第一篇：碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料性能的研究

碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料性能的研究

摘 要：碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料以其優(yōu)異的綜合性能成為當(dāng)今世界材料學(xué)科研究的 重點(diǎn)。本文介紹了的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的性能，簡(jiǎn)述了增強(qiáng)機(jī)理、成型工藝及其應(yīng)用領(lǐng) 域和發(fā)展趨勢(shì)。

新材料的研究、發(fā)展與應(yīng)用一直是當(dāng)代高新技術(shù) 的重要內(nèi)容之一。其中復(fù)合材料，特別是先進(jìn)復(fù)合材料 在新材料技術(shù)領(lǐng)域占有重要的地位，對(duì)促進(jìn)世界各國(guó) 軍用和民用領(lǐng)域的高科技現(xiàn)代化，起到了至關(guān)重要的 作用，因此近年來(lái)倍受重視。

復(fù)合材料(Composite materials)，是以一種材料為基體(Matrix)，另一種材料為增強(qiáng)體(reinforcement)組合而成的材料。各種材料在性能上互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復(fù)合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹(shù)脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強(qiáng)材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質(zhì)細(xì)粒等?！?】

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)是目前最先進(jìn)的復(fù)合 材料之一。它以輕質(zhì)高強(qiáng)、耐高溫、抗腐蝕、熱力學(xué)性能 優(yōu)良等特點(diǎn)廣泛用作結(jié)構(gòu)材料及耐高溫抗燒蝕材料，而這些優(yōu) 異的性能可使碳纖維成為一種十分良好的增強(qiáng)材 料。目前，碳纖維大部分應(yīng)用于碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基 復(fù) 合 材 料（Carbon Fiber Reinforced Polymer Composite，簡(jiǎn)稱CFRP）。是其它纖維增強(qiáng)復(fù)合材料所無(wú)法比擬的。因?yàn)榄h(huán)氧樹(shù)脂的熱機(jī)械 性能、抗蠕變性能、粘接性能優(yōu)異而且吸濕性好； 固化收縮率和線膨脹系數(shù)??；固化溫度較低；較高 溫度下穩(wěn)定性好；尺寸穩(wěn)定性、綜合性能好[2]；而 且又與有機(jī)材料的浸潤(rùn)性能好等優(yōu)點(diǎn)，所以近年來(lái) 應(yīng)用最多的就是碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。目 前為止，CFRP 可以應(yīng)用于航空、航天，體育用品，交通工具，建筑材料等多個(gè)領(lǐng)域。無(wú)論是軍用還 是民用，隨著研究的不斷深入和工廠的大規(guī)模生產(chǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域更為廣闊。

碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的性能【10】

碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料具有一系列的優(yōu)異性能, 主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）具有高的比強(qiáng)度和比模量。CFRP的密度僅為 鋼材的 1/5，鈦合金的 1/3，比鋁合金和玻璃鋼（GFRP）還輕，使其比強(qiáng)度（強(qiáng)度 / 密度）是高強(qiáng)度鋼、超硬鋁、鈦合金的4倍左右，玻璃鋼的2倍左右；比模量（模量/ 密度）是它們的3倍以上。CFRP輕而剛、剛而強(qiáng)的特性 是其廣泛用于宇航結(jié)構(gòu)材料最基本的性能。

（2）耐疲勞。在靜態(tài)下，CFRP 循環(huán) 105 次、承受 90%的極限強(qiáng)度應(yīng)力時(shí)才被破壞，而鋼材只能承受極 限強(qiáng)度的 50%左右。對(duì)于碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材 料，在應(yīng)力作用下呈現(xiàn)粘彈性材料的疲勞特性，顯示出 耐疲勞特性。CFRP呈現(xiàn)出良好的抗蠕變性能，這可能 與碳纖維的剛性有關(guān)。

（3）熱膨脹系數(shù)小。碳纖維的熱膨脹系數(shù)α具有 顯著的各向異性，使其復(fù)合材料的α也具有各向異 性。

（4）耐磨擦，抗磨損。CFRP 有優(yōu)良的耐疲勞特 性、熱膨脹系數(shù)小和熱導(dǎo)率高的特性，具耐磨擦、抗磨 損的基本性能。再加之碳纖維具有亂層石墨結(jié)構(gòu)，自 潤(rùn)滑性好，適用于摩擦磨損材料。比磨耗量可用以下 三式表示。

Wr=KLa

a=(b+2)/ 3

N=（So /S）/ b

式中Wr 為比磨耗量； K為比例常數(shù)； S為循環(huán)作 用的應(yīng)力； So 為材料的拉伸強(qiáng)度； N為斷裂時(shí)的循環(huán)次 數(shù)。CFRP具有高的拉伸強(qiáng)度，是優(yōu)良的摩擦材料。

（5）耐蝕性。碳纖維的耐蝕性非常優(yōu)異，在酸、堿、鹽和溶劑中長(zhǎng)期浸泡不會(huì)溶脹變質(zhì)。CFRP 的耐蝕性 主要取決于基體樹(shù)脂。長(zhǎng)期在酸、堿、鹽和有機(jī)溶劑環(huán) 境中，刻蝕、溶脹等使其變性、腐蝕，導(dǎo)致復(fù)合材料性能 下降。

（6）耐水性好。碳纖維復(fù)合材料的耐水性好，可長(zhǎng) 期在潮濕環(huán)境和水中使用。一般沿纖維方向(0°)的強(qiáng)度 保持率較高，垂直于纖維方向(90o)的保持率較低。這可 能與基體樹(shù)脂的吸濕、溶脹有關(guān)。

（7）導(dǎo)電性好。碳纖維具有導(dǎo)電性能。對(duì)于 CFRP 導(dǎo)電性能來(lái)自碳纖維，基體樹(shù)脂是絕緣體。因此，CFRP 的導(dǎo)電性能也具有各向異性。

（8）射線透過(guò)性。CFRP對(duì) X射線透過(guò)率大，吸收 率小，可在醫(yī)療器材（如 X光機(jī)）方面應(yīng)用。增強(qiáng)機(jī)理 碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料是以聚合物為基體(連續(xù)相)，纖維為增強(qiáng)材料(分散相)組成的復(fù)合材料。纖維材料的強(qiáng)度和模量一般比基體材料高得多，使它 成為主要的承載體。但是必須有一種粘接性能好的基 體材料把纖維牢固地粘接起來(lái)。同時(shí)，基體材料又能起到使外加載荷均勻分布，并傳遞給纖維的作用【11】。

這種復(fù)合材料的特點(diǎn)是，在應(yīng)力作用下，使纖維的 應(yīng)變與基體樹(shù)脂的應(yīng)變歸于相等，但由于基體樹(shù)脂的 彈性模量比纖維小得多，且易塑性屈服，因而當(dāng)纖維和 基體處在相同應(yīng)變時(shí)，纖維中的應(yīng)力要比基體中的應(yīng) 力大得多，致使一些有裂口的纖維先斷頭，然而由于斷 頭部分受到粘著它的基體的塑性流動(dòng)的阻礙，斷纖維 在稍離斷頭的未斷部分仍然與其周?chē)磾嗬w維一樣承 擔(dān)相同的負(fù)荷。復(fù)合增強(qiáng)的另一原因是基體抑制裂紋 的效應(yīng)，柔軟基體依靠切變作用使裂紋不沿垂直方向 發(fā)展而發(fā)生偏斜，導(dǎo)致斷裂能有很大一部分用于抵抗 基體對(duì)纖維的粘著力，從而使銀紋在 CFRP 整個(gè)體積 內(nèi)得到一致，而使抵抗裂紋產(chǎn)生、生長(zhǎng)、斷裂以及裂紋 傳播的能力都大為提高。因此，CFRP的力學(xué)性能得到 很大的改善和提高【12】。實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

碳纖維（12K/T-300）：臺(tái)灣臺(tái)塑廠；環(huán)氧樹(shù)脂 E51：星辰化工無(wú)錫樹(shù)脂廠；固化劑：二乙烯三胺（DETA）分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；活 性稀釋劑：市售。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備 電子天平：H10KS，上海儀器總廠；電熱恒溫 鼓風(fēng)干燥箱：DHG-9030 型，上海精密實(shí)驗(yàn)設(shè)備有 限公司；攪拌器：DF-1 型，榮華儀器制造有限公 司；模具：自制。

1.3 復(fù)合材料的制備

（1）將碳纖維干燥，條件為：150 ℃/2 h；（2）按規(guī)定配比配制樹(shù)脂膠液；

（3）采用手糊成型工藝制作層合板，并固化，固化條件為 100 ℃/3 h + 150 ℃/2 h；

（4）用萬(wàn)能制樣機(jī)切割標(biāo)準(zhǔn)樣條；

其中制作的層合板長(zhǎng)寬為 200 mm×200 mm，厚度為 5 mm 的方形板材，基體樹(shù)脂每層用量為 20 g，碳纖維每層平鋪，一共為 8 層，層與層之間的碳 纖維絲束成十字交叉排列。

試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 碳纖維含量對(duì)硬度的影響 顯微硬度試驗(yàn)結(jié)果示于圖 1?？梢钥闯? 隨著 碳纖維含量的增加, 試樣的硬度呈現(xiàn) S 形增加趨 勢(shì), 增加幅度由小到大又由大到小。碳纖維是脆性 材料, 具有高的強(qiáng)度和比模量, 所以加入碳纖維能提 高試樣的硬度[ 5]?；w是樹(shù)脂材料, 其硬度較低, 當(dāng) 碳纖維含量較低時(shí), 由于在基體中較分散, 所以對(duì)顯 微硬度的貢獻(xiàn)較小;當(dāng)碳纖維含量> 10%, 碳纖維的 作用變的非常明顯, 所以硬度有較大幅度的增加;但 是, 當(dāng)碳纖維含量> 25% , 碳纖維的增強(qiáng)作用逐漸達(dá) 到飽和, 硬度的增加速度開(kāi)始下降?？傊? 碳纖維的 加入對(duì)硬度的提高非常明顯。

圖y為不同碳纖維含量樣品的電導(dǎo)率。從中可 以看出, 當(dāng)碳纖維含量< 10%時(shí), 電阻隨纖維含量的 增加急劇下降;當(dāng)碳纖維含量> 10%時(shí), 體積電阻的 變化趨于平緩, 電阻值的下降與碳纖維含量的增加 并不成正比, 有一個(gè)滲濾閥值, 這個(gè)滲濾閥值約為 15%。這表明, 碳纖維/ 酚醛樹(shù)脂復(fù)合體系在碳纖維 含量為 15%以上, 試樣具有一定的導(dǎo)電性能[ 6]。

上述結(jié)果可用以下理論解釋, 當(dāng)復(fù)合體系中導(dǎo) 電填料的含量在達(dá)到一個(gè)臨界值前, 其電阻率急劇 下降, 在電阻率導(dǎo)電填料含量曲線上出現(xiàn)一個(gè)狹窄 的突變區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi), 導(dǎo)電填料含量的任何細(xì) 微變化均會(huì)導(dǎo)致電阻率的顯著改變, 這種現(xiàn)象通常 稱為滲濾現(xiàn)象, 導(dǎo)電填料的臨界含量稱為滲濾閥值。在突變區(qū)域之后, 即使導(dǎo)電填料含量繼續(xù)提高, 復(fù)合 材料的電阻率變化甚小, 這反映在突變點(diǎn)附近導(dǎo)電 填料的分布開(kāi)始形成導(dǎo)電通路網(wǎng)絡(luò)。導(dǎo)電高分子材 料的導(dǎo)電現(xiàn)象是由導(dǎo)電填料的直接接觸和填料間隙 之間的隧道效應(yīng)的綜合作用產(chǎn)生的;或者說(shuō)是由導(dǎo) 電通道、隧道效應(yīng)和場(chǎng)致發(fā)射三種導(dǎo)電機(jī)理競(jìng)相作 用的結(jié)果。在低導(dǎo)電填料含量及低外加電壓下, 導(dǎo) 電粒子間距較大, 形成鏈狀導(dǎo)電通道的幾率極小, 這 時(shí)隧道效應(yīng)起主要作用;在低導(dǎo)電填料含量和高外 加電壓時(shí), 場(chǎng)致發(fā)射理論變得顯著;在高導(dǎo)電填料含 量下, 導(dǎo)電粒子的間距小, 形成鏈狀導(dǎo)電通道幾率較 大, 這時(shí)導(dǎo)電通道機(jī)理的作用明顯增大[ 7]。

碳纖維含量對(duì)耐磨性的影響

試樣磨損完畢后, 每個(gè)試樣磨損前、后的質(zhì)量磨 損量與碳纖維含量的關(guān)系如圖 3 所示。從圖 3 可以 看出, 隨著碳纖維含量的增加, 復(fù)合材料的磨損率下 降、耐磨性能提高, 且提高程度隨著碳纖維含量的增加而減小, 最后趨于不變。

綜上所述，碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料品種結(jié)構(gòu) 變化繁多，加工成型技術(shù)不斷更新，基礎(chǔ)理論研究方興 未艾，應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，這些事實(shí)充分證明了這一材料在工程塑料中的領(lǐng)先地位。隨著基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研 究的不斷深入，該材料在取代金屬、節(jié)約能源、特殊專 用等方面將發(fā)揮獨(dú)特的作用，其巨大的潛力必將得到 進(jìn)一步挖掘。

總結(jié)碳纖維復(fù)合材料的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用有以下幾個(gè)方面: 4.1 航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用[13] 碳纖維復(fù)合材料與鋼材相比其質(zhì)量減輕 75%，而 強(qiáng)度卻提高 4 倍，其最早最成熟的應(yīng)用當(dāng)屬在航空航 天領(lǐng)域，如軍用飛機(jī)、無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)及導(dǎo)彈、火箭、人造衛(wèi) 星等。早在 1970 年代初期，美國(guó)軍用 F-14 戰(zhàn)斗機(jī)就部 分采用碳纖維復(fù)合材料作為主承力結(jié)構(gòu)。在民用航空 領(lǐng)域，如波音 767 和空中客車(chē) A310 中，碳纖維復(fù)合材 料也占到了結(jié)構(gòu)質(zhì)量的 3%和 5%左右。近幾年隨著碳 纖維工業(yè)技術(shù)和航空航天事業(yè)的不斷發(fā)展，碳纖維在 這一領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛，如用于制造人造衛(wèi)星支架、衛(wèi)星天線、航天飛機(jī)的機(jī)翼、火箭的噴焰口、戰(zhàn)略導(dǎo)彈 的末級(jí)助推器、機(jī)器人的外殼等。

4.2 體育休閑領(lǐng)域的應(yīng)用 體育休閑用品是碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的另一個(gè)重 要領(lǐng)域，如高爾夫球桿、滑雪板、滑雪車(chē)、網(wǎng)球拍、釣魚(yú) 竿等。用碳纖維復(fù)合材料制成的球拍與傳統(tǒng)的鋁合金 球拍相比，其質(zhì)量更輕、手感和硬度更好、對(duì)震蕩和振 動(dòng)的吸收也更好，且使用壽命大大延長(zhǎng)。同時(shí)由于復(fù)合 材料本身的可設(shè)計(jì)性，使得制造商在球拍的硬度、彈 性、球感、擊球性能的設(shè)計(jì)上，有了更大的想象空間。而 碳纖維釣魚(yú)竿由于其良好的韌性與耐用性，更是被廣 泛青睞。近年來(lái)，碳纖維復(fù)合材料在運(yùn)動(dòng)及休閑型自行 車(chē)零組件方面的應(yīng)用也非常廣泛。

4.3 交通運(yùn)輸領(lǐng)域 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在交通運(yùn)輸方面主要是汽車(chē) 骨架、螺旋槳芯軸、輪轂、緩沖器、彈簧片、引擎零件、船 舶的增強(qiáng)材料等，尤其在汽車(chē)方面的應(yīng)用更是潛力巨 大。早在 1979 年，福特汽車(chē)公司就在實(shí)驗(yàn)車(chē)上作了試 驗(yàn)，將其車(chē)身、框架等 160 個(gè)部件用碳纖維復(fù)合材料制 造，結(jié)果整車(chē)減重 33%，汽油的利用率提高了 44%，同 時(shí)大大降低了振動(dòng)和噪音。

4.5 其他工業(yè)領(lǐng)域 防彈產(chǎn)品方面，包括防彈頭盔、防彈服、防彈運(yùn)鈔 車(chē)和防彈汽車(chē)等；電子工業(yè)方面，包括各種反射面天 線、印刷電路板、殼架等；生物工程和人體醫(yī)學(xué)方面，包括人造關(guān)節(jié)、骨骼、CT掃瞄床板等；地鐵車(chē)輛、發(fā)熱 材料和電熱用品以及機(jī)械制造工業(yè)等復(fù)合材料產(chǎn)品 多種多樣，層出不窮，充分體現(xiàn)了其應(yīng)用多元化的趨 勢(shì)和特點(diǎn)。

【1】360百科

［2］ 張金祥．新型 BMI/環(huán)氧樹(shù)脂共固化體系的研究[D].大連：大連理 工大學(xué)，2011．

10張曉虎,孟宇,張煒.碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨 勢(shì).纖維復(fù)合材料,2004,30(1):50～58.王汝敏,鄭水蓉,鄭亞萍.聚合物基復(fù)合材料及工藝.北京:科學(xué) 出版社,2004.12彭樹(shù)文.碳纖維增強(qiáng)尼龍66的研究.工程塑料應(yīng)用 13 蘇小萍.碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀.高科技纖維與應(yīng) 用, 2004,29(5):34～36.

第二篇：碳纖維材料的性能

碳纖維材料的性能及應(yīng)用

摘要：介紹了碳纖維及其增強(qiáng)復(fù)合材料，詳細(xì)介紹了碳纖維復(fù)合材料的分類和特性,著重闡述了碳纖維及其復(fù)合材料在高新技術(shù)領(lǐng)域和能源、體育器材等民用領(lǐng)域的應(yīng)用，并對(duì)未來(lái)碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：碳纖維性能應(yīng)用 0引言

碳纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高剛度、優(yōu)良的減振性、耐疲勞和耐腐蝕等優(yōu)異性能。以高性能碳纖維復(fù)合材料為典型代表的先進(jìn)復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)、功能或結(jié)構(gòu)/功能一體化材料，不僅在國(guó)防戰(zhàn)略武器建設(shè)中具有不可替代性，在綠色能源建設(shè)、節(jié)約能源技術(shù)發(fā)展和促進(jìn)能源多樣化過(guò)程中也將發(fā)揮極其重要的作用。若將先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料在國(guó)防領(lǐng)域的應(yīng)用水平和規(guī)模視作國(guó)家安全的重要保證，則碳纖維復(fù)合材料在交通運(yùn)輸、風(fēng)力發(fā)電、石油開(kāi)采、電力輸送等領(lǐng)域的應(yīng)用將與有效減少溫室氣體排放、解決全球氣候變暖等環(huán)境問(wèn)題密切相關(guān)。隨著對(duì)碳纖維復(fù)合材料認(rèn)識(shí)的不斷深化，以及制造技術(shù)水平的不斷提升，碳纖維復(fù)合材料在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用研究與裝備不斷取得進(jìn)展，借鑒國(guó)際先進(jìn)的碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，牽引高性能碳纖維及其復(fù)合材料的國(guó)產(chǎn)化步伐，對(duì)于改變經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、節(jié)能減排具有重要的戰(zhàn)略意義。

1碳纖維材料

1.1何為碳纖維材料

碳纖維是一種含碳量在9 2% 以上的新型高性能纖維材料, 具有重量輕、高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐磨、耐腐蝕、抗疲勞、導(dǎo)電、導(dǎo)熱和遠(yuǎn)紅外輻射等多種優(yōu)異性能, 不僅是21 世紀(jì)新材料領(lǐng)域的高科技產(chǎn)品, 更是國(guó)家重要的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)材料, 政治、經(jīng)濟(jì)和軍事意義十分重大。碳纖維分為聚丙烯睛基、瀝青基和粘膠基3種, 其中90 % 為聚丙烯睛基碳纖維。聚丙烯睛基碳纖維的生產(chǎn)過(guò)程主要包括原絲生產(chǎn)和原絲碳化兩部分。用碳纖維與樹(shù)脂、金屬、陶瓷、玻璃等基體制成的復(fù)合材料, 廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域體育休閑領(lǐng)域以及汽車(chē)制造、新型建材、信息產(chǎn)業(yè)等工業(yè)領(lǐng)域。1.2碳纖維的特點(diǎn)

碳纖維是纖維狀的碳材料, 由有機(jī)纖維原絲在1 000 以上的高溫下碳化形成, 且含碳量在90%以上的高性能纖維材料。碳纖維主要具備以下特性:

(1)密度小、質(zhì)量輕, 碳纖維的密度為1.5~ 2 g /cm3, 相當(dāng)于鋼密度的1 /

4、鋁合金密度1/2;(2)強(qiáng)度、彈性模量高, 其強(qiáng)度比鋼大4~ 5倍, 彈性回復(fù)為100%;(3)熱膨脹系數(shù)小, 導(dǎo)熱率隨溫度升高而下降, 耐驟冷、急熱, 即使從幾千攝氏度的高溫突然降到常溫也不會(huì)炸裂

(4)摩擦系數(shù)小, 并具有潤(rùn)滑性;

(5)導(dǎo)電性好, 25 時(shí)高模量碳纖維的比電阻為775 cm, 高強(qiáng)度碳纖維則為1 500 cm;(6)耐高溫和低溫性好, 在3 000 非氧化氣氛下不熔化、不軟化, 在液氮溫度下依舊很柔軟, 也不脆化;

(7)耐酸性好, 對(duì)酸呈惰性, 能耐濃鹽酸、磷酸、硫酸等侵蝕。除此之外, 碳纖維還具有耐油、抗輻射的特性

2碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

盡管碳纖維可單獨(dú)使用發(fā)揮某些功能, 然而, 它屬于脆性材料, 只有將它與基體材料牢固地結(jié)合在一起時(shí), 才能利用其優(yōu)異的力學(xué)性能, 使之更好地承載負(fù)荷。因此, 碳纖維主要還是在復(fù)合材料中作增強(qiáng)材料。根據(jù)使用目的不同可選用各種基體材料和復(fù)合方式來(lái)達(dá)到所要求的復(fù)合效果。碳纖維可用來(lái)增強(qiáng)樹(shù)脂、碳、金屬及各種無(wú)機(jī)陶瓷, 而目前使用得最多、最廣泛的是樹(shù)脂基復(fù)合材料。2.1碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料

陶瓷具有優(yōu)異的耐蝕性、耐磨性、耐高溫性和化學(xué)穩(wěn)定性, 廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用產(chǎn)品。它的弱點(diǎn)是對(duì)裂紋、氣孔和夾雜物等細(xì)微的缺陷很敏感。用碳纖維增強(qiáng)陶瓷可有效地改善韌性, 改變陶瓷的脆性斷裂形態(tài), 同時(shí)阻止裂紋在陶瓷基體中的迅速傳播、擴(kuò)展。目前國(guó)內(nèi)外比較成熟的碳纖維增強(qiáng)陶瓷材料是碳纖維增強(qiáng)碳化硅材料, 因其具有優(yōu)良的高溫力學(xué)性能, 在高溫下服役不需要額外的隔熱措施,因而在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、可重復(fù)使用航天飛行器等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。2.2碳/碳復(fù)合材料

碳/碳復(fù)合材料是碳纖維增強(qiáng)碳基復(fù)合材料的簡(jiǎn)稱, 也是一種高級(jí)復(fù)合材料。它是由碳纖維或織物、編織物等增強(qiáng)碳基復(fù)合材料構(gòu)成。碳/碳復(fù)合材料主要由各類碳組成, 即纖維碳、樹(shù)脂碳和沉積碳。這種完全由人工設(shè)計(jì)、制造出來(lái)的純碳元素構(gòu)成的復(fù)合材料具有許多優(yōu)異性能, 除具備高強(qiáng)度、高剛性、尺寸穩(wěn)定、抗氧化和耐磨損等特性外, 還具有較高的斷裂韌性和假塑性。特別是在高溫環(huán)境中, 強(qiáng)度高、不熔不燃, 僅是均勻燒蝕。這是任何金屬材料無(wú)法與其比擬的。因此廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈彈頭, 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管以及飛機(jī)剎車(chē)盤(pán)等高科技領(lǐng)域。2.3碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是以碳纖維為增強(qiáng)纖維, 金屬為基體的復(fù)合材料。碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料與金屬材料相比, 具有高的比強(qiáng)度和比模量;與陶瓷相比, 具有高的韌性和耐沖擊性能, 金屬基體多采用鋁、鎂、鎳、鈦及它們的合金等, 其中, 碳纖維增強(qiáng)鋁、鎂復(fù)合材料的制備技術(shù)比較成熟。制造碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的主要技術(shù)難點(diǎn)是碳纖維的表面涂層, 以防止在復(fù)合過(guò)程中損傷碳纖維,從而使復(fù)合材料的整體性能下降。目前, 在制備碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料時(shí)碳纖維的表面改性主要采用氣相沉積、液鈉法等, 但因其過(guò)程復(fù)雜、成本高, 限制了碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的推廣應(yīng)用 2.4碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料

碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料(CFRP)是目前最先進(jìn)的復(fù)合材料之一。它以輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫、抗腐蝕、熱力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)廣泛用作結(jié)構(gòu)材料及耐高溫抗燒蝕材料, 是其他纖維增強(qiáng)復(fù)合材料所無(wú)法比擬的。碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料所用的基體樹(shù)脂主要分為兩大類, 一類是熱固性樹(shù)脂, 另一類是熱塑性樹(shù)脂。熱固性樹(shù)脂由反應(yīng)性低分子量預(yù)集體或帶有活性基團(tuán)高分子量聚合物組成;成型過(guò)程中, 在固化劑或熱作用下進(jìn)行交聯(lián)、縮聚, 形成不熔不溶的交聯(lián)體型結(jié)構(gòu)。在復(fù)合材料中常采用的有環(huán)氧樹(shù)脂、雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂、聚酰亞胺樹(shù)脂以及酚醛樹(shù)脂等。熱塑性樹(shù)脂由線型高分子量聚合物組成, 在一定條件下溶解熔融, 只發(fā)生物理變化。常用的有聚乙烯、尼龍、聚四氟乙烯以及聚醚醚酮等。在碳纖維增強(qiáng)樹(shù) 脂基復(fù)合材料中, 碳纖維起到增強(qiáng)作用, 而樹(shù)脂基體則使復(fù)合材料成型為承載外力的整體, 并通過(guò)界面?zhèn)鬟f載荷于碳纖維, 因此它對(duì)碳纖維復(fù)合材料的技 術(shù)性能、成型工藝以及產(chǎn)品價(jià)格等都有直接的影響。碳纖維的復(fù)合方式也會(huì)對(duì)復(fù)合材料的性能產(chǎn)生影響。在制備復(fù)合材料時(shí), 碳纖維大致可分為兩種類型: 連續(xù)纖維和短纖維。連續(xù)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料通常具有更好的機(jī)械性能, 但由于其制造成本較高,并不適應(yīng)于大規(guī)模的生產(chǎn)。短纖維復(fù)合材料可采用與樹(shù)脂基體相同的加工工藝, 如模壓成型、注射成型以及擠出成型等。當(dāng)采用適合的成型工藝時(shí), 短纖維復(fù)合材料甚至可以具備與連續(xù)纖維復(fù)合材料相媲美的機(jī)械性能并且適宜于大規(guī)模的生產(chǎn), 因此短纖維復(fù)合材料近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用。

李軍《碳纖維及其復(fù)合材料的研究應(yīng)用進(jìn)展》遼寧化工2010年9月第39卷第9期

3碳纖維及其復(fù)合材料的應(yīng)用

3.1高新技術(shù)領(lǐng)域

碳纖維復(fù)合材料因其獨(dú)特、卓越的性能，在航空領(lǐng)越特別是飛機(jī)制造業(yè)中應(yīng)用廣泛。統(tǒng)計(jì)顯示，目前，碳纖維復(fù)合材料在小型商務(wù)飛機(jī)和直升飛機(jī)上的使用量已占70％~80％，在軍用飛機(jī)上占30％~40％，在大型客機(jī)上占15％~50％。AV—8B 改型“鷂”式飛機(jī)是美國(guó)軍用飛機(jī)中使用復(fù)合材料最多的機(jī)種，其機(jī)翼、前機(jī)身都用了石墨環(huán)氧大型部件，全機(jī)所用碳纖維的重量約占飛機(jī)結(jié)構(gòu)總重量的26％，使整機(jī)減重9％，有效載荷比AV—8A飛機(jī)增加了一倍。數(shù)據(jù)顯示采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的前機(jī)身段，可比金屬結(jié)構(gòu)減輕質(zhì)量32.24%。用軍機(jī)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能的重要指標(biāo)——結(jié)構(gòu)重量系數(shù)來(lái)衡量，國(guó)外第四代軍機(jī)的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)已達(dá)到27～28%。未來(lái)以F-22 為目標(biāo)的背景機(jī)復(fù)合材料用量比例需求為35%左右，其中碳纖維復(fù)合材料將成為主體材料。在法國(guó)電信一號(hào)通信衛(wèi)星本體結(jié)構(gòu)中，帶有4 條環(huán)形加強(qiáng)筋的中心承力筒是由CFRP 制成的，它通過(guò)螺接連接在由CFRP 制成的儀器平臺(tái)上。衛(wèi)星的蒙皮是由T300 CFRP 制成。由于CFRP 的比模量高，在日本JERS-1 地球資源衛(wèi)星殼體內(nèi)部的500 mm 的推力筒、儀器支架、8 根支撐桿和分隔環(huán)都使用了M40JB CFRP，此外，衛(wèi)星的外殼、一些儀器的安裝板均采用了碳纖維/環(huán)氧蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室1997 年在國(guó)家導(dǎo)彈防御系統(tǒng)試驗(yàn)項(xiàng)目(BMDO CEP)支持下，成功設(shè)計(jì)并制造了以CFRP 為加強(qiáng)筋的AGS 整流罩，重量?jī)H37 kg，同類型鋁合金防護(hù)罩重97 kg，運(yùn)用纖維纏繞技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)，工藝周期縮短88%，比同類型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制造復(fù)合材料整流罩減重40%，成本降低20%

圖3 CEP 火箭有效載荷整流罩 Fig． 3 Payload fairing of CEP launch rocket 3.2民用領(lǐng)域

3.2.1碳纖維復(fù)合材料在體育器材上的應(yīng)用

像撐竿、高爾夫球桿、網(wǎng)球拍、自行車(chē)、滑雪板、皮劃艇等靠人力來(lái)使其運(yùn)動(dòng)的體育器材，人們希望其質(zhì)量越輕越好;即使是靠人力以外的其他動(dòng)力來(lái)使其運(yùn)動(dòng)的器材，如賽車(chē)、帆船、摩托艇等，在相同的條件下也以質(zhì)輕為好。碳纖維復(fù)合材料在此方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，其密度為1． 76 ～1． 80 g /cm3，所制復(fù)合材料密度為1． 50 ～1． 60 g /cm3，而鋼材約為7． 87 g /cm3、鋁材2． 7 g /cm3、鈦材4． 5 g /cm3。顯然，CFRP 要比金屬材料輕得多。3.2.1碳纖維在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用

葉片是風(fēng)力發(fā)電裝備的關(guān)鍵部件，它的質(zhì)量（W）隨葉片長(zhǎng)度（L）的三次方增加（W=A L3）。當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片質(zhì)量增長(zhǎng)到一定程度時(shí)，葉片質(zhì)量的增加幅度大于風(fēng)機(jī)能量輸出的增加，那么葉片長(zhǎng)度的增加則存在一個(gè)極值。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的長(zhǎng)度尺寸、剛性以及質(zhì)量代表著風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電水平，常規(guī)的玻璃纖維增強(qiáng)材料制備葉片已難以滿足葉片尺寸加大對(duì)剛性與質(zhì)量的綜合要。碳纖維復(fù)合材料優(yōu)異的抗疲勞特性和良好的導(dǎo)電特性，可有效減弱惡劣環(huán)境對(duì)葉片材料的損害，避 免雷擊對(duì)葉片造成的損傷求，在全球風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量快速增長(zhǎng)的今天，提高碳 纖維復(fù)合材料用量的長(zhǎng)葉片大容量風(fēng)機(jī)將成為主要趨勢(shì)。3.2.3碳纖維在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

鐵道部規(guī)劃在3 ～ 5 年內(nèi)，時(shí)速為160km / h 的車(chē)輛將達(dá)到50% 以上，約1 萬(wàn)5千輛，每輛車(chē)需剎車(chē)片32 片，共需約48 萬(wàn)片。車(chē)輛提速之前，鐵路客車(chē)和貨車(chē)的最高設(shè)計(jì)時(shí)速分別為120km / h 和80km / h。由于車(chē)輛速度每提高一倍，其制動(dòng)功率將增加8 倍，因此對(duì)提速車(chē)輛用制動(dòng)材料提出了相當(dāng)嚴(yán)格的技術(shù)要求。理論研究和實(shí)車(chē)運(yùn)營(yíng)狀況表明，現(xiàn)有的常規(guī)制動(dòng)材料，無(wú)論是摩擦系數(shù)和列 車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性，還是耐磨性、導(dǎo)熱性、制動(dòng)距離等均不能滿足提速車(chē)輛的需要碳纖維復(fù)合材料剎車(chē)片是國(guó)際上仍在不斷研究的新型制動(dòng)材料，它具有強(qiáng)度高、彈性模量適中、耐熱性好、重量輕、膨脹系數(shù)小、耐磨損等優(yōu)點(diǎn)，而所有這些都是提速列車(chē)制動(dòng)所必需的性能，因此開(kāi)發(fā)這類新型材料已被發(fā)達(dá)國(guó)家重視德國(guó)鐵路部門(mén)投巨資，由KnoorBremse公司研制了高速列車(chē)用碳纖維復(fù)合材料盤(pán)型制動(dòng)器;日本、法國(guó)開(kāi)發(fā)研制的碳纖維復(fù)合材料剎車(chē)片已成功地應(yīng)用于新干線和TGV 高速列車(chē)制動(dòng)。面對(duì)國(guó)外碳纖維復(fù)合材料高技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和我國(guó)鐵路對(duì)高性能制動(dòng)片的迫切需求，研制開(kāi)發(fā)高速列車(chē)用碳纖維復(fù)合材料剎車(chē)片不僅具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，而且具有巨大的推廣應(yīng)用價(jià)值

4碳纖維產(chǎn)業(yè)的前景展望

自２００４年隨著碳纖維在汽車(chē)應(yīng)用上的起步、飛機(jī)應(yīng)用及風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域的擴(kuò)大，碳纖維的需求快速增加，使全球碳纖維供應(yīng)呈嚴(yán)重短缺現(xiàn)象，促使世界各國(guó) 碳纖維生產(chǎn)廠家紛紛加大資金投入、擴(kuò)大產(chǎn)能，碳纖維的生產(chǎn)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。由于全球?qū)μ祭w維需求的持續(xù)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)未來(lái)碳纖維還將以超過(guò)１０％年增長(zhǎng)率 速度持續(xù)增長(zhǎng)。目前世界碳纖維生產(chǎn)和技術(shù)主要集中在日本、美國(guó)等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家，其中日本占全球產(chǎn)能的５０％以上，美國(guó)占全球產(chǎn)能的２７．５％。盡管我國(guó)從２０世紀(jì)６０年代后期就開(kāi)始ＰＡＮ基碳纖維研究工作，且與國(guó)外開(kāi)始的時(shí)間相差不遠(yuǎn)；但由于在原絲與碳化的關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備上一直未能取得突破，特別是ＰＡＮ原絲技術(shù)停滯不前，因此與世界上碳纖維生產(chǎn)先進(jìn)水平的國(guó)家相比，在數(shù)量和質(zhì)量上差距越拉越大。盡管我國(guó)的碳纖維生產(chǎn)發(fā)展緩慢，但消費(fèi)量卻與 日俱增，市場(chǎng)需求旺盛。隨著市場(chǎng)需求的增加，特別是國(guó)防、軍工、航空航天、體育用品等方面需求的增長(zhǎng)，每年從國(guó)外進(jìn)口的碳纖維越來(lái)越多。這就要求我們必需加快研究、生產(chǎn)步伐，抓住發(fā)展機(jī)遇，盡快實(shí)現(xiàn)和提高我國(guó)碳纖維國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)水平。

第三篇：樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料成型工藝現(xiàn)狀及發(fā)展方向

樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料成型工藝現(xiàn)狀及發(fā)展方向

與金屬材料相比，高性能纖維復(fù)合材料成本高，所以必須在纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造過(guò)程中廣泛實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和數(shù)字化相結(jié)合的現(xiàn)代復(fù)合材料制造技術(shù)，以達(dá)到降低飛機(jī)全壽命周期內(nèi)成本的目的。

國(guó)外飛機(jī)碳纖維復(fù)合材料制造技術(shù)現(xiàn)狀 復(fù)合材料用量大幅提高

目前，國(guó)外新一代軍機(jī)和民用運(yùn)輸機(jī)已普遍采用高性能樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料，第四代戰(zhàn)機(jī)復(fù)合材料用量占飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的20％～50％，干線客機(jī)約為10%～50％。

以波音777為例，在其機(jī)體結(jié)構(gòu)中，鋁合金占70%、鋼11%、鈦7%，復(fù)合材料僅占到11%，而且復(fù)合材料主要用于飛機(jī)輔件。但到波音787時(shí)，復(fù)合材料的使用出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，其用量已占到結(jié)構(gòu)重量的50%，不僅數(shù)量激增，而且已用于飛機(jī)的主承力構(gòu)件。構(gòu)件集成化、整體化、大型化

復(fù)合材料是大型整體化結(jié)構(gòu)的理想材料，與常規(guī)材料相比可使飛機(jī)減重15%～30%，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本降低15％～30％，制造成本大幅降低。復(fù)合材料還克服了金屬材料容易出現(xiàn)疲勞和被腐蝕的缺點(diǎn)，增加了飛機(jī)的耐用性，改善了飛機(jī)的維修性，同時(shí)也帶來(lái)了飛機(jī)客艙的舒適性。

美國(guó)CAI計(jì)劃將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整體成型技術(shù)列為其最主要的關(guān)鍵技術(shù)之一，并于2001年開(kāi)始用于F-35(JSF)的驗(yàn)證上。

在波音787之前，飛機(jī)的機(jī)身段由約2500個(gè)配件、3萬(wàn)個(gè)螺釘組裝起來(lái)，現(xiàn)在通過(guò)采用集成化的整體機(jī)身結(jié)構(gòu)，使生產(chǎn)方式更簡(jiǎn)單、更可靠，且顯著減少了零件數(shù)目，減重約達(dá)20%。制造設(shè)備大型化

在復(fù)合材料制造設(shè)備上，國(guó)外民機(jī)廣泛采用了高效的雙頭鋪帶機(jī)、自動(dòng)鋪放設(shè)備、大型熱壓罐及超聲檢測(cè)設(shè)備等，為高速生產(chǎn)機(jī)體結(jié)構(gòu)提供了保障。

ASC工藝系統(tǒng)公司已制造出用于波音787復(fù)合材料機(jī)身段固化的、世界上最大的熱壓罐。該熱壓罐最大壓力1.02MPa，最高溫度232℃，作業(yè)區(qū)面積9m×23m，容積2214m3,重量500t以上。

Flow International公司制造了超大型噴水切割機(jī)，用于長(zhǎng)達(dá)30m的波音787全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)機(jī)翼蒙皮層合板的切割，床身為36m×6.5m。該磨粒噴水切割機(jī)可快速、高效切割厚的層合扳，且不產(chǎn)生過(guò)熱問(wèn)題。復(fù)合材料下料、鋪放、切割實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和數(shù)字化

由Dassault Aviation公司同BAE體系公司聯(lián)合設(shè)計(jì)的商用噴氣式飛機(jī)機(jī)身采用浸漬樹(shù)脂的碳纖維窄帶和蜂窩芯材制造。該機(jī)身每節(jié)段尺寸為4.5m×2m，機(jī)身全部采用圓桶式復(fù)合材料（FUBACOMP）方案。

B787飛機(jī)加工中生產(chǎn)出的第一個(gè)全尺寸復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)機(jī)身段的尺寸為7m×6m。這一包括桁條在內(nèi)的整體結(jié)構(gòu)是在一副用殷伐鋼制成的大型芯軸中制作的，芯軸上安裝有加強(qiáng)筋的W形模腔，加強(qiáng)筋在纖維鋪放前被安放在模腔中，應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制的復(fù)合材料鋪帶機(jī)完成纖維鋪放。模具被安裝在一個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，隨著鋪帶過(guò)程的進(jìn)行，該機(jī)構(gòu)帶動(dòng)筒型件旋轉(zhuǎn)，然后該構(gòu)件被包裹并放入熱壓罐中進(jìn)行共固化，形成帶加強(qiáng)筋的殼體結(jié)構(gòu)。低成本制造技術(shù)廣泛應(yīng)用

由于復(fù)合材料的成本較高，特別是制造成本，這是制約它進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用的主要障礙之一。以美國(guó)為首的西方發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛制訂低成本復(fù)合材料發(fā)展研究計(jì)劃，不斷完善復(fù)合材料層壓板真空袋-熱壓罐制造工藝，開(kāi)發(fā)高性能、低成本的復(fù)合材料制造技術(shù)，并已取得較大進(jìn)展。如自動(dòng)化的鋪帶機(jī)（ATL）、纖維鋪放機(jī)、樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑成型（RTM）、真空輔助模塑成型（VARTM）、樹(shù)脂膜熔滲（RFI）、電子束固化及膜片成型等先進(jìn)技術(shù)。

RTM技術(shù)不使用預(yù)浸料和熱壓罐，可以有效地降低成本，配套使用三維編織機(jī)和三維縫紉機(jī)，可以制造較為復(fù)雜的零件。RTM技術(shù)在美國(guó)的F-22和F-35上得到了廣泛應(yīng)用。波音787機(jī)身的大部分地板采用RFI制造。波音787機(jī)翼后緣由德哈維蘭公司采用VARTM工藝制造，與傳統(tǒng)的熱壓罐技術(shù)相比，結(jié)構(gòu)更堅(jiān)固，易于修理，不易損傷。

國(guó)內(nèi)飛機(jī)碳纖維復(fù)合材料制造技術(shù)現(xiàn)狀

我國(guó)復(fù)合材料制造技術(shù)經(jīng)過(guò)30多年的研究和發(fā)展，已形成了一定的規(guī)模，達(dá)到了一定的水平。各主機(jī)生產(chǎn)廠均已建設(shè)了生產(chǎn)手段，完成了相應(yīng)的設(shè)備改造和技術(shù)改造。各研究院所及重點(diǎn)高校培養(yǎng)了大量人才。國(guó)內(nèi)從設(shè)計(jì)、材料到工藝有了一支配套的研發(fā)隊(duì)伍。但與國(guó)外相比，還存在應(yīng)用規(guī)模和水平、材料基礎(chǔ)、制造工藝、設(shè)計(jì)方法與手段嚴(yán)重落后等問(wèn)題，且差距有進(jìn)一步拉開(kāi)的趨勢(shì)。

復(fù)合材料用量不高

當(dāng)波音、空客等新機(jī)型大規(guī)模采用復(fù)合材料后，我國(guó)目前僅掌握金屬飛機(jī)的研制能力，復(fù)合材料只能少量地用在飛機(jī)輔件上，在主結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用還需進(jìn)一步研究。

國(guó)內(nèi)1985年制成的殲

8、強(qiáng)5機(jī)垂直尾翼壁板及垂直尾翼使用過(guò)樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料。國(guó)產(chǎn)客機(jī)、運(yùn)輸機(jī)主、次承力構(gòu)件沒(méi)有使用復(fù)合材料的相關(guān)報(bào)道。國(guó)內(nèi)直升機(jī)領(lǐng)域復(fù)合材料使用比例較大，直九復(fù)合材料使用率達(dá)到了23%左右。國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)因尺寸較小，復(fù)合材料用量較大，一般在50%～80%之間，如愛(ài)生系列無(wú)人機(jī)。

碳纖維依賴進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)化程度低

我國(guó)自20世紀(jì)60年代開(kāi)始碳纖維研究開(kāi)發(fā)，至今已有近40年的歷史，但進(jìn)展緩慢，無(wú)論軍用、民用碳纖維均不能自給，同時(shí)由于發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)我國(guó)幾十年的技術(shù)封鎖，至今沒(méi)能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，僅有的生產(chǎn)廠家還面臨國(guó)際的競(jìng)爭(zhēng)和擠壓，舉步維艱。尤其是像T800這樣被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)制造的復(fù)合材料，我國(guó)還不能生產(chǎn)。國(guó)產(chǎn)化的T300復(fù)合材料還在研制之中。工業(yè)及民用領(lǐng)域的需求長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，嚴(yán)重影響了我國(guó)高端技術(shù)的發(fā)展，尤其制約了航空航天及國(guó)防軍工事業(yè)的發(fā)展，與我國(guó)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展進(jìn)程極不相稱。

制造設(shè)備尺寸小且多數(shù)依賴進(jìn)口

國(guó)內(nèi)用于復(fù)合材料生產(chǎn)的主要關(guān)鍵設(shè)備與我國(guó)要開(kāi)展的大飛機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸相比，設(shè)備尺寸小，且大多數(shù)依賴進(jìn)口。

如西飛用于飛機(jī)復(fù)合材料制造的主要設(shè)備熱壓罐是從德國(guó)Scotch公司引進(jìn)的φ3.5m×10m熱壓罐，有效長(zhǎng)度為10m，直徑為3.5m，與歐美等國(guó)家相比，差距仍然較大。

哈飛用于先進(jìn)復(fù)合材料生產(chǎn)的主要設(shè)備，如固化爐、大型熱壓罐、復(fù)合材料數(shù)控下料銑、激光鋪層定位系統(tǒng)、自動(dòng)鋪帶機(jī)、RTM成型設(shè)備、縫合設(shè)備以及先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)設(shè)備等基本上是從國(guó)外進(jìn)口的。

工藝落后，自動(dòng)化和數(shù)字化水平低

以樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)件為例。傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝采用預(yù)浸料鋪層干法成型工藝，在熱壓罐或烘箱中加熱、加壓固化成型機(jī)體復(fù)合材料構(gòu)件。固化、脫模、修整后的構(gòu)件經(jīng)無(wú)損檢測(cè)驗(yàn)證合格后進(jìn)入下道裝配工序。

傳統(tǒng)復(fù)合材料成型工藝的缺點(diǎn)是手工下料、手工鋪放，能耗高，生產(chǎn)成本高，質(zhì)量不易控制，不環(huán)保。在整個(gè)工藝過(guò)程中產(chǎn)生的廢料包括：預(yù)浸料、膠膜、蜂窩下料過(guò)程中形成的邊角料；固化過(guò)程產(chǎn)生的廢氣；復(fù)合材料零件修整過(guò)程中打磨和切割裁邊時(shí)產(chǎn)生的固體粉塵，固體邊角料；膠接過(guò)程產(chǎn)生的廢氣等，這些因素都增加了產(chǎn)品的制造成本，并對(duì)環(huán)境造成了破壞。

自動(dòng)鋪帶機(jī)、自動(dòng)絲束鋪放機(jī)、柔性數(shù)控氣動(dòng)卡具的出現(xiàn)部分解決了手工鋪放質(zhì)量不易控制的缺點(diǎn)。不過(guò)，到目前為止，仍不能完全采用自動(dòng)化設(shè)備來(lái)替代手工鋪放。同時(shí)，熱壓罐法成型生產(chǎn)周期長(zhǎng)，設(shè)備費(fèi)用高，能源消耗大，成本高，由于復(fù)合材料零件的整體尺寸越來(lái)越大，所需的熱壓罐尺寸跟著加大，成本問(wèn)題也隨之突出。

綜上所述，我國(guó)樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料制造存在著原材料和制品的成本昂貴、制品成型工藝陳舊、復(fù)合材料回收再利用困難等問(wèn)題亟待研究解決。

結(jié)論與建議

建立適合國(guó)情的復(fù)合材料研發(fā)模式

與歐美國(guó)家相比，我國(guó)復(fù)合材料制造技術(shù)各方面都存在較大差距，主要原因是我國(guó)科技轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的水平較低。與歐美航空工業(yè)相比，我國(guó)航空企業(yè)還沒(méi)有成為真正的科技轉(zhuǎn)化生產(chǎn)力的主體，科技轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力體制、機(jī)制的最佳模式還沒(méi)有形成。為此，需建立復(fù)合材料發(fā)展戰(zhàn)略，有組織、有規(guī)劃地進(jìn)行研究和創(chuàng)新，同時(shí)應(yīng)加大對(duì)相關(guān)企業(yè)的投入，完善科研機(jī)制，實(shí)行設(shè)計(jì)制造一體化，提高飛機(jī)研制的頻度，建立科技轉(zhuǎn)化生產(chǎn)力體制、機(jī)制的航空工業(yè)最佳模式。

實(shí)現(xiàn)高性能、高質(zhì)量碳纖維國(guó)產(chǎn)化

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，碳纖維的需求與日俱增，雖然國(guó)際上一些公司的T300級(jí)原絲和碳纖維產(chǎn)品開(kāi)始對(duì)我國(guó)解凍，但碳纖維及其復(fù)合材料的生產(chǎn)是關(guān)系到國(guó)防建設(shè)的高科技，必須立足國(guó)內(nèi)。所以，需要加大國(guó)家投入和攻關(guān)，或通過(guò)技術(shù)引進(jìn)，盡快掌握核心技術(shù)，降低生產(chǎn)成本，研制生產(chǎn)高性能、高質(zhì)量的碳纖維，以滿足軍工和民用產(chǎn)品的需求，扭轉(zhuǎn)大量進(jìn)口的局面，這是我國(guó)碳纖維工業(yè)發(fā)展亟待解決的問(wèn)題。

大力發(fā)展低成本制造技術(shù)

低成本復(fù)合材料制造技術(shù)是當(dāng)今世界上復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域的核心問(wèn)題之一，包括低成本的材料技術(shù)、低成本的設(shè)計(jì)技術(shù)和低成本的制造技術(shù)，如大型整體成型結(jié)構(gòu)、共固化/共膠接結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)等，其中，重點(diǎn)應(yīng)是以共固化/共膠接為核心的大面積整體成型技術(shù)。我們應(yīng)當(dāng)向國(guó)際上倡導(dǎo)的的“無(wú)緊固件”技術(shù)靠攏，減少后加工量和裝配工作量。

國(guó)內(nèi)亟需在這幾方面制訂好規(guī)劃,有組織地統(tǒng)一制訂相應(yīng)規(guī)范，使試驗(yàn)和分析更好地結(jié)合起來(lái)，形成設(shè)計(jì)和鑒定的統(tǒng)一指南，編制全行業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，改進(jìn)最終產(chǎn)品的一致性，降低成本，減小風(fēng)險(xiǎn)，以滿足飛機(jī)研制的需要。

發(fā)展研究創(chuàng)新的制造工藝技術(shù)

國(guó)外復(fù)合材料在飛機(jī)上的廣泛應(yīng)用得益于制造設(shè)備和工藝技術(shù)的發(fā)展和成熟。因此，國(guó)內(nèi)要注意規(guī)劃發(fā)展機(jī)械化、自動(dòng)化制造技術(shù)（如自動(dòng)鋪帶技術(shù)、自動(dòng)纖維鋪放技術(shù)等），并提高生產(chǎn)設(shè)備的柔性，以提高復(fù)合材料構(gòu)件的生產(chǎn)率。注意借鑒其他領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，在飛機(jī)零件制造中適當(dāng)采用纏繞、拉擠等低成本的自動(dòng)化制造技術(shù)，填補(bǔ)這一空白。

采用高效、環(huán)保的切割、成型技術(shù)

由于復(fù)合材料的大規(guī)模應(yīng)用，提高其切割和成型技術(shù)就顯得越來(lái)越迫切。用傳統(tǒng)工藝方法切割復(fù)合材料時(shí)粉塵大、污染高，而且易燒傷端面，成型的余量需要重新去除，因此，應(yīng)推廣采用自動(dòng)數(shù)控高壓水切割技術(shù)，切割、成型一次完成，生產(chǎn)效率和質(zhì)量顯著提高。

開(kāi)展無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究與應(yīng)用

為保證產(chǎn)品的安全性、可靠性及交付后的可維修性，需使用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)（超聲、射線、激光超聲等技術(shù)）對(duì)構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)，以發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的分層、脫粘、氣孔、裂縫、沖擊損傷等缺陷，并給出缺陷的定性、定量判定，為工藝分析提供依據(jù)。

因此，對(duì)制造過(guò)程及維修中使用的各種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及設(shè)備的使用提出了更高要求，國(guó)外在這方面進(jìn)行了大量研究，并開(kāi)發(fā)了相關(guān)的產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)亦應(yīng)在這方面加大研究力度。

第四篇：樹(shù)脂基復(fù)合材料

樹(shù)脂基復(fù)合材料的研究進(jìn)展

摘要：

樹(shù)脂基復(fù)合材料具有良好的成型工藝性、高的比強(qiáng)度、高的比模量、低的密度、抗疲勞性、減震性、耐腐蝕性、良好的介電性能、較低的熱導(dǎo)率等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種武器裝備，在軍事工業(yè)中，對(duì)促進(jìn)武器裝備的輕量化、小型化和高性能化起到了至關(guān)重要的作用。由于與許多材料相比具有獨(dú)特的性能，樹(shù)脂基復(fù)合材料在航空航天、汽車(chē)、電子、電器、醫(yī)藥、建材等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。目前，隨著復(fù)合材料工業(yè)的迅速發(fā)展，樹(shù)脂基復(fù)合材料正憑借它本身固有的輕質(zhì)高強(qiáng)、成型方便、不易腐蝕、質(zhì)感美觀等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的青睞。關(guān)鍵字：樹(shù)脂基復(fù)合材料，材料性能，應(yīng)用領(lǐng)域

一、前言

復(fù)合材料在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有極其重要的地位，以至于人們把一個(gè)國(guó)家和地區(qū)的復(fù)合材料工業(yè)水平看成衡量其科技與經(jīng)濟(jì)實(shí)力的標(biāo)志之一[1]。樹(shù)脂基復(fù)合材料是以纖維為增強(qiáng)劑、以樹(shù)脂為基體的復(fù)合材料，所用的纖維有碳纖維、芳綸纖維、超高模量聚乙烯纖維等，所采用的基體主要有環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、乙烯基酯樹(shù)脂等有機(jī)材料。其中熱固性樹(shù)脂是以不飽和聚脂、環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂等為主；熱塑性樹(shù)脂是指具有線型或分枝型結(jié)構(gòu)的有機(jī)高分子化合物。

樹(shù)脂基復(fù)合材料的特點(diǎn)：各向異性（短切纖維復(fù)合材料等顯各向同性）；不均質(zhì)或結(jié)構(gòu)組織質(zhì)地的不連續(xù)性；呈粘彈性；纖維體積含量不同，材料的物理性能差異；影響質(zhì)量因素多，材料性能多呈分散性。樹(shù)脂基復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)如下：(1)密度小，約為鋼的1／5，鋁合金的1／2，且比強(qiáng)度和比模量高。這類材料既可制作結(jié)構(gòu)件，又可用于功能件及結(jié)構(gòu)功能件。(2)抗疲勞性好：一般情況下，金屬材料的疲勞極限是其拉伸強(qiáng)度的20～50％，CF增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的疲勞極限是其拉伸強(qiáng)度的70～80％；（3）減震性好；(4）過(guò)載安全性好；（5）具有多種功能，如：耐燒蝕性好、有良好的耐摩擦性能、高度的電絕緣性能、優(yōu)良的耐腐蝕性能、有特殊的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)性能等；（6）成型工藝簡(jiǎn)單；（7）材料結(jié)構(gòu)、性能具有可設(shè)計(jì)性。

以樹(shù)脂基復(fù)合材料為代表的現(xiàn)代復(fù)合材料隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。眾所周知，樹(shù)脂基復(fù)合材料首先應(yīng)用于航空航天等國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域[2-3]，而后向民用飛機(jī)發(fā)展。隨著社會(huì)的發(fā)展，樹(shù)脂基復(fù)合材料在人類物質(zhì)生活中的需求量越來(lái)越大，并逐漸成為主要應(yīng)用領(lǐng)域，且研究投入越來(lái)越大。樹(shù)脂基復(fù)合材料除在航空航天、國(guó)防科技領(lǐng)域應(yīng)用外，其他行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也十分廣泛。

二、綜述樹(shù)脂基復(fù)合材料的應(yīng)用

目前常用的樹(shù)脂基復(fù)合材料有：熱固性樹(shù)脂、熱塑性樹(shù)脂，以及各種各樣改性或共混基體。熱塑性樹(shù)脂可以溶解在溶劑中，也可以在加熱時(shí)軟化和熔融變成粘性液體，冷卻后又變硬。熱固性樹(shù)脂只能一次加熱和成型，在加工過(guò)程中發(fā)生固化，形成不熔和不溶解的網(wǎng)狀交聯(lián)型高分子化合物，因此不能再生。隨著復(fù)合材料工業(yè)的迅速發(fā)展，樹(shù)脂基復(fù)合材料以其優(yōu)越的性能和特點(diǎn)將應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。以下將簡(jiǎn)介樹(shù)脂基復(fù)合材料的應(yīng)用。

2.1熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料的應(yīng)用

復(fù)合材料的樹(shù)脂基體，目前以熱固性樹(shù)脂為主。早在40年代，在戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)上就開(kāi)始采用玻璃纖維增強(qiáng)塑料作雷達(dá)罩。60年代美國(guó)在F-

4、F-11等軍用飛機(jī)上采用了硼纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂作方向舵、水平安定面、機(jī)翼后緣、舵門(mén)等。在導(dǎo)彈制造方面，50年代后期美國(guó)中程潛地導(dǎo)彈“北極星A-2”第二級(jí)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上就采用了玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂的纏繞制件，較鋼質(zhì)殼體輕27％；后來(lái)采用高性能的玻璃纖維代替普通玻璃纖維造“北極星A-3”，使殼體重量較鋼制殼體輕50％，從而使“北極星A-3”導(dǎo)彈的射程由2700千米

增加到4500千米。70年代后采用芳香聚酰胺纖維代替玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂，強(qiáng)度又大幅度提高，而重量減輕[4-6]。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料在飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等結(jié)構(gòu)上得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

例如樹(shù)脂基復(fù)合材料在彈體上的應(yīng)用[7]。彈體是用于構(gòu)成導(dǎo)彈外形 連接和安裝彈上各部分系統(tǒng)且能承受各種載荷的整體結(jié)構(gòu)。采用樹(shù)脂基復(fù)合材料做彈體的主要目的是為了最大限度的減輕導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)質(zhì)量、簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝、降低成本。進(jìn)一步提高導(dǎo)彈戰(zhàn)術(shù)性能更重要的是，采用樹(shù)脂基復(fù)合材料技術(shù)有利于整體成形有復(fù)雜形狀、光滑表面和氣動(dòng)外形流暢的彈體，可以形成金屬殼體難飛航導(dǎo)彈，以達(dá)到的隱身性能。目前，國(guó)外巡航導(dǎo)彈在設(shè)計(jì)研制時(shí)，都特別重視大量采用樹(shù)脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

2.2熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料的應(yīng)用

近年來(lái)，由于熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料具有韌性好，疲勞強(qiáng)度高，耐濕熱性好，預(yù)浸料可以長(zhǎng)期存放，可以重復(fù)成形，環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)，使其在航空航天、汽車(chē)、電器、電子、建材、醫(yī)藥等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。隨著PPO、PEEK、PPS、PSF等高性能熱塑性樹(shù)脂的開(kāi)發(fā)得到快速發(fā)展，使得熱塑性復(fù)合材料的應(yīng)用更加廣泛，其中在汽車(chē)行業(yè)中的應(yīng)用最為突出[8]。當(dāng)前，世界汽車(chē)材料技術(shù)發(fā)展的主要方向是輕量化和環(huán)?；?。減輕汽車(chē)自重是降低汽車(chē)排放，提高燃燒效率的最有效措施之一，汽車(chē)的自重每減少10%，燃油消耗可降低6%~8%。為此，增加熱塑性復(fù)合材料在汽車(chē)中的使用量，便成為降低整車(chē)成本及其自重，增加汽車(chē)有效載荷的關(guān)鍵。

由于熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比剛度高，斷裂韌性、疲勞強(qiáng)度、耐熱、耐腐蝕等性能好，以及可重復(fù)成型等優(yōu)點(diǎn)，在飛機(jī)上也得到一定應(yīng)用[9-10]。在航空工業(yè)中，樹(shù)脂基復(fù)合材料用于制造飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身、鴨翼、平尾和發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道；在航天領(lǐng)域，樹(shù)脂基復(fù)合材料不僅是方向舵、雷達(dá)、進(jìn)氣道的重要材料，而且可以制造固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的絕熱殼體，也可用作發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的燒蝕防熱材料。近年來(lái)研制的新型氰酸樹(shù)脂復(fù)合材料具有耐濕性強(qiáng)、微波介電性能佳、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于制作宇航結(jié)構(gòu)件、飛機(jī)的主次承力結(jié)構(gòu)件和雷達(dá)天線罩。美國(guó)F-22飛機(jī)熱塑性復(fù)合材料使用量大于1%，其它民用飛機(jī)上熱塑性復(fù)合材料的使用量則更多。

由于熱塑性復(fù)合材料具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，使其在軍事領(lǐng)域中也得到廣泛應(yīng)用。主要有槍用材料、彈用材料、以及地面車(chē)輛、火炮、艦船等部分零部件用材料。另外，熱塑性復(fù)合材料在其它領(lǐng)域的應(yīng)用也十分廣泛。在建筑行業(yè)，產(chǎn)品有管件閥門(mén)、管道、百葉窗等部件；在機(jī)械工業(yè)方面，產(chǎn)品有水泵葉輪、軸承、滾輪、電機(jī)風(fēng)扇、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇空氣濾清器、音響零件等；在油田領(lǐng)域，近年來(lái)，熱塑性復(fù)合材料在油田中應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，其中用于扶正器的玻纖增強(qiáng)PA材料年消耗量近萬(wàn)噸[11-13]。另外，樹(shù)脂基復(fù)合材料在電子、能源、生物醫(yī)學(xué)、體育運(yùn)動(dòng)器材、船舶制造等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。

三、展望

樹(shù)脂基復(fù)合材料良好的發(fā)展和應(yīng)用前景決定了人們將繼續(xù)重視發(fā)展樹(shù)脂基復(fù)合材料的研究與開(kāi)發(fā)。樹(shù)脂基體的發(fā)展趨勢(shì)是繼續(xù)提高耐熱和耐濕熱性，以滿足戰(zhàn)機(jī)導(dǎo)彈超聲速巡航及未來(lái)用材需求，目標(biāo)是在可成型大型復(fù)雜構(gòu)件的前提下，基體的濕態(tài)耐熱進(jìn)一步提高。在開(kāi)發(fā)高性能增強(qiáng)纖維，如納米材料的同時(shí)，主要通過(guò)基體增韌，繼續(xù)提高復(fù)合材料的抗沖擊韌性。

樹(shù)脂基復(fù)合材料的應(yīng)用向著高性能化方向發(fā)展，旨在追求高的減重效率。重視制造技術(shù)研究、生產(chǎn)改造和綜合配套。開(kāi)發(fā)材料設(shè)計(jì)及制備過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬軟件，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和成型工藝進(jìn)行優(yōu)化，提高產(chǎn)品的先進(jìn)性、可靠性，并最大限度的降低成本[14]。制約復(fù)合材料擴(kuò)大應(yīng)用，特別是在民用領(lǐng)域應(yīng)用的主要障礙仍是成本太高，因此降低成本是當(dāng)務(wù)之急。復(fù)合材料的發(fā)展應(yīng)以市場(chǎng)為導(dǎo)向，加大創(chuàng)新力度，加強(qiáng)基礎(chǔ)性研究和應(yīng)用性研究，努力降低

原材料成本，開(kāi)拓新的應(yīng)用領(lǐng)域；要通過(guò)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，立足自主開(kāi)發(fā)，同時(shí)積極引進(jìn)技術(shù)和資金，在科技攻關(guān)、項(xiàng)目建設(shè)、裝置規(guī)模上要力求與國(guó)際接軌，以推動(dòng)我國(guó)復(fù)合材料工業(yè)全面、快速、健康地發(fā)展。

隨著飛行器向高空高速無(wú)人化智能化低成本化方向發(fā)展樹(shù)脂基復(fù)合材料的地位會(huì)越來(lái)越重要。國(guó)外預(yù)計(jì)在下一代飛機(jī)上復(fù)合材料將扮演主角[15]。樹(shù)脂基復(fù)合材料對(duì)于導(dǎo)彈、戰(zhàn)機(jī)屏蔽或衰減雷達(dá)波或紅外特征，提高自身生存和空防能力，具有至關(guān)重要的作用;在實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)機(jī)、導(dǎo)彈輕量化、快速反應(yīng)能力、精確打擊等方面起著巨大作用，其用量已成為戰(zhàn)機(jī) 導(dǎo)彈先進(jìn)性的一個(gè)重要標(biāo)志。樹(shù)脂基復(fù)合材料技術(shù)不斷發(fā)展更新其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展并在能源電子汽車(chē)建筑橋梁環(huán)境和船舶等領(lǐng)域扮演著越發(fā)重要的角色。高性能樹(shù)脂基體及其改性是我門(mén)樹(shù)脂行業(yè)的責(zé)任和義務(wù)，應(yīng)該努力做好這方面的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。

隨著樹(shù)脂基復(fù)合材料的性能進(jìn)一步提高，使用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步積累,低成本技術(shù)的發(fā)展，高效新結(jié)構(gòu)的發(fā)展以及應(yīng)用效能的提高，未來(lái)樹(shù)脂基復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒆兊酶訌V泛。

四、參考文獻(xiàn)

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第五篇：樹(shù)脂基復(fù)合材料有關(guān)

高性能復(fù)合材料的樹(shù)脂基體的研究進(jìn)展

班級(jí)：材碩114 學(xué)號(hào)：030110604 姓名：周堅(jiān)

摘要：本文簡(jiǎn)要回顧了高性能復(fù)合材料的發(fā)展歷史。其中簡(jiǎn)要的介紹了復(fù)合材料的一個(gè)發(fā)展的歷史，從古代開(kāi)始一直介紹到近代。隨后重點(diǎn)介紹了聚合物基復(fù)合材料。重點(diǎn)是對(duì)高性能樹(shù)脂基的復(fù)合材料的基體進(jìn)行了介紹，主要是環(huán)氧樹(shù)脂基體、聚酰亞胺基體和雙馬來(lái)酰胺基體的復(fù)合材料進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞:高性能復(fù)合材料、環(huán)氧樹(shù)脂基體、聚酰亞胺基體、雙馬來(lái)酰胺基體

1、前言

材料、能源、信息是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，各種性能優(yōu)良的新材料不斷地的出現(xiàn)，并廣泛的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。然而，科學(xué)急速的進(jìn)步是對(duì)材料的性能也提出了更高的要求，如減輕重量、提高強(qiáng)度、降低成本等。這些都是需要在原有傳統(tǒng)材料上進(jìn)行改進(jìn)。復(fù)合材料是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展涌現(xiàn)出的具有極大生命力的材料，它由兩種或兩種以上性質(zhì)不用的材料組合而成，通過(guò)各種工藝手段組合而成。復(fù)合材料的各個(gè)組成材料在性能上期協(xié)同作用，得到單一材料所沒(méi)有的優(yōu)越的綜合性能，它已成當(dāng)代一種新型的工程材料[1]。

復(fù)合材料并不是人類發(fā)明的一種新材料，在自然界中，有許多天然復(fù)合材料，如竹、木、椰殼、甲殼、皮膚等。以竹為例，它是具有許多直徑不同的管狀纖維分散于基體中多形成的材料，纖維的直徑與排列密度由表皮到內(nèi)層是不同的，表皮纖維的直徑小而排列緊密，以利于增加它的彎能力，但內(nèi)層的纖維粗而排列疏可以改善它的韌性，所以這種復(fù)合結(jié)構(gòu)很合理，打掃最優(yōu)的強(qiáng)韌組合。

人類在6000萬(wàn)年前就知道用稻草和泥巴混合壘墻，這是早期人工制備的復(fù)

合材料，這種泥土混麥秸、稻草制土坯砌墻蓋房子的方法目前在有些貧窮的農(nóng)村仍然沿用著，但這種復(fù)合材料畢竟是最原始的和古老的，是傳統(tǒng)的復(fù)合材料?，F(xiàn)在建筑行業(yè)已發(fā)展到用鋼絲或鋼筋強(qiáng)化混凝土復(fù)合材料蓋高樓大廈，用玻璃纖維增強(qiáng)水泥制造外墻體。新開(kāi)發(fā)的聚合物混凝土材料克服了水泥混凝土所存在的脆性大、易開(kāi)裂及耐腐蝕性差的缺點(diǎn)。5000年前，中東地區(qū)出現(xiàn)過(guò)用蘆葦增強(qiáng)瀝青造船。1942年玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的出現(xiàn)，使造船業(yè)前進(jìn)了一大步，現(xiàn)在造船業(yè)采用玻璃鋼制造船體，尤其賽艇等變速艇等，不僅減輕了船艇的質(zhì)量，而且可防止微生物的吸附。越王勾踐是古老金屬基復(fù)合材料的代表，它是金屬包層復(fù)合材料制品，不僅光亮鋒利，且韌性和耐腐蝕性優(yōu)異。埋藏在潮濕環(huán)境中幾千年，出土?xí)r依然寒光奪目、鋒利無(wú)比。

隨著新型增強(qiáng)體的不斷出現(xiàn)和技術(shù)的不斷進(jìn)步，出現(xiàn)了新進(jìn)復(fù)合材料，先

進(jìn)復(fù)合材料是比原有通用復(fù)合材料具有更高性能的復(fù)合材料，包括各種高性能增

強(qiáng)劑和耐高溫性好的熱固性和熱塑性樹(shù)脂基體所構(gòu)成的高性能復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、碳/碳復(fù)合材料。先進(jìn)復(fù)合材料的比強(qiáng)度高、比模量大、熱膨脹系數(shù)小,而且它還有耐化學(xué)腐蝕、耐熱沖擊和耐燒蝕等特點(diǎn),用它作為結(jié)構(gòu)材料可以提高宇宙飛船、人造衛(wèi)星和導(dǎo)彈等的有效載荷、增加航程或射程乃至改善這些裝備本身的固有技術(shù)性能。21世紀(jì)我們面臨的是復(fù)合材料迅猛發(fā)展和更廣泛應(yīng)用的時(shí)代。

2、聚合物基復(fù)合材料的發(fā)展歷史

聚合物基復(fù)合材料是目前結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中發(fā)展最早、研究最多、應(yīng)用最廣、規(guī)模最大的一類。現(xiàn)代復(fù)合材料以1942年玻璃鋼的出現(xiàn)為標(biāo)志[2]，1946年出現(xiàn)玻璃纖維增強(qiáng)尼龍，以后相繼出現(xiàn)其他的玻璃鋼品種。然而，玻璃纖維的模量低，無(wú)法滿足航空、宇航等領(lǐng)域?qū)Σ牧系囊?，因而，人們掙努力尋找新的模量纖維。1964年，硼纖維研制成功，其模量達(dá)400GPa，強(qiáng)度達(dá)3.45GPa。硼纖維增強(qiáng)塑料（BFRP）立即被用于軍用飛機(jī)的次承力構(gòu)件，如F-14的水平穩(wěn)定舵。垂尾等。但由于硼纖維價(jià)格價(jià)格昂貴、工藝性差，其應(yīng)用規(guī)模受到限制，隨著碳纖維的出現(xiàn)和發(fā)展，硼纖維的成產(chǎn)和使用逐漸減少，1965年，碳纖維在美國(guó)一誕生，就顯示出強(qiáng)大的生命力。1966年，碳纖維的拉伸強(qiáng)度和模量還分別只有1100MPa和140GPa,其比強(qiáng)度和比模量還不如硼纖維和鈹纖維。而到1970年，碳纖維的拉伸強(qiáng)度和模量就分別達(dá)到2.76GPa和345GPa。從而碳纖維增強(qiáng)纖維得到迅速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。碳纖維及其復(fù)合材料性能不斷提高。

1972年，美國(guó)杜邦公司又研制了高強(qiáng)、高模的有機(jī)纖維-聚芳酰胺纖維 [3]（Kevlar），其強(qiáng)度和模量分別達(dá)到3.4GPa和130GPa,使PMC的發(fā)展和應(yīng)用更為迅速。美國(guó)空軍材料研究室（AFML）和國(guó)家航空航天局(NASA)的定義，以碳纖維、硼纖維、Kevlar纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維等增強(qiáng)的聚合物復(fù)合材料為先進(jìn)復(fù)合材料，比模量大于40GPa/(g/cm3),因而，從60年代中期到80年代初，是先進(jìn)復(fù)合材料的日益成熟和發(fā)展階段。作為結(jié)構(gòu)材料，ACM在許多領(lǐng)域或得應(yīng)用。同時(shí)，金屬基復(fù)合材料也在這一時(shí)期發(fā)展起來(lái)，如硼纖維、碳化硅纖維增強(qiáng)的鋁基、鎂基復(fù)合材料。80年代后，聚合物基復(fù)合材料的工藝、理論逐漸完善。ACM在航空航天、船舶、汽車(chē)、建筑、文體用品等各個(gè)領(lǐng)域都得到全面應(yīng)用。同時(shí)，先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料（ACTP）以1982年英國(guó)ICI公司推出的APC-2為標(biāo)志 [4]，向傳統(tǒng)的熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料提出強(qiáng)烈的挑戰(zhàn)。同時(shí)，金屬基、陶瓷基復(fù) 合材料的研究和應(yīng)用也有較大發(fā)展。

3、高性能復(fù)合材料用的樹(shù)脂基體

基體樹(shù)脂的主要功能是傳遞增強(qiáng)材料所承受的負(fù)荷，使之分布均勻并保護(hù)增強(qiáng)材料免受損傷和環(huán)境中濕氣、氧氣和化學(xué)物質(zhì)的侵蝕。而復(fù)合材的耐熱性、剪切和壓縮強(qiáng)度、橫向拉伸強(qiáng)度、蠕變性和流動(dòng)性等也取決于基體樹(shù)脂。因此，通常希望選用耐溫性、強(qiáng)度和模量高、韌性和耐濕性好、與增強(qiáng)材料有良好的粘附性或浸潤(rùn)性而又易于加工的樹(shù)脂。由于熱固性樹(shù)脂的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使它具有優(yōu)異的耐溫性和機(jī)械強(qiáng)度，而且當(dāng)它作復(fù)合材料基體時(shí)，開(kāi)始時(shí)以未交聯(lián)固化的低分子量和低粘度的狀態(tài)出現(xiàn)，便于成型加工，因此多年來(lái)用它做高性能復(fù)合材料的基體樹(shù)脂一直占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，代表的品種有耐熱的環(huán)氧樹(shù)脂，聚酰亞胺及雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂。3.1環(huán)氧樹(shù)脂基高性能復(fù)合材料

3.1.1、環(huán)氧樹(shù)脂的性能和基體樹(shù)脂的作用

作為高性能復(fù)合材料基體樹(shù)脂可以是熱固性的，也可以是熱塑性的，迄今為止，用量最多，應(yīng)用面最廣的要算是環(huán)氧樹(shù)脂，這是因?yàn)樗邆湟韵聨讉€(gè)特點(diǎn)：(1)在化學(xué)結(jié)構(gòu)方面，除有活性環(huán)氧外，還有羥基和醚基，致使粘結(jié)力強(qiáng)。(2)在固化方面面，其固化收縮率?。?2%）,無(wú)揮發(fā)物逸放，孔隙率低；固化后生成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不溶不熔，化學(xué)穩(wěn)定性高，耐蝕性強(qiáng)

(3)在力學(xué)性能方面，環(huán)氧樹(shù)脂有較高的強(qiáng)度和模量，并有較長(zhǎng)的伸長(zhǎng)。這些優(yōu)異性能是制取高性能復(fù)合材料的前提之一。

(4)在物性方面，它那熱耐冷，可用在-50—180℃之間；熱膨脹率系數(shù)在Tg以下是為39×10-6/℃，以上時(shí)為100×10-6/℃；熱導(dǎo)率約為500×10-6Kal/cm·s·℃；在室溫下的防潮防滲性好，絕緣性高。

(5)工藝性好，適應(yīng)性強(qiáng)。環(huán)氧樹(shù)脂不僅本身品種多，可以按比例相互摻混以調(diào)節(jié)其粘度和性能，而且可以在數(shù)十種固化劑中選擇組合，以滿足不同操作工序和不同用途的要求。同時(shí)，還可以選配稀釋劑、改性劑和增韌劑等。此外，其貯存時(shí)間長(zhǎng)，穩(wěn)定性高，適應(yīng)性強(qiáng)。

基體樹(shù)脂的作用：

（1）賦予高性能復(fù)合材料的成型性和整體性

（2）提供連續(xù)的基體相，以使增強(qiáng)纖維均勻分布期中。換言之，基體必須把增

強(qiáng)纖維均勻地分開(kāi)成為分散相，以使其在受到反抗性或彎曲等外來(lái)作用是，不會(huì)失去增強(qiáng)作用。

（3）當(dāng)復(fù)合材料承受抗拉負(fù)荷時(shí)，基體能使其均勻地分布，并通過(guò)界面剪切有 效地載荷傳遞給增強(qiáng)纖維，充分發(fā)揮高強(qiáng)度和高模量的特性。3.1.2、環(huán)氧樹(shù)脂的種類

（1）標(biāo)準(zhǔn)環(huán)氧樹(shù)脂 雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂亦稱標(biāo)準(zhǔn)環(huán)氧樹(shù)脂，屬于DGEBA，它

是通用的樹(shù)脂[5]。國(guó)外的牌號(hào)很多。其特點(diǎn)是分子量低，粘度低。主要缺點(diǎn)是耐性差。（2）環(huán)氧酚醛樹(shù)脂 其特點(diǎn)是活性環(huán)氧基在兩個(gè)以上，交聯(lián)密度大，耐熱性比

較高，例如Dow公司的DEN-438，汽巴的EPN1138和ECN1299；國(guó)內(nèi)主要有F-46。后者是目前用于FRP的主要基體樹(shù)脂，主要缺點(diǎn)是由一定的脆性。

（3）酯環(huán)環(huán)氧樹(shù)脂 美國(guó)UCC公司開(kāi)發(fā)了多種牌號(hào)的這類樹(shù)脂，它具有很好的 綜合和平衡的力學(xué)性能，并且有優(yōu)良的加工型、耐候性。

（4）多官能度環(huán)氧樹(shù)脂 這種類型樹(shù)脂的環(huán)氧基在3個(gè)以上，環(huán)氧當(dāng)量高，交 聯(lián)密度大，耐熱性得到顯著提高，主要缺點(diǎn)是具有一定的脆性，仍需要改性研究。3.1.3、高性能復(fù)合材料用環(huán)氧樹(shù)脂基體的發(fā)展。

FRP的成型方法很多，主要有疊層加壓、拉擠和纏繞等。為適應(yīng)各種成型方 法工藝條件的要求，相應(yīng)地開(kāi)發(fā)各種專用型環(huán)氧樹(shù)脂，有使用價(jià)值

（1）拉擠成型法 用于拉擠成型的基體樹(shù)脂不僅要求粘度低，而且希望固

化快。一般環(huán)氧樹(shù)脂，需膠化、玻璃化和最后固化為三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此，需發(fā)展快速固化環(huán)氧樹(shù)脂。殼牌公司發(fā)展了兩種適用于拉擠成型的環(huán)氧樹(shù)脂體系，Epon9102/Epon固化劑CA9150和9302/CA9350。9102和9302都屬于雙酚A/環(huán)氧氯丙烷系環(huán)氧樹(shù)脂，而固化劑CA9350為液態(tài)雜環(huán)胺。這兩種新型環(huán)氧環(huán)氧樹(shù)脂體系既保留了環(huán)氧樹(shù)脂的耐熱性和化學(xué)性，又具有類似聚酯的快速膠化速，滿足課拉擠工藝條件的要求。（2）纏繞成型 纏繞成型對(duì)所用樹(shù)脂體系有三點(diǎn)要求：①粘度低；②成型

時(shí)固化溫度低；③貯存時(shí)間長(zhǎng)，特別是對(duì)纏繞大型構(gòu)件。一般環(huán)氧樹(shù)脂的粘度較高，需加入反應(yīng)性的稀釋劑來(lái)調(diào)節(jié)，固化劑也需加入低粘度的酸酐，但是，加入稀釋劑會(huì)導(dǎo)致耐熱性下降，加入酸酐又會(huì)增加吸濕性，致使性能下降。

（3）無(wú)維布 無(wú)維布市重要的中間產(chǎn)品，各大碳纖維生產(chǎn)廠都有產(chǎn)品銷售。為了制取高性能無(wú)維布，各公司發(fā)展了許多專用環(huán)氧樹(shù)脂。由于商業(yè)保密，詳情較少透露只有商品牌號(hào)和零散資料報(bào)道。

3.2、聚酰亞胺基高性能復(fù)合材料 3.2.1、聚酰亞胺的發(fā)展歷史 六十年代以來(lái),杜邦公司在開(kāi)發(fā)PI方面對(duì)了大量工作[6]。1962年開(kāi)發(fā)了成型材料Vespel；1965年有耐熱薄膜Kapton；1968年湯普森拉英伍爾德里奇公司采用加成法制成聚酰亞胺P13N；1972年開(kāi)發(fā)了NB-150；1973年法國(guó)的

Rhone-Ponlene公司開(kāi)發(fā)了雙馬來(lái)酐亞胺系的PI；1975年第二代NB-150B2問(wèn)世，迄今為止，Kapton薄膜在耐熱薄膜方面仍多占鰲頭，而NB-150和NB-150B2則是高性能復(fù)合材料的基體材料。對(duì)于聚酰亞胺，在開(kāi)發(fā)的過(guò)程中主要圍繞其成型上做了大量工作。影響成型主要的三個(gè)因素：①極為有害的縮合水；②使用高沸點(diǎn)溶劑；③預(yù)聚物的熔點(diǎn)高。加成固化A型的開(kāi)發(fā)，克服了確定①；現(xiàn)場(chǎng)聚合型PMR的研制成功，克服了缺點(diǎn)②；熱熔型LARC-160的問(wèn)世，克服了缺點(diǎn)③。這就是使PI出具實(shí)用化的條件。3.2.2、用作高性能復(fù)合材料基體的聚酰亞胺

1976年，在NASA制定的“高性能空間運(yùn)輸系統(tǒng)復(fù)合材料”的研究大綱里，要開(kāi)發(fā)耐熱316℃的高性能復(fù)合材料。經(jīng)過(guò)蘭利和合同單位的共同努力，從14種PI中評(píng)選出4中作為高性能復(fù)合材料的基體，即NB-150B2、PMR-

15、LARC-160和Thermid6000；從5中PI粘結(jié)劑中篩選出3種，即FM-

34、LARC-

13、和RTV560-SQX；從5中碳纖維中篩選出2種，即Celion和AS4(HTS)[7]。（1）NB-150B2 NB-150B2杜邦生產(chǎn)的熱塑性PI。NB-150B2用的是苯胺混合

物，其剛性比NB-150A2所有的二胺基二苯醚強(qiáng)，因此NB-150B2的Tg(350-371℃)比NB-150A2（280-300℃）高。如果采用其他胺類，Tg可調(diào)節(jié)在229-365℃之間。因?yàn)楸江h(huán)之間引入—O—、—S—、—CH2—等，使主鏈的柔性增加，剛性下降，致使Tg降低。換言之，在PI的主鏈中，六元苯環(huán)和五元亞胺雜環(huán)都是熱穩(wěn)定性高的剛性環(huán)，Tg主要受芳族二胺結(jié)構(gòu)的影響。這是分子設(shè)計(jì)的依據(jù)。

（2）PMR-15 劉易斯研究中心研制出得PMR-15都屬于現(xiàn)場(chǎng)聚合的A型PI。

所謂現(xiàn)場(chǎng)聚合成型是指三元體系的脂肪醇溶液，在室溫下不反應(yīng)，在加熱條件下才形成低聚物，最后在高溫高壓條件下加成固化為交聯(lián)結(jié)構(gòu)。

（3）LARC-160 LARC-160是蘭利研究中心開(kāi)發(fā)的熱熔型PI。它是PMR-15 的改進(jìn)型，主要區(qū)別采用了多價(jià)液狀胺的低聚物。其特點(diǎn)是在室溫下為單體溶液，浸漬性好，成型性能得到顯著改善。它的強(qiáng)度為10Kg/mm2,模量為3.5×102Kg/mm2,比重約為1.40g/cm2。

（4）Thermid6000 Thermid6000的端基是具有三鍵的乙炔基，在加成固化中

進(jìn)行三聚環(huán)化，形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，使其具有優(yōu)異的耐熱性。它的分子量小于2000。當(dāng)加熱到220℃時(shí)，因固化而放熱，最終熱處理溫度是371℃，使用溫度為350℃。在固化成型過(guò)程中沒(méi)有揮發(fā)物釋放，制品空隙率低，質(zhì)量高。主要缺點(diǎn)是成型性欠佳和價(jià)高。3.2.3、聚酰亞胺及其復(fù)合材料的應(yīng)用 各種航天航空飛行器和導(dǎo)彈武器，由于飛行條件的不同。飛行時(shí)間有很大的差異。GrF/PI準(zhǔn)備用于軌道飛行器的垂直尾翼，升降副翼和后機(jī)身襟翼等。這主要時(shí)利用它的耐熱性和減重效果。例如，大型試驗(yàn)件后機(jī)身襟翼的尺寸為6.4×2.1cm，其總重量比鋁合金件輕160Kg，減重27%[8]。此外，它還用于：

①高性能軍用飛機(jī)YF-12，飛行速度在3馬赫以上。NASA的蘭利研究中心用HTSI/ PMR-15制成了該飛機(jī)的翼板，比鈦合金件減重51%。凱芙拉纖維增強(qiáng)聚酰亞胺復(fù)合材料的耐高溫性能也比較好，可用來(lái)制造DC-9型運(yùn)輸機(jī)的整流罩，可降低機(jī)身阻力和節(jié)省燃油。

②航空導(dǎo)彈的彈頭也采用了GrF/PI復(fù)合材料。

③GrF/PI可用來(lái)制造衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)件，減重17-30%。如制造耐激光和耐高溫的結(jié)構(gòu)件。3.3雙馬來(lái)酰亞胺基復(fù)合材料 3.3.1雙馬來(lái)酰胺基復(fù)合材料的發(fā)展

高性能復(fù)合材料廣泛的使用環(huán)氧樹(shù)脂作為基體，主要是因?yàn)槠涑尚凸に嚭谩－h(huán)氧樹(shù)脂存在的主要缺點(diǎn)是耐濕熱性差，如廣泛使用的5208環(huán)氧體系在干態(tài)下可耐到177℃。而濕態(tài)只能耐到121℃；其次是用作主受力結(jié)構(gòu)件還略顯脆性，5208環(huán)氧基體的斷裂延伸率為1.7%，但目前一出現(xiàn)斷裂延伸率大于2%的碳纖維，人們對(duì)于雙馬來(lái)酰胺的興趣在于[9]，經(jīng)過(guò)改性的雙馬來(lái)酰胺基體的耐濕熱性與韌性均優(yōu)于5208體系，同時(shí)具有類似環(huán)氧樹(shù)脂的良好加工性能，能滿足熱壓罐成型。

馬來(lái)均聚物本身脆性大，用來(lái)制備復(fù)合材料的工藝性差。需使用高沸點(diǎn)的極性溶劑，制備的預(yù)浸料僵硬，無(wú)結(jié)性，鋪覆性不好，成型溫度高。因此，今年來(lái)圍繞著提高韌性以及工藝性能對(duì)雙馬樹(shù)脂進(jìn)行改性研究。

人們?cè)缇驮?0年代就合成出雙馬樹(shù)脂基體，到了70年代，為了解決環(huán)氧樹(shù)脂的耐濕熱性差的問(wèn)題，才開(kāi)始將雙馬樹(shù)脂用作高性能復(fù)合材料基體，目前已商品化的雙馬樹(shù)脂預(yù)浸料牌號(hào)有10余鐘，作為高性能復(fù)合材料的基體，國(guó)內(nèi)一些單位也有研究，為了進(jìn)一步推動(dòng)雙馬樹(shù)脂的發(fā)展與應(yīng)用，特別對(duì)高性能復(fù)合材料用雙馬基體進(jìn)行總結(jié)[10]。3.3.2雙馬來(lái)酰胺樹(shù)脂的改性 內(nèi)擴(kuò)鏈法增韌

雙馬來(lái)酰胺樹(shù)脂未改性的BMI因2端的馬來(lái)酰亞胺(MI)間鏈節(jié)短,導(dǎo)致分子鏈剛性大,固化物交聯(lián)密度高。為使固化物具有柔韌性,人們?cè)O(shè)法將MI間的2R2鏈延長(zhǎng),并增大鏈的自旋性和柔韌性, 減少單位體積中反應(yīng)基團(tuán)的數(shù)目,降低交聯(lián)密度, 從而達(dá)到改性目的。朱玉瓏等研究發(fā)現(xiàn),醚鍵的引入有望改善下一步所制備耐高溫絕緣材料的沖擊韌性。Jiang Bi biao等[11]研制了較普通BMI固化溫度低的含氨酯基團(tuán)的新型雙馬來(lái)酰亞胺低聚體,用其增韌后的BMI樹(shù)脂溶解性和貯存穩(wěn)定性良好, 玻璃布復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。Haoyu Tang[12]等制備了含1,3,42氧二氮唑的耐高溫BMI, 樹(shù)脂的玻璃化溫度高(Tg>350e),熱穩(wěn)定性良好, 在空氣中初始分解溫度大于460e,其玻璃布復(fù)合材料在高溫(400e)下仍具有較高的彎曲模量(>1.6GPa)。橡膠共混增韌改性

在BMI樹(shù)脂中添加少量帶活性端基的橡膠有利于大大提高體系的抗沖擊性能。目前普遍接受的增韌機(jī)理是銀紋剪切帶理論。即橡膠顆粒充作應(yīng)力集中中心從而誘發(fā)了大量的銀紋和剪切帶,這一過(guò)程要消耗大量能量,因而能顯著提高材料的沖擊強(qiáng)度,達(dá)到增韌目的。用液體橡膠增韌BMI樹(shù)脂可以使BMI韌性大幅度提高,目前應(yīng)用較多的是端羧基丁腈橡膠。此方法同時(shí)也會(huì)降低耐熱性,因此這類橡膠增韌的BMI樹(shù)脂多用作韌性塑料和膠粘劑基體,用作先進(jìn)復(fù)合材料基體的則很少, 且其價(jià)格較貴, 應(yīng)盡可能地降低成本以利推廣。胺類擴(kuò)鏈增韌改性

BMI分子結(jié)構(gòu)的C=C雙鍵由于受到2個(gè)鄰位羰基的吸電子作用而成為貧電子鍵,即一個(gè)親電子的共軛體系,易與氨基等親核基團(tuán)發(fā)生Michael加成反應(yīng),芳香族二胺改性的BMI體系具有良好的耐熱性和力學(xué)性能,但仍然存在工藝性欠佳、韌性不足、粘接性差等問(wèn)題。為此在體系中引入環(huán)氧樹(shù)脂,使其與芳香族二胺改性的BMI體系反應(yīng),形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),環(huán)氧樹(shù)脂還能克服由仲胺基(-NH-)引起的熱穩(wěn)定性降低的缺點(diǎn)。王洪波等[13]通過(guò)BMI與二元胺、環(huán)氧樹(shù)脂反應(yīng)制備了改性BMI。研究表明,二元胺增韌后的BMI和環(huán)氧樹(shù)脂能交聯(lián)固化, 并且固化溫度越高, 固化程度越完全,交聯(lián)密度越大；改性BMI的熱分解溫度降低,柔韌性增加,有利于BMI在電器絕緣材料和膠粘劑等領(lǐng)域的應(yīng)用。高性能熱塑性樹(shù)脂增韌改性

利用某些高性能熱塑性樹(shù)脂耐熱性較好的特點(diǎn), 可在一定程度上克服用橡膠增韌BMI后耐熱性降低較多的缺點(diǎn),因此通過(guò)與熱塑性樹(shù)脂共混增韌BMI的研究受到了重視。其改性途徑主要有兩種形式。

一種是熱塑性樹(shù)脂作為第二相增韌。該樹(shù)脂的剛性與基體樹(shù)脂接近,有較強(qiáng)的韌性和較高的斷裂伸長(zhǎng)率,當(dāng)?shù)诙嗟捏w積分?jǐn)?shù)適當(dāng),就可以發(fā)生裂紋釘錨增韌作用,即在材料受力的情況下,第二相可誘發(fā)基體樹(shù)脂產(chǎn)生銀紋,同時(shí)由于本身的熱塑性形變能有效地抑制裂紋擴(kuò)展, 吸收較多能量, 起到增韌作用。另一種是用熱塑性樹(shù)脂連續(xù)貫穿于BMI樹(shù)脂網(wǎng)絡(luò),形成半互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物(S-IPN),進(jìn)行增韌改性。體系中的熱塑性樹(shù)脂與BMI相互貫穿,兩相之間分散性良好,相界面大,能夠很好地發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)。因此樹(shù)脂兼?zhèn)銪MI的工藝性和熱塑性樹(shù)脂的韌性 3.3.3雙馬來(lái)酰胺基體的發(fā)展趨勢(shì) BMI增韌改性朝著保持熱性能不變而使韌性提高的方向發(fā)展，這些增韌改性方法并非孤立，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)目的和用途同時(shí)應(yīng)用幾種方法增韌改性。我國(guó)在這方面的研究與國(guó)外相比差距還是比較大。應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究，開(kāi)拓新的改性方法[14]。今后我國(guó)對(duì)BMI的開(kāi)發(fā)，應(yīng)從一下幾個(gè)方面進(jìn)行：①采用先進(jìn)的增韌技術(shù)，對(duì)BMI進(jìn)行改性，如原位增韌技術(shù)，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程控制分子交聯(lián)狀態(tài)下的不均勻性，以形成有利于塑性變形的非均勻性，從而得到增韌BMI；②加強(qiáng)新型增韌劑研究，尤其是開(kāi)發(fā)耐熱強(qiáng)韌型熱塑性樹(shù)脂；③進(jìn)一步深入研究BMI的改性化學(xué)，改善其工藝性。開(kāi)發(fā)適用于RTM的粘度低、固化時(shí)間短的BMI極其無(wú)溶劑熱熔型BMI，以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料制品的工業(yè)化生產(chǎn)；④加強(qiáng)實(shí)用性BMI單體研究，有選擇地合成和生產(chǎn)多種BMI。保持較大規(guī)模的高新技術(shù)用新材料產(chǎn)業(yè)。

4、結(jié)語(yǔ)

先進(jìn)復(fù)合材料由于具有一系列優(yōu)異的性能特點(diǎn),已成為當(dāng)今高性能結(jié)構(gòu)材料的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì),隨著高技術(shù)的進(jìn)步，先進(jìn)復(fù)合材料正發(fā)揮著日益重要的作用。其中由環(huán)氧樹(shù)脂為基體的高性能復(fù)合材料由于其成型性好，所以應(yīng)用的很廣泛，但是由于其的耐濕熱性上面的缺陷，所以受到一定的限制，同時(shí)聚亞酰胺為基體的復(fù)合材料具有非常優(yōu)異的耐高溫性，從而在航空航天領(lǐng)域具有及其廣泛的應(yīng)用。雙馬來(lái)酰胺由于其的脆性，可以通過(guò)改性來(lái)改善這一問(wèn)題。21世紀(jì)是復(fù)合材料的世紀(jì)，在不久的將來(lái)，復(fù)合材料肯定會(huì)應(yīng)用到我們生活的各個(gè)方面。同時(shí)，在我們生活中發(fā)揮出來(lái)的的作用也會(huì)越來(lái)越大。