先進(jìn)復(fù)合材料與樹脂基體的最新進(jìn)展

玄武

1．何謂先進(jìn)復(fù)合材料復(fù)合材料內(nèi)含的兩相材料，增強(qiáng)材料的強(qiáng)度、模量、耐溫性都遠(yuǎn)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(fù)合材料，國際上稱為AdvancedCompositeMaterial先進(jìn)復(fù)合材料ACM。
　　
　　2．國際先進(jìn)復(fù)合材料的最新進(jìn)展
　　
　　（1）20世紀(jì)80年代，Roy等人提出納米復(fù)合材料（Nanocomposite）。納米材料與技術(shù)是21世紀(jì)三大科技（信息科學(xué)技術(shù)、生命科學(xué)技術(shù)、納米科學(xué)技術(shù)）之一，而納米科學(xué)技術(shù)是前二者進(jìn)一步發(fā)展的共同基礎(chǔ)。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(gè)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(dòng)空間為代表的宏觀世界的中間地帶。當(dāng)物質(zhì)尺寸<0.1μm（100nm），其常溫物理化學(xué)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(xué)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(fù)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(jí)大小復(fù)合而成的材料。分為：樹脂基納米復(fù)合材料、金屬基納米復(fù)合材料、陶瓷基納米復(fù)合材料。當(dāng)前樹脂基納米復(fù)合材料當(dāng)前是將無機(jī)填加劑（硅酸鹽）在聚合物基體間達(dá)到納米尺度的高度分散，其性能發(fā)生優(yōu)異變化。
　　
　　（2）先進(jìn)的纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)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(yù)浸料存放環(huán)境與時(shí)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(qiáng)聚苯乙烯獲成功。1972年，英帝國化學(xué)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(yīng)用的先進(jìn)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(jìn)復(fù)合材料的基體。現(xiàn)在發(fā)達(dá)國家致力于連續(xù)纖維增強(qiáng)高性能熱塑性復(fù)合材料的研發(fā)。美國、德國已取得較大成果。為了進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，與鋁結(jié)構(gòu)相比，先進(jìn)復(fù)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(fù)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(dǎo)彈殼體、殼體外蒙皮、構(gòu)架和頭錐等32個(gè)構(gòu)件，都是用Avtel玻纖/PPS制的。美國新型殲擊機(jī)YF-22上采用大量先進(jìn)熱塑性復(fù)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(qiáng)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(jìn)熱塑性復(fù)合材料克服了一般FRTP使用溫度低，模量小，強(qiáng)度差等缺點(diǎn)，使其在航空航天等高科技領(lǐng)域獲得越來越多的應(yīng)用。美國NASP計(jì)劃開發(fā)新樹脂，使其使用溫度能達(dá)371℃。美國航天飛機(jī)軌道器采用CF/PI復(fù)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(hù)系統(tǒng)重量可減輕30%。PEEK、PPS等樹脂基復(fù)合材料還可作隱身飛機(jī)的吸波結(jié)構(gòu)材料。
　　
　　20世紀(jì)90年代中期，在經(jīng)歷“挑戰(zhàn)者”號(hào)航天飛機(jī)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(shí)施，決定開發(fā)下一代太空飛機(jī)—-空天飛機(jī)X-33，作為美國爭霸太空的利器。空天飛機(jī)是一種航天飛機(jī)和普通飛機(jī)之間的飛行器。它能以普通飛機(jī)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(jìn)入低地球軌道，返回大氣層并能水平著陸。空天飛機(jī)可作為反衛(wèi)星武器平臺(tái)和太空監(jiān)視偵察平臺(tái)，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(gè)空間層次作戰(zhàn)功能。空天飛機(jī)將是21世紀(jì)的超級(jí)空中“全能明星”。空天飛機(jī)X-33采用大量先進(jìn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，且較大部分為高性能熱塑性復(fù)合材料。如推力結(jié)構(gòu)、尾翼、機(jī)身、燃料箱、電子設(shè)備艙、有效荷載艙等。復(fù)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(fù)合材料自“六五”以來，經(jīng)歷20多年研究與應(yīng)用，以取得很大進(jìn)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(fù)合材料的CAI值分別達(dá)到260MPa和290Mpa,長期使用溫度為150℃和170℃。LP15聚酰亞胺復(fù)合材料具有無毒、工藝性優(yōu)異、韌性好等特點(diǎn)，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(xué)性能。西北工業(yè)大學(xué)研制的4503ABMI具有良好的電性能，可制造高性能雷達(dá)罩。
　　
　　國家從“七五”開始，對(duì)高性能熱塑性樹脂的研究開發(fā)，在國家重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃和863計(jì)劃中立項(xiàng)。由吉林大學(xué)承擔(dān)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(yàn)收。由大連理工大學(xué)蹇錫高教授等承擔(dān)的國家“八五”“九五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)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(píng)為國際領(lǐng)先水平。
　　
　　對(duì)纖維增強(qiáng)熱塑性基體先進(jìn)復(fù)合材料研究，特別是碳纖維增強(qiáng)聚醚砜、聚醚酮類先進(jìn)復(fù)合材料的研究，國家在“八五”“九五“計(jì)劃中給予重點(diǎn)支持。由曾漢民教授主持，由中山大學(xué)、703所、621所、中科院金屬所、化學(xué)所等單位參與研究的國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)與性能研究”，對(duì)復(fù)合材料界面層的形成、控制和機(jī)理、界面微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能、復(fù)合工藝等方面進(jìn)行了創(chuàng)造性工作，成果處于國際先進(jìn)水平。哈爾濱玻璃鋼研究院承擔(dān)了863項(xiàng)目中連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料以及中長纖維增強(qiáng)熱塑性片材的工藝研究課題，重點(diǎn)研究了連續(xù)纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)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(fù)合材料熱潮，但多集中在短纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料方面。而連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料雖然作為后起之秀，性能上比短纖維復(fù)合材料好得多，但由于起步晚、成本高、成型相對(duì)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(dāng)誘人和廣闊。



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