性碳纤维增强热塑性树脂基复合材料，热塑性碳纤维增强热塑性树脂基复合材料具有更高的损伤容限；③热处理对热塑性树脂的性能影响较小，因此可重复加工成型；④热塑性预浸料的存储对环境要求较低，可在常温环境中储存。1983年，英国ICI公司开发出连续碳纤维增强PEEK热塑性复合材料是应用最早的连续纤维增强热塑性复合材料。20世纪90年代之后，随着技术的发展，相继出现了以聚醚醚酮（Polyetheretherketone，PEEK）、聚酰亚胺（Polyimide，PI）、聚苯硫醚（Polyphenylenesulfide，PPS）等高性能热塑性聚合物，主要应用于飞机零部件的制造。进入21世纪后，美国、德国等发达国家将热塑性复合材料的应用和成型技术发展到民用领域，此外，除了在航空航天领域的应用，也被广泛应用到汽车工业、建筑、机械制造、体育用品、电气/电子以及注射成型制品等行业。我国在热塑性复合材料研究方面起步较晚，20世纪80年代后期才取得了一些研究成果。近年来，随着热塑性复合材料在航空航天（用于大飞机和航天器的次承力结构与非承力结构部件、火箭用电池槽及火箭发动机的零部件等）、电动汽车（用于汽车轮毂、发动机内罩、顶盖横梁、模块支架、车门的整体成型材料等）、石油化工（用于数字测井、海底集成管束、电连接器、电线电缆等）等应用领域需求的增加，热塑性复合材料成为塑料行业增长最快的产业之一，极大地促进了国内高校、科研院所和企业开展热塑性复合材料研发与产业化开发进程，加快热塑性预浸料产品进入公众视野。虽然近几年我国在热塑性复合材料研究方面有所突破，但是与欧美等发达国家相比，尤其是连续纤维增强热塑性复合材料方面，我们仍然处于技术水平较低、专业设备落后、理论知识不足的状态，产品产量、品种及性能与国外同类产品相比还有很大差距。因此，制定《连续碳纤维增强热塑性单向预浸料》团体标准，对该产品质量水平的提升、生产技术的进步具有重要的促进作用，支撑和保障该材料在汽车轻量化、国产大飞机、航空航天及石油化工等国家重点发展领域的应用需求，为推动我国新材料产业的发展提供重要的技术支撑。1.3标准制定工作的过程标准制定任务下达后，项目牵头单位江苏亨博复合材料有限公司联合南京玻璃纤维研究设计院有限公司成立了标准编制工作组，确定了项目负责人。原计划2022年4月在上海召开标准制定项目启动会暨第一次工作组会议，但因上海疫情突然爆发等原因导致会议被迫取消。直到7月，新冠疫情逐渐好转，编制组组织在南京召开标准项目启动会暨第一次工作组会议，会议邀请了中国石化上海石油化工股份有限公司、盛威达机械（昆山）有限公司等多家单位参加，会上对标准制定中所需遵循的基本原则、标准的基本构架、工作组成员组成和分工以及项目计划进度进行了充分的讨论和落实，同时结合各参会单位的意见，对标准的性能指标和试验方法进行讨论与确认，收集了生产企业的部分产品数据。按照分工和计划进度安排，期间多家工作组单位提供了各自的试验数据，交由南京玻璃纤维研究设计院整理汇总。编制组经过对试验方法进行研究和对指标的实测数据进行整理和分析，初步完成标准征求意见稿（初稿）和编制说明（初稿），并于2022年10月通过腾讯会议召开工作组第二次会议，讨论征求意见稿（初稿）和编制说明（初稿）。会上工作组成员提出产品分类应按照国际水准碳纤维拉伸性能的指标分为T300级、T700级、T800级；讨论碳纤维用热塑性树脂牌号、树脂含量及纤维含量等指标。根据第二次工作组会议的意见，编制组又补充了部分规格产品的验证试验并完善了征求意见稿和编制说明，并于2022年11月完成标准征求意见稿和编制说明，并向全行业和全社会征求意见，共发出征求意见函XX份。2022年12月，编制组收到回函XX份，其中XX份回函明确表示无意见，有建议或意见的回函XX份，提出意见共计XX条。2023年1月，编制组对XX条意见进行了逐一回复，其中采纳和部分采纳XX条,占比XX%，并形成了征求意见汇总处理意见表。2023年XX月XX日，编制组召开了第三次工作组会议暨标准送审稿讨论会，对XX条征求意见的处理意见进行了讨论，并形成一致回复意见，形成标准送审稿。标准编制组及工作任务分工见表1。表1标准编制组及工作任务分工起草单位编制组成员负责的工作任务南京玻璃纤维研究设计院有限公司吴永坤、崔军牵头、总体布局、把握进度杨剑平项目的组织协调，负责标准文本和编制说明的起草、试验数据整理分析、意见汇总处理陈李萱、屈会力、宋楠负责验证试验协调和进度把控江苏亨博复合材料有限公司孙攀、蔡超杰提供产品及技术支持、组织开展试验验证中国石化上海石油化工股份有限公司韩风负责标准文本和编制说明的技术把关、数据审核盛威达机械（昆山）有限公司周剑负责标准文本格式把关及相关会议组织二、标准编制原则和主要内容的说明2.1标准编制原则本文件参照GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》给出的规则起草。按以下原则进行编制：（1）根据热塑性预浸料的行业现状和技术发展成熟度，增强体为连续碳纤维纱，暂未考虑碳纤维织物；（2）本文件以高性能广泛应用的规模化生产的产品为对象，以成熟量产的耐高温PAEK类（PEEK、PEK、PEKK、PEEKK等）和PPS热塑性树脂作为基体，也为其他类型树脂留有发展的空间。2.2标准的主要内容2.2.1范围规定如下：“本文件规定了连续碳纤维增强热塑性单向预浸料（以下简称“预浸料”）的术语和定义、分类和标记、要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输及贮存。本文件适用于以热塑性树脂为基体，以连续碳纤维为增强材料，通过一定生产工艺制成的一种单向增强的，可用于制备热塑性复合材料的中间材料。”在范围中，明确规定了本文件的适用范围，是“以连续碳纤维为增强材料、以热塑性树脂为基体生产的一种单向的、用于制备热塑性复合材料的中间材料”。其中的“连续碳纤维”、“热塑性树脂”、“单向增强”等词语明确的规定了本文件的适用对象。2.2.2规范性引用文件主要内容是标准引用的基础标准及试验方法标准，标准均为不带年代号引用，其最新版本（包括所有的修改单）适用。2.2.3术语和定义由于热塑性单向预浸料是一种全新的复合材料中间体，所以，针对产品的名称进行了定义，确定了以连续碳纤维为增强材料，“一定生产工艺”包含了目前主流的熔融浸渍法、溶液浸渍法、粉末流化浸渍法及其它生产方法，为未来的生产技术发展预留了空间。该产品定义在工作组会议上由业内知名专家进行了充分的讨论，并准确清晰的进行了阐述。2.2.4分类和代号产品按基体树脂种类分为PAEK类（PEEK、PEK、PEKK、PEEKK等）、PPS及其他热塑性树脂基体，涵括了目前国内外最常用的耐高温型热塑性树脂，并给出了不同树脂基体产品的分类空间。产品中碳纤维力学性能、碳纤维的含量以及生产的工艺等多种因素对产品的力学性能产生影响，因此按照原材料碳纤维主要应用性能——力学性能，将预浸料分为三种类型：T300级、T700级、T800级。2.2.5产品要求、试验方法和指标确定标准制定过程中，项目组多次召开工作组会议，并与行业内主要专家、生产厂商技术人员、企业标准负责人等进行多次讨论，确定验证试验的方案，验证试验主要针对物理性能和力学性能两方面开展，根据验证试验的结果，确定本标准的试验方法和技术指标要求。具体内容及说明如下：原材料热塑性预浸料用增强材料为T300级、T700级和T800级3种不同品级的连续碳纤维，并对其力学拉伸性能进行了要求，同时应满足适用于热塑性预浸料产品性能要求的耐高温型热塑性树脂，如PAEK类（PEEK、PEK、PEKK、PEEKK等）、PPS类等热塑性树脂基体。编制组选取不同品级的连续碳纤维样品进行拉伸强度和拉伸弹性模量的验证试验，如表2所示。表2碳纤维力学性能验证试验结果品级编号拉伸强度MPa平均值MPa拉伸弹性模量GPa平均值GPaT300级13723365223823823659237336122384358923953678240T700级650325059241240749982408508924295122239105055238T800级1158895908298299125903297135922299145895299155935301由表2可知，不同品级的碳纤维样品力学性能实测值均在相应的目标设定值范围内。因此，连续碳纤维依据其拉伸强度和拉伸强度模量不同，将其分为T300级、T700级和T800级，具体设定的拉伸强度和拉伸强度模量边界值见表3要求。表3碳纤维力学性能指标要求品级项目单位指标T300级拉伸强度MPa≥3500拉伸弹性模量GPa≥230T700级拉伸强度MPa≥4900拉伸弹性模量GPa≥240T800级拉伸强度MPa≥5800拉伸弹性模量GPa≥290（2）外观单向预浸料的外观要求主要为：浸渍良好，均匀无干丝和劈裂，不得有褶皱和损伤。（3）物理性能预浸料面密度、纤维面密度以及树脂含量均是反映预浸料物理性能的重要参数。其中预浸料纤维面密度是影响预浸料力学性能的重要指标，纤维含量越高，材料的拉伸强度和模量越高；预浸料面密度是产品均匀性的重要评价指标，是复合材料加工、设计、结构计算和验证必不可少的重要参数；预浸料树脂含量对预浸料的力学性能影响很大，树脂是否均匀浸透纤维直接影响预浸料外观和力学性能。编制组选取6批次样品对预浸料面密度、纤维面密度和树脂含量进行了验证试验，并分别按公式（1）、（2）和（3）进行计算，结果见表4所示。ρAQUOTEρAρAQUOTEmm——预浸料试样的质量，单位为克（g）；QUOTEAA——预浸料试样的面积，单位为平方米（㎡）。ρ式中：QUOTEρFρF——预浸料纤维面密度，单位为克每平方米（g/㎡）；QUOTETtTtQUOTENN——预浸料纤维束数量；QUOTEdd——预浸料宽度，单位为米（m）。R=式中：QUOTERR——预浸料树脂含量，用百分数（%）表示；QUOTEρAρA——预浸料面密度，单位为克每平方米（g/㎡）；QUOTEρFρF表4预浸料物理性能验证试验结果试样批次编号预浸料面密度纤维面密度树脂含量标称值（g/㎡）实测值（g/㎡）偏差/%标称值（g/㎡）实测值（g/㎡）偏差/%标称值（%）实测值（%）偏差12092152.91401453.63333.7+0.722092173.81401442.93335.8+2.832092152.91401442.93333.7+0.742092163.31401453.63334.7+1.752092142.41401432.13335.2+2.262092121.414014003332.8-0.2由表4可知，6批次试样的实测值与企业标称值的偏差值均可控在相应的范围内。因此，预浸料面密度允许偏差值设定为±5%，纤维面密度允许偏差设定为±5%，树脂含量允许偏差控制在（33±3）%，客户如有其他要求，也可定制，允许偏差控制在（XX±3）%，详见表5中的质量要求。表5预浸料物理性能指标要求项目预浸料面密度允许偏差%纤维面密度允许偏差%树脂含量%单向碳纤维预浸料±5±533±3客户如有其他要求，也可定制，允许偏差±3。（4）规格尺寸热塑性预浸料一般以卷状形式交付，由于产品的卷长一般较长，不便于测量，因此，考虑到客户使用情况，通常只确定预浸料整卷质量、厚度和宽度的允许偏差，其中标准对预浸料的卷重提出不允许负偏差的要求。在预浸料宽度方面，采用分度值为0.5mm，长度不小于预浸料幅宽的钢直尺沿着预浸料长度方向至少间隔100cm进行6次测量，取平均值，以毫米为单位，保留到小数点后一位，宽度试验验证结果见表6所示。表6预浸料宽度试验结果编号预浸料宽度标称值（mm）实测值（mm）偏差/%1150.0149.00.672150.0148.51.003150.0149.50.334150.0150.00.005150.0149.50.336150.0147.51.67在预浸料厚度方面，若单纯采用分度值为0.001mm的螺旋测微计进行预浸料厚度测试，取样难度相对较大，准确性不高，数据离散性较大，采用测试层合板厚度的方式，按公式（4）计算单层热塑性预浸料的厚度，结果见表7所示。ℎ=Hf⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(4)QUOTE式中：QUOTE——预浸料厚度，单位为毫米（mm）；QUOTE——层合板厚度，单位为毫米（mm）；QUOTE——预浸料层数。表7预浸料厚度试验结果项目试样批次编号12345板材厚度mm2.1022.1432.1762.1252.0802.1052.1362.1692.0662.2102.1272.1282.1582.1582.1102.1382.122.0892.0852.1502.1532.1132.0612.1482.168预浸料单层层数1616161616标称值/㎜0.1300.1300.1300.1300.130单层最小平均实测厚度/mm0.1310.1320.1290.1290.130偏差/%0.81.5-0.8-0.80.0单层最大平均实测厚度/mm0.1350.1340.1360.1350.138偏差/%3.83.14.63.86.2目前国内常规生产热塑性预浸料的设备幅宽一般为600㎜，其余尺寸可与商家自行商定进行定制，同时考虑到碳纤维热塑性预浸料处于刚起步阶段，各个企业生产工艺不太稳定，而且客户对宽度要求偏差不一致，从表6可以看出热塑性预浸料宽度允许偏差均在2.00%以内，但为了满足不同客户的需求和企业长久稳定生产，故将预浸料宽度的允许偏差设定为±5%。由表7可知，预浸料单层厚度通过层合板测试，再计算单层预浸料厚度，与企业标称值的偏差值均可控制在相应的范围内，标准的制定在于促进生产和研发，因此厚度的偏差相对实际测试允许的偏差范围更大，设定为±10%，防止该标准制定以后阻碍企业生产和出货。热塑性预浸料的宽度、厚度和卷重的允许偏差见表8所示。表8宽度、厚度和卷重允许偏差项目宽度%厚度%卷重%允许偏差±5±10不允许负偏差层合板力学性能碳纤维热塑性预浸料作为一种新型复合材料中间体材料，因其模量高、强度高、成型性好、密度小等诸多优点，被设计人员通过合理的复合材料铺层设计、结构设计以及合适的制造工艺，制备成碳纤维增强复合材料层合板，广泛应用于汽车、风电、航天航空等领域。碳纤维增强复合材料层合板属于典型的各向异性材料，测定层合板的力学性能能够反映预浸料产品的性能差异，尤其是拉伸性能、层间剪切性能和压缩性能。分别根据GB/T3354《定向纤维增强聚合物基复合材料拉伸性能试验方法》、GB/T3856《单向纤维增强塑料平板压缩性能试验方法》和JC/T773《纤维增强塑料短梁法测定层间剪切强度》对层合板0°（或径向）拉伸性能、压缩性能和层间剪切强度进行验证试验，结果见表9、表10、表11、表12、表13和表14。表9层合板0°（或径向）拉伸性能试验结果（PAEK类）试样批次编号T300级T700级T800级0°拉伸强度（MPa）0°拉伸弹性模量（GPa）0°拉伸强度（MPa）0°拉伸弹性模量（GPa）0°拉伸强度（MPa）0°拉伸弹性模量（GPa）1207412022571192728142.62207911924561222799145.83217712223561232973144.84226212122981242911138.65219912324051212697142.9平均值215812123541222821142.9标准差811.679.91.9117.92.8离散系数（%）3.71.33.41.64.22.0表10层合板0°拉伸性能试验结果（PPS类）试样批次编号T300级T700级T800级0°拉伸强度（MPa）0°拉伸弹性模量（GPa）0°拉伸强度（MPa）0°拉伸弹性模量（GPa）0°拉伸强度（MPa）0°拉伸弹性模量（GPa）11802122212212725321352185612321581282458140317891242198125257213641924121225812924331345184512020741272624138平均值184312221621272524137标准差53.21.670.51.579.12.4离散系数（%）2.91.33.31.23.11.8表11层合板0°压缩性能试验结果（PAEK类）试样批次编号T300级T700级T800级0°压缩强度（MPa）0°压缩弹性模量（GPa）0°压缩强度（MPa）0°压缩弹性模量（GPa）0°压缩强度（MPa）0°压缩弹性模量（GPa）11268119130312715121442121912113361301428149313251241436129151414741276121137712813871475134212514281311494143平均值128612213761291467146标准差492.457.51.656.82.4离散系数（%）3.82.04.21.23.91.6表12层合板0°压缩性能试验结果（PPS类）试样批次编号T300级T700级T800级0°压缩强度（MPa）0°压缩弹性模量（GPa）0°压缩强度（MPa）0°压缩弹性模量（GPa）0°压缩强度（MPa）0°压缩弹性模量（GPa）11104119122212312561352118911812971221304138311211241213120126913641223122123612312961355110311712971171403136平均值114812012531211306136标准差54.82.941.02.557.81.2离散系数（%）4.72.43.32.14.40.9表13层合板0°层间剪切性能试验结果（PAEK类）试样批次编号T300级T700级T800级0°层间剪切强度（MPa）0°层间剪切强度（MPa）0°层间剪切强度（MPa）1929810529093102391961094929710659091109平均值9195106标准差12.92.9离散系数（%）1.13.12.7表14层合板0°层间剪切性能试验结果（PPS类）试样批次编号T300级T700级T800级0°层间剪切强度（MPa）0°层间剪切强度（MPa）0°层间剪切强度（MPa）18789902848791385908948585945898996平均值868892标准差222.9离散系数（%）2.32.33.2根据表9～14的验证试验结果，特设定层合板力学性能指标要求见表15、表16。表15层合板力学性能要求（PAEK类）项目T300级T700级T800级0°（或径向）拉伸强度/MPa≥2000≥2200≥27000°（或径向）拉伸弹性模量/GPa≥120≥120≥1400°（或径向）压缩强度/MPa≥1200≥1300≥14000°（或径向）压缩弹性模量/GPa≥120≥125≥1400°（或径向）层间剪切强度/MPa≥90≥90≥100表16层合板力学性能要求（PPS类）项目T300级T