先進復合材料與樹脂基體的最新進展

玄武

1．何謂先進復合材料復合材料內(nèi)含的兩相材料，增強材料的強度、模量、耐溫性都遠高于第一代的玻璃纖維，而比重又比玻璃纖維低（俗稱三高一低），如碳纖維、Kevlar纖維、硼纖維等。聚合物基體材料比普通環(huán)氧、不飽和聚酯、酚醛、聚丙烯等樹脂的耐高溫性、韌性（斷裂延伸率）都大幅提高，如雙馬來聚酰亞胺、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚醚醚砜等。這類復合材料，國際上稱為AdvancedCompositeMaterial先進復合材料ACM。
　　
　　2．國際先進復合材料的最新進展
　　
　　（1）20世紀80年代，Roy等人提出納米復合材料（Nanocomposite）。納米材料與技術(shù)是21世紀三大科技（信息科學技術(shù)、生命科學技術(shù)、納米科學技術(shù)）之一，而納米科學技術(shù)是前二者進一步發(fā)展的共同基礎。納米是幾何尺寸的度量單位，其長度為一米的十億分之一，略等于4—5個原子排列起來的長度。它正好處于以原子、分子為代表的微觀世界和人類活動空間為代表的宏觀世界的中間地帶。當物質(zhì)尺寸<0.1μm（100nm），其常溫物理化學性質(zhì)發(fā)生顯著變化，顯示出奇異特性。它的力、熱、電、光、磁、化學性質(zhì)皆與傳統(tǒng)固相顯著不同。納米粒子一般在1—100nm。納米復合材料與單一納米材料不同，這是由兩種或兩種以上的固相至少在一方向上以納米級大小復合而成的材料。分為：樹脂基納米復合材料、金屬基納米復合材料、陶瓷基納米復合材料。當前樹脂基納米復合材料當前是將無機填加劑（硅酸鹽）在聚合物基體間達到納米尺度的高度分散，其性能發(fā)生優(yōu)異變化。
　　
　　（2）先進的纖維增強熱塑性復合材料纖維增強熱塑性樹脂復合材料（FRTP），具韌性耐蝕性和抗疲勞性高，成型工藝簡單周期短，材料利用率高（無廢料），預浸料存放環(huán)境與時間無限制等優(yōu)異性能而得到快速發(fā)展。
　　
　　1951年，美國人R.bradit首先用玻璃纖維增強聚苯乙烯獲成功。1972年，英帝國化學公司首先開發(fā)成功聚醚砜（PES）。1977年英國又研發(fā)成功PEEK。美國杜邦公司1985年合成了高分子量的接枝PEEK。以后幾年又有各種耐高溫的熱塑性樹脂相繼問世。目前，國外開發(fā)和應用的先進熱塑性聚合物有聚砜（PSF）、聚醚砜（PES）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）、聚酰亞胺（PEI、PI、PAI）、聚芳脂（PAR）等，將其作為先進復合材料的基體。現(xiàn)在發(fā)達國家致力于連續(xù)纖維增強高性能熱塑性復合材料的研發(fā)。美國、德國已取得較大成果。為了進一步降低制品重量和提高剛度，美國用模量960Gpa的碳纖維取代模量為440Gpa的碳纖維。實驗結(jié)果，與鋁結(jié)構(gòu)相比，先進復合材料的減振能力提高60—80倍，剛度增加了70%。美國在90年代末建造空間站中大量采用高性能熱塑性復合材料。美國宇航局制造的空間站桁架，采用了CF/PEEK和CF/PEI型材。BoeingAerospace公司用熱壓成型技術(shù)制造了美國軍用AIW巡航導彈殼體、殼體外蒙皮、構(gòu)架和頭錐等32個構(gòu)件，都是用Avtel玻纖/PPS制的。美國新型殲擊機YF-22上采用大量先進熱塑性復合材料。
　　
　　近20年來，隨著剛性、耐熱性及耐介質(zhì)性能好的芳香族熱塑性樹脂基體的出現(xiàn)，以及具有高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異性能碳纖維、芳倫纖維、碳氟纖維（PTFE）等高性能纖維的發(fā)展，使先進熱塑性復合材料克服了一般FRTP使用溫度低，模量小，強度差等缺點，使其在航空航天等高科技領(lǐng)域獲得越來越多的應用。美國NASP計劃開發(fā)新樹脂，使其使用溫度能達371℃。美國航天飛機軌道器采用CF/PI復合材料代替目前使用的2219鋁合金，結(jié)構(gòu)耐熱能力可以從現(xiàn)在的177℃提高到316℃，結(jié)構(gòu)重量和熱防護系統(tǒng)重量可減輕30%。PEEK、PPS等樹脂基復合材料還可作隱身飛機的吸波結(jié)構(gòu)材料。
　　
　　20世紀90年代中期，在經(jīng)歷“挑戰(zhàn)者”號航天飛機爆炸等事件后，美國宇航局為確保美國稱霸太空戰(zhàn)略的順利實施，決定開發(fā)下一代太空飛機—-空天飛機X-33，作為美國爭霸太空的利器。空天飛機是一種航天飛機和普通飛機之間的飛行器。它能以普通飛機方式起飛，能在30—100公里高大氣層中以15馬赫的速度作極超聲速飛行，能夠直接進入低地球軌道，返回大氣層并能水平著陸。空天飛機可作為反衛(wèi)星武器平臺和太空監(jiān)視偵察平臺，用于快速部署或回收衛(wèi)星。它具有航空與航天雙重功能和兩個空間層次作戰(zhàn)功能。空天飛機將是21世紀的超級空中“全能明星”。空天飛機X-33采用大量先進纖維增強復合材料，且較大部分為高性能熱塑性復合材料。如推力結(jié)構(gòu)、尾翼、機身、燃料箱、電子設備艙、有效荷載艙等。復合材料用量占到了結(jié)構(gòu)總量的80%以上。
　　
　　3．國內(nèi)發(fā)展概況
　　
　　國內(nèi)樹脂基復合材料自“六五”以來，經(jīng)歷20多年研究與應用，以取得很大進步。研制成功成功一批高性能樹脂基體。包括高韌性BMI樹脂基體、高韌性高溫和中溫固化環(huán)氧樹脂基體、阻燃環(huán)氧樹脂基體等。其中北京航空材料研究所研制的5428和5429高韌性BMI復合材料的CAI值分別達到260MPa和290Mpa,長期使用溫度為150℃和170℃。LP15聚酰亞胺復合材料具有無毒、工藝性優(yōu)異、韌性好等特點，可在280℃下長期使用。北京航空工藝研究所研制的QY8911系列樹脂具有良好的綜合力學性能。西北工業(yè)大學研制的4503ABMI具有良好的電性能，可制造高性能雷達罩。
　　
　　國家從“七五”開始，對高性能熱塑性樹脂的研究開發(fā)，在國家重點科技攻關(guān)計劃和863計劃中立項。由吉林大學承擔研究“九五”末已完成PES樹脂300噸/年的放大技術(shù)和PEEK樹脂30噸/年中試，已通過鑒定驗收。由大連理工大學蹇錫高教授等承擔的國家“八五”“九五”重點科技攻關(guān)項目，雜萘聯(lián)苯聚醚酮（PPEK）、雜萘聯(lián)苯聚醚砜（PPES）及其系列共聚物，雜萘聯(lián)苯聚醚砜酮（PPESK）中試化生產(chǎn)已于2001年3月通過國家鑒定，評為國際領(lǐng)先水平。
　　
　　對纖維增強熱塑性基體先進復合材料研究，特別是碳纖維增強聚醚砜、聚醚酮類先進復合材料的研究，國家在“八五”“九五“計劃中給予重點支持。由曾漢民教授主持，由中山大學、703所、621所、中科院金屬所、化學所等單位參與研究的國家自然科學基金重大項目“復合材料微觀結(jié)構(gòu)與性能研究”，對復合材料界面層的形成、控制和機理、界面微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能、復合工藝等方面進行了創(chuàng)造性工作，成果處于國際先進水平。哈爾濱玻璃鋼研究院承擔了863項目中連續(xù)纖維增強熱塑性樹脂基復合材料以及中長纖維增強熱塑性片材的工藝研究課題，重點研究了連續(xù)纖維增強聚醚醚酮復合材料的熔融浸漬技術(shù)、纏繞和拉擠工藝技術(shù)。
　　
　　目前，國內(nèi)雖然形成了研究高性能熱塑性樹脂基復合材料熱潮，但多集中在短纖維增強熱塑性復合材料方面。而連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料雖然作為后起之秀，性能上比短纖維復合材料好得多，但由于起步晚、成本高、成型相對困難等，目前仍處于研究開發(fā)階段。經(jīng)過業(yè)界同仁努力，相信前景將相當誘人和廣闊。



摘自：http://www.zxxk.com/huodong/2009jsj/Info.aspx?InfoID=113088