发动机用耐高温聚酰亚胺树脂基复合材料的研究进展
航空发动机用耐高温材料的研究进展_张鹏
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航空发动机用耐高温材料的研究进展*
张 鹏1,朱 强1,秦 鹤 勇2,沈 文 涛3
(1 哈尔滨工业大学(威海)材料科学与工程学院,威海 264209;2 钢铁研究总院, 北京 100081;3 中国第二重型机械集团公司,德阳 618000)
(1 School of Materials Science and Engineering,Harbin Institute of Technology at Weihai,Weihai 264209;2 Central Iron & Steel Research Institute,Beijing 100081;3 China National Erzhong Group Co.,Deyang 618000)
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材料导报 A:综述篇
2014 年 6 月 (上 )第 28 卷 第 6 期
抗氧化、抗热腐蚀 等 综 合 性 能,成 为 高 性 能 先 进 航 空 发 动 机 高温涡轮叶片的主要材料。我国研制了 DD402、DD406等 单 晶合金。其中第一 代 单 晶 合 金 DD402 在 1100 ℃、130 MPa 应力下持久寿命大于100h,适合制作工作温 度在 1050 ℃以 下的涡轮叶片,是 国 内 使 用 温 度 最 高 的 涡 轮 叶 片 材 料;第 二 代单晶合金 DD406含2% Re,使用温度可达 800~1100 ℃, 正在先进航空发动机上进行使用考核 。 [7]
Key words aero-engine,high temperature materials,high temperature oxidation,protective coatings
耐高温可溶性聚酰亚胺树脂及其复合材料
62%, 层间剪切强度保持率可达 48%, 具有较优异的高温力学性能 . 采用普通模压工艺制备了厚度高达 45 mm
的复合材料制件, 进一步证明这 2 种树脂具有优异的工艺性 .
关键词 聚酰亚胺树脂;可溶性;复合材料;力学性能;热性能
中图分类号 O633
文献标志码 A
聚酰亚胺复合材料作为一类先进的树脂基复合材料,因具有极高的耐温等级、优异的高低温力学 性能和介电性能以及成型工艺上的多样性,在航空航天领域应用广泛[1,2]. 美国 NASA 路易斯研究中心 于 20 世纪 70 年代首先开发出了 PMR(Polymerization of Monomeric Reactants)型聚酰亚胺树脂 PMR-15. PMR-15 的复合材料可在 316 ℃下长期使用,但力学性能与耐热性不能满足更高温度的要求 . 为了进一 步提高材料的使用温度,美国 NASA 及空军材料实验室又开发出 DMBZ-15,PMR-Ⅱ-50V-CAP 和 AFR700 等 PMR 型的聚酰亚胺树脂,其中一些品种可在 371 ℃高温下长期使用[3~8]. 但 PMR 型聚酰亚胺树脂 及其复合材料仍然存在存储期短、所使用的单体存在安全性问题及加工过程中易产生小分子挥发物使 复合材料孔隙率偏高等许多缺点[9~11]. 陈祥宝等[12]合成了 LP-15 树脂,与 PMR-15 相比,LP-15 树脂避免 了高毒性单体的使用,提高了韧性,具有更好的流动性,可以在较低的压力下加工复合材料 .
Fig. 3 Isothermal viscosity profiles of PI⁃1 and PI⁃2
Fig. 4 Processing cycle of polyimide composite
图 4 示出了聚酰亚胺树脂基复合材料的成型工艺 . 首先,将预浸料在烘箱中于 200 ℃处理 3~4 h, 以去除二氧六环溶剂;然后,在室温下装入模具中,在平板硫化机上以 3~5 ℃/min 的速率升温到 350 ℃,并停留 3~5 min,施加 2 MPa 的压力并保持此压力继续升温至 371 ℃固化 2 h,中间有 3~4 次的 泄压除气过程,使复合材料成型固化;最后,保压降温至 200 ℃以下卸压,开模取出复合材料 . 在本文 中,溶剂的去除和封端基的交联反应两个过程完全分开,并且树脂是亚胺化后的低分子量预聚物,固 化过程中无溶剂及水等小分子放出,有利于制备低孔隙率的复合材料 . 2.4 聚酰亚胺树脂低聚物与固化物的热性能
耐高温聚酰亚胺树脂及其复合材料的研究进展_杨士勇
·综述·耐高温聚酰亚胺树脂及其复合材料的研究进展杨士勇 高生强 胡爱军 李家泽( 中国科学院化学研究所工程塑料国家重点实验室 北京 100080 )许英利( 航天材料及工艺研究所 北京 100076 )文 摘 综述了耐高温聚酰亚胺基体树脂及其碳纤维复合材料的研究进展,基体树脂包括耐316℃的PMR型热固性聚酰亚胺如PMR—15、KH—304等,和耐371℃聚酰亚胺基体树脂如PMR—Ⅱ—50、AFR—700B、V—CAP—50、V—C AP—75、KH—305等。
介绍了它们的化学合成、结构、物化性能以及结构与性能之间的关系,并对耐高温树脂基复合材料在航天、航空及空间技术领域中的应用情况做了简单的介绍。
关键词 聚酰亚胺,耐高温复合材料,碳纤维Progress in High Temperature Polyimide Matrix Resins andCarbon Fiber Reinforced CompositesYang Shiyong Gao Shengqiang Hu Aijun Li Jiaze ( The State Key Laboratory of Engineering Plastics,Institute of Chemistry,Chinese Academy of Sciences Beijing 100080 )Xu Yingli( Aerospace Research Institute of Materials and Processin g Technology Beijing 100076 )A bstract Advanced high temperature polyimide matrix resins and its carbon fiber reinforced composites were re-viewed.The matrix resins include PMR polyimides for service temperature of316℃such as P MR-15,KH-304,and PMR polyimides for371℃applications such as PMR-Ⅱ-50,AFR-700B,V-C AP-50,V-CAP-75,KH-305, etc.The chemical synthesis,structures,physical-chemical properties of the matrix and c omposites were discussed.Their applications in aer ospace industr y was also presented.Key words Polyimide,High temperature composites,Carbon fibers1 前言热固性PMR型聚酰亚胺基碳纤维增强复合材料由于其优异的耐热氧化稳定性能、高温下突出的力学性能、耐辐射性能以及很好的化学物理稳定性等,近年来在航天、航空及空间技术等领域得到了广泛的应用。
聚酰亚胺复合材料的制备和性能研究
聚酰亚胺复合材料的制备和性能研究聚酰亚胺(PAI)是一种高性能工程塑料,常用于制造复合材料。
PAI具有优异的耐热性、耐磨性和抗腐蚀性,是制造高强度、高温度稳定性和耐腐蚀性部件的理想材料。
然而,由于其高价格和制备难度,PAI在工业应用中的使用量相对有限。
为了进一步提高PAI的性能和降低其成本,研究人员开展了PAI复合材料的制备和性能研究。
一、PAI基础性质PAI是一种高性能热塑性工程塑料,具有以下基础性质:1.优异的耐热性:PAI可耐受高达316℃的高温,可以在高温下保持良好的性能稳定性。
2.良好的耐化学腐蚀性:PAI耐各种有机溶剂和腐蚀性介质的腐蚀性。
3.优异的力学性能:PAI具有高强度和高模量,以及良好的抗疲劳性和撞击性能。
4.良好的自润滑性:PAI具有优异的自润滑性能,可以在摩擦条件下降低摩擦系数和磨损率。
二、PAI复合材料的制备方法PAI复合材料是将PAI与其他材料混合制备而成的一种新型材料,常见的PAI复合材料包括PAI/碳纤维(CF)、PAI/玻璃纤维(GF)、PAI/润滑剂等。
PAI复合材料的制备方法包括以下几种:1.熔体混合法:将PAI与其他材料熔融混合,然后制备成所需形状。
2.浸渍法:将PAI浸渍于其他材料的预制件中,然后进行热压成型。
3.层压法:将PAI与其他材料按一定比例层压后热处理。
4.球磨法:将PAI和其他材料在球磨机中共同球磨,然后进行压制。
三、PAI复合材料的性能研究PAI作为一种高性能工程塑料,在复合材料中加入其他材料后,可以进一步提高其性能。
PAI复合材料的性能研究主要包括以下方面:1.力学性能:加入纤维增强剂和润滑剂后,PAI复合材料的强度和弹性模量均呈现出不同程度的提高。
例如,PAI/CF复合材料的拉伸强度可达到1.5GPa以上,是普通PAI的4倍以上。
2.耐热性:PAI具有良好的耐热性,在PAI复合材料中加入纤维增强剂和润滑剂后,其耐热性能的提高程度因材料而异。
聚酰亚胺复合材料的应用研究进展
聚酰亚胺复合材料的应用研究进展摘要:聚酰亚胺属于具备一定耐高温性能、耐腐蚀性能、力学性能的材料,目前主要应用在航空航天领域、微电子领域、液晶显示领域中,取得了良好的成绩,但是,将其应用在航空航天、导电带的电磁屏幕外罩制造方面、军工用防静电服与防尘服的制造方面,存有缺陷问题,在此情况下,开始应用聚酰亚胺复合材料,不仅能够缓解目前的问题,还能促使各个生产领域中材料的良好运用,具有重要的意义和作用。
关键词:聚酰亚胺;复合材料;研究综述聚酰亚胺主要分成缩聚类型、加聚类型两种,当前在相关材料制备的过程中主要进行阻燃纤维、微孔隔膜的制备处理,具有一定的应用价值和发展意义,而且在材料实际应用的过程中,主要应用在造纸化学品领域、浸渍纸领域中,有着一定的应用价值。
1聚酰亚胺复合材料的制备现状对于相关复合材料的制备来讲,由于性能和聚酰亚胺的复合物质存在一定的差异性,所以,制备的方式也有所不同,聚酰亚胺复合材料制备期间主要的现状为:1.1.阻燃纤维的制备上个世纪六十年代,通过二步法先进行聚酰胺酸溶液的制备,将其作为纺丝液,采用湿法纺丝的形式或者是干法纺丝的形式进行处理,之后将初生丝转变成为聚酰亚胺纤维复合型材料。
1967年的时候,西方发达国家使用湿法纺丝的技术措施制备了聚酰亚胺纤维,经过检测可以发现其断裂强度能够控制在6.0,其的初始模量能够控制在72,可以将断裂的伸长率维持在百分之十三左右,在性能裹征方面的热力学性能较为良好、化学稳定性能很高,之后就被当做是阻燃性的材料广泛的进行应用。
1.1.微孔隔膜复合材料的制备此类制备工艺主要是将N-二甲基乙酰胺当做是溶剂,在操作的过程中制备出纯度较高的聚酰胺酸溶液,之后利用涂膜固化的方式、程序化升温的方式等,使其能够达到酰亚胺化的目的,获得到纯度很高的聚酰亚胺薄膜。
具体制备期间,聚酰亚胺薄膜中设置正硅酸四乙酯材料进行处理,实现溶胶-凝胶方面的一系列反应,然后借助热酰亚胺化的技术措施,制备二氧化硅含有数量存在差异性的聚酰亚胺/二氧化硅的复合材料薄膜,之后将其中的二氧化硅去除之后,就能够获得到相应的聚酰亚胺微孔隔膜材料,经过科学化的制备、合理性的生产,确保材料的质量[1]。
热固性聚酰亚胺树脂基复合材料的增韧改性研究进展
聚酰亚胺树脂复合材料
航空航天领域
总结词
聚酰亚胺树脂复合材料具有轻质、高强 、耐腐蚀等特性,适用于航空航天领域 。
VS
详细描述
聚酰亚胺树脂复合材料具有出色的力学性 能和耐腐蚀性,能够承受极端的温度和压 力变化。在飞机和航天器的制造中,它被 广泛应用于制造结构件、发动机部件和热 保护系统等关键部位。
微电子封装领域
总结词
02
在制备过程中,需控制各步骤的工艺参数,如温度、压力 、时间等,以保证复合材料的结构和性能符合要求。
03
此外,为了提高复合材料的性能,还可以采用一些特殊的 制备工艺,如预浸渍、层压、编织等。
03
聚酰亚胺树脂复合材料的性能特点
电性能
聚酰亚胺树脂复合材料具有良好的绝 缘性能,其介电常数和介质损耗较低 ,可用于制造高压绝缘材料和电子元 件的绝缘涂层。
能源领域
用于制造高温、高压环境下的反应堆 材料、热交换器以及高温烟气脱硫装 置等。
汽车工业
用于制造汽车发动机部件、变速器齿 轮以及汽车电气系统中的高温绝缘材 料等。
聚酰亚胺树脂复合材料的发展历程
20世纪50年代
20世纪70年代
聚酰亚胺树脂的合成研究开始起步,并逐 渐应用于复合材料的制备。
随着航空航天和电子信息产业的迅猛发展 ,聚酰亚胺树脂复合材料的应用逐渐广泛 。
特性
具有优异的热稳定性、电气绝缘性、 耐磨性、耐腐蚀性以及低摩擦系数等 特点,同时还具备较高的机械强度和 良好的加工性能。
聚酰亚胺树脂复合材料的用途
航空航天领域
用于制造飞机和航天器的结构件、发 动机部件以及高温环境下的电子设备 外壳等。
电子信息产业
用于制造高可靠性的电子元器件、集 成电路封装材料、液晶显示屏以及高 精度的电子测量仪器等。
聚酰亚胺树脂基吸波复合材料的制备及性能研究
聚酰亚胺树脂基吸波复合材料的制备及性能研究结构功能一体化已经成为当今材料科学与技术发展的主要方向,特别是对于吸波材料来说。
实现吸波材料―薄、宽、轻、强‖目标同时兼具良好耐温性已经成为新型吸波材料的必然发展趋势。
本文以耐高温聚酰亚胺树脂作为基体,碳化硅纤维(SiCf)作为增强体,炭黑(CB)、碳纳米管(CNT)、石墨烯(GNP)和Ti3SiC2为吸收剂,通过热压法制备吸波复合材料。
研究了吸收剂/聚酰亚胺吸波复合材料,SiCf/聚酰亚胺吸波复合材料的微观结构、力学性能以及复合材料在X波段(8.2~12.4)内介电和吸波性能。
本文的主要研究内容和结果如下:通过对树脂预聚体固化动力学的分析,得到了聚酰亚胺树脂预聚体反应的特征温度和固化动力学模型,固化反应的活化能为99.8KJ/mol,固化反应基本为一级反应。
通过热-红外技术分析检测理论上聚酰亚胺树脂在高温过程中的分解产物,揭示了聚酰亚胺树脂在高温下的分解过程。
分别以CB、CNT、CB/CNT和Ti3SiC2为吸收剂制备了吸收剂/聚酰亚胺吸波复合材料。
对于CB/聚酰亚胺复合材料,复合材料介电常数的实部和虚部都随着CB含量的增加而增加,力学性能随着CB含量的增加先增加后降低。
当CB含量为6wt%,复合材料具有最佳的吸波效果;对于CNT/聚酰亚胺复合材料和CB/CNT/聚酰亚胺复合材料,复合材料的复介电常数随着吸收剂含量的增加而增加,随着温度的升高而逐步增大。
当CNT或CB/CNT的含量为5wt%,复合材料具有最优的吸波性能。
CB取代部分的CNT可以提高复合材料的介电常数,同时并不降低复合材料的力学性能;对于Ti3SiC2/聚酰亚胺复合材料,复合材料的复介电常数,力学性能随着吸收剂含量的增加而增加,高温介电常数随着测试温度升高而逐步增大。
研究了制备工艺对塞利菲碳化硅纤维(SLFSiCf)增强聚酰亚胺复合材料力学性能的影响:具体包括纤维表面状态、施加压力大小、加压温度点的选择和后固化温度,时间。
聚酰亚胺合成
聚酰亚胺的研究与进展摘要聚酰亚胺是一种重要的高性能聚合物材料,由于其优异的耐热性能、介电性能、粘附性能、耐辐射性能、力学机械性能以及很好的化学物理稳定性等,近年来在航天航空、电子电力、精密机械等高新技术领域得到了广泛的应用,是目前树脂基复合材料中耐温性最高的材料之一。
本文详细介绍了聚酰亚胺的分类, 合成方法, 应用及其发展究现状和未来的发展动向。
关键词聚酰亚胺;合成方法;耐高温复合材料;涂料;覆铜板1、前言随着航空航天、电子信息、汽车工业、家用电器等诸多方面技术领域日新月异的发展, 对材料提出的要求也越来越高。
如: 高的耐热性和机械性能,优良的电性能和耐久性等,因此材料的研究也在不断地朝着高性能化、多功能化、轻量化和低成本化方向发展。
聚酰亚胺就是综合性能非常优异的材料。
它是一类主链上含有酰亚胺环的高分子材料。
由于主链上含有芳香环, 它作为先进复合材料基体,具有突出的耐温性能和优异的机械性能,是目前树脂基复合材料中耐温性最高的材料之一。
用作电子信息材料,聚酰亚胺除了具有突出的耐高温性外, 还具有突出的介电性能与抗辐射性能,是当前微电子信息领域中最好的封装和涂覆材料之一。
除此之外,聚酰亚胺树脂在胶粘剂、纤维、塑料与光刻胶等方面也表现出综合性能优异的特点。
为此,近些年来,人们对聚酰亚胺树脂给予了高度的重视,聚酰亚胺树脂的研究与应用得以迅速发展。
在应用方面,目前国际上生产聚酰亚胺的厂家有超过60家之多并且聚酰亚胺种类繁多,重要品种就有20多个,其应用领域也在不断扩大。
从上世纪60年代以来,我国聚酰亚胺材料也迅速发展。
2、聚酰亚胺材料的分类聚酰亚胺主要分为脂肪族聚酰亚胺和芳香族聚酰亚胺。
因为脂肪族聚酰亚胺实用性差, 因此通常所说的聚酰亚胺一般指芳香族聚酰亚胺。
另外,从合成方法来分,聚酰亚胺材料可分为热固性树脂和热塑性树脂两大类。
热塑性聚酰亚胺材料一般采用两步合成法制备,即首先在极性溶剂中由有机芳香四酸二酐和有机芳香二胺反应制成聚酰胺酸溶液, 然后经高温热处理使聚酰胺酸环化脱水生成不溶不熔的聚酰亚胺材料。
发动机用耐高温聚酰亚胺树脂基复合材料的研究进展
第 32 卷 第 6 期 2012 年 12 月
航空材料学报
JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALS
Vol. 32,No. 6 December 2012
发动机用耐高温聚酰亚胺树脂基 复合材料的研究进展
包建文, 陈祥宝
( 北京航空材料研究院 先进复合材料重点实验室,北京 100095)
酰亚胺源于 20 世纪 70 年代,是一种以降冰片烯为 封端基的聚酰亚胺预聚物,在固化过程中降冰片烯 发生 Revers Diels-Alder 反 应 生 成 热 固 性 聚 酰 亚 胺[2,3]。P13N 就是最早研制的 PMR 聚酰亚胺树脂, 但其树脂黏度大,加工困难,使 P13N 并未得以广泛 应用。在此基础上,美国 NASA Lewis 中心的 Serafini 等 人 改 进 了 PMR 聚 酰 亚 胺 复 合 材 料 的 制 备 方 法[4],将二酯化的芳香四酸和芳香二胺以及封端剂 ( 5-降冰片烯-2,3-二羧酸单甲酯,NE) 溶解在低沸点
Generation of PI resin First-generation Second-generation Third-generation Fourth-generation
环氧树脂-聚酰亚胺树脂研究进展
环氧树脂-聚酰亚胺树脂研究进展环氧树脂(EP)有优异的粘结性、热性能和机械性能,以其为基体的复合材料已广泛应用于航空航天、电子电气等领域;但纯环氧树脂的脆性大,其热性能以及电性能等不能满足这些领域的要求,必需对环氧树脂进展改性以增强其韧性、热稳定性及电性能。
改善脆性的途径有:共聚或共混,使固化产物交联网络疏散;引入适当组分形成互穿网络或两相体系;通过分子设计在分子链中引入柔性链段№]。
但在环氧树脂分子链中引入柔性链段会降低环氧树脂的耐热性。
为得到韧性环氧树脂材料。
人们已尝试用橡胶和聚丙烯酸酯改性,环氧树脂中引入这些聚合物材料提高了其韧性,但在提高玻璃化温度(Tg)、使用温度和耐弯曲性方面未取得成功。
近来,热塑性工程塑料已被用于增韧环氧树脂。
由于这些塑料具有高模量和高玻璃化温度,改性后的环氧树脂的模量和玻璃化温度可以到达甚至超过纯环氧树脂。
聚酰亚胺(包括交联型和缩聚型)是一类性能优异的工程塑料,具有耐上下温性能、突出的机械性能等,广泛应用于对热稳定性、机械性能要求高的领域¨’一引。
在环氧树脂中引入聚酰亚胺或向环氧树脂单体骨架引入亚胺环构造,提高环氧树脂的热稳定性和韧性,取得较为满意的结果。
1聚酰亚胺/环氧树脂共聚或共混1.1热塑性聚酰亚胺/环氧树脂共聚或共混最近,人们对用高性能芳香热塑性聚合物共混增韧热固性树脂做了大量研究,热塑性聚酰亚胺就是其中很重要的一类。
有些聚酰亚胺如聚醚酰亚胺(PEI)等与未固化环氧树脂有很好的相容性和溶解性而已被用于环氧树脂的增韧,由于其玻璃化温度(Tg)与交联环氧树脂网络的取相近,因此在提高环氧树脂抗破坏性的同时。
没有降低(甚至提高)其他关键的层压性能和热/湿性能。
Biolley等用具有相当高玻璃化温度的二苯酮四酸二酐(BTDA)和4.4'-(9-氢-9-亚芴基)二苯胺(FBPA)合成的可溶性热塑性聚酰亚胺改性四缩水甘油基二苯甲烷一二氨基二苯砜环氧树脂体系(TGDDM/DDS/PEI),增韧效果明显。
液态成形聚酰亚胺树脂及其复合材料研究进展
118科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯2019 NO.02SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION工 业 技 术DOI:10.16661/ki.1672-3791.2019.02.118液态成形聚酰亚胺树脂及其复合材料研究进展杨涛 包建文 张朋 钟翔屿 李晔(航空工业复合材料技术中心,中航复合材料有限责任公司,先进复合材料重点实验室 北京 101300)摘 要:聚酰亚胺是目前有机材料体系中耐热性能最为优异的材料之一,以其制备的纤维增强复合材料在航空航天领域获得了大量的应用,复杂昂贵的加工工艺限制了其在多个领域的进一步应用,因此液态成形(RTM)聚酰亚胺复合材料的发展逐渐成为近年来研究的热点。
该文综述了液态成形聚酰亚胺树脂及其复合材料的研究现状与发展趋势,重点论述了降冰片烯酸酐(NA)封端的聚酰亚胺及苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂及其复合材料国内外研究情况,进一步提高液态成形聚酰亚胺树脂及其复合材料的耐温等级将会是一个重要的发展方向。
关键词:聚酰亚胺 复合材料 液态成型中图分类号:TQ323 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2019)01(b)-0118-03高技术条件下的战争要求飞行器具有高战斗性能和高机动性,不断向轻量化、小型化、高速化和高性能化方向发展,要求不断降低飞行器结构重量、装备重量、发动机重量等,因此具有高比强度比刚度耐高温特性的聚酰亚胺树脂基复合材料已经在航空装备中获得重要的应用,逐渐取代金属材料[1]。
现阶段针对聚酰亚胺树脂基复合材料而言,使用最为广泛的是模压法、热压罐法及液体成型法(树脂传递模塑成型RTM)。
其中模压法、热压罐法制造工艺条件严苛,制造成本极高,严重制约了聚酰亚胺复合材料的有效应用[2]。
近年,来迅速发展的RTM工艺由于高效、低成本同时其有极高的工艺适用性和制品尺寸精度而逐渐成为纤维增强复合材料的主要成型工艺之一。
聚酰亚胺复合材料研究进展
1 9 7 2年美 国 N A S A开 发 了一种 全 新 的热 固性 复
合材 料制造 方法 P M R( I n S i t u P o l y m e i r z a t i o n o f Mo n o -
m e r i c R e a c t a n t s ) 法, 合成 出了 P MR一 1 5聚酰 亚 胺 树
聚酰 亚胺 复合 材料 研 究 进 展
赵 伟 栋
王
磊
潘玲 英
刘含 洋
1 0 0 0 7 6 ) 1 0 0 0 7 6 )
赵 翠梅
( 1 航天材料及工艺研究所 , 北京 ( 2 空间物理重 点实 验室 , 北京
文 摘 综 述 了国 内外聚酰 亚胺树 脂基 复合材 料 的研 究现 状和 在航 空航 天等领 域 的应 用现 状 , 简要 介 绍 了国 内在 改进聚 酰 亚胺 基 复合材料 流 变性 能、 提 高耐 热性和 力 学性 能 以及 聚酰 亚胺 蜂 窝夹层 结构 和 石英 增 强 聚酰 亚胺 复合材 料等 方面 所取得 的研 究进展 , 并展 望 了该技 术 的发展 方 向和研 究重 点。 关 键词 聚 酰亚胺 , 耐 高温 , 复合材料 , 蜂 窝夹层 , 进展
脂, 解 决 了 以往 耐热树 脂不熔 不溶 、 难加 工 的难 题 , 才 使得 耐热 性能 优异 的芳 杂 环 树脂 基 复 合材 料 在 航 空
液态成形聚酰亚胺树脂及其复合材料研究进展
液态成形聚酰亚胺树脂及其复合材料研究进展作者:杨涛包建文张朋钟翔屿李晔来源:《科技资讯》2019年第02期摘要:聚酰亚胺是目前有机材料体系中耐热性能最为优异的材料之一,以其制备的纤维增强复合材料在航空航天领域获得了大量的应用,复杂昂贵的加工工艺限制了其在多个领域的进一步应用,因此液态成形(RTM)聚酰亚胺复合材料的发展逐渐成为近年来研究的热点。
该文综述了液态成形聚酰亚胺树脂及其复合材料的研究现状与发展趋势,重点论述了降冰片烯酸酐(NA)封端的聚酰亚胺及苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂及其复合材料国内外研究情况,进一步提高液态成形聚酰亚胺树脂及其复合材料的耐温等级将会是一个重要的发展方向。
关键词:聚酰亚胺复合材料液态成型中图分类号:TQ323 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2019)01(b)-0-03高技术条件下的战争要求飞行器具有高战斗性能和高机动性,不断向轻量化、小型化、高速化和高性能化方向发展,要求不断降低飞行器结构重量、装备重量、发动机重量等,因此具有高比强度比刚度耐高温特性的聚酰亚胺树脂基复合材料已经在航空装备中获得重要的应用,逐渐取代金属材料[1]。
现阶段针对聚酰亚胺树脂基复合材料而言,使用最为广泛的是模压法、热压罐法及液体成型法(树脂传递模塑成型RTM)。
其中模压法、热压罐法制造工艺条件严苛,制造成本极高,严重制约了聚酰亚胺复合材料的有效应用[2]。
近年,来迅速发展的RTM工艺由于高效、低成本同时其有极高的工艺适用性和制品尺寸精度而逐渐成为纤维增强复合材料的主要成型工艺之一。
现如今,多种树脂基复合材料已经成功应用RTM成型工艺,这些树脂往往具有较好的流变性能,保证其注射或者挤出时粘度合适。
同时其在升温过程与固化过程中稳定性高,不会释放小分子物质保证制件的内部质量。
环氧以及双马树脂基复合材料已在航空航天等领域广泛应用,但针对面临更高温工况的结构,具有更高耐温等级的聚酰亚胺树脂是一种解决之道,故适用于RTM成型工艺的聚酰亚胺树脂成为目前研究的热点。
聚酰亚胺材料在航空航天领域的应用研究
聚酰亚胺材料在航空航天领域的应用研究一、引言聚酰亚胺(PI)是一种具有高性能、多功能的高级材料。
其高耐火性、高温稳定性、高强度、低摩擦系数等优点使得它在航空航天领域得到了广泛应用。
本文将介绍聚酰亚胺材料在航空航天领域的应用研究。
二、聚酰亚胺材料在航空领域的应用聚酰亚胺材料在航空领域的应用主要分为以下几个方面。
1. 航空发动机部件聚酰亚胺材料在航空发动机部件中的应用是最广泛的。
聚酰亚胺材料具有良好的高温稳定性和耐火性,能够承受高温、高压和强腐蚀性的环境,使得它在喷气发动机叶片、喷口等部件的制造中得到了广泛应用。
2. 航空机身结构材料聚酰亚胺复合材料具有优异的机械性能和化学稳定性,能够承受飞行中的气动力和风险,因此被广泛应用于航空机身结构材料的制造。
3. 航空电气部件聚酰亚胺材料还可以用于航空电气部件的制造。
它具有良好的绝缘性能和高温稳定性,在空间环境下使用更加可靠,可以降低航空电气部件的故障率。
三、航天领域中聚酰亚胺材料的应用航天方面对材料的要求非常高,只有具有高性能、高强度、高耐火性的材料才能够适应极端的太空环境。
因此,聚酰亚胺材料在航天领域中得到了广泛的应用。
1. 航天器热控制部件在航天器的制造中,聚酰亚胺复合材料被广泛用于热控制部件的制造。
它可以有效地控制航天器在高温环境下的温度,并保护航天器的各项功能,保证航天任务的圆满完成。
2. 航天器热屏蔽材料在太空环境中,航天器面临着极端的气温和高能粒子的猛烈轰击。
聚酰亚胺材料制成的热屏蔽材料能够有效地防止这些高能粒子的轰击和气温的波动对航天器的损害,使航天器在太空中安然无恙地运行。
3. 航天电气部件聚酰亚胺材料的高温稳定性和绝缘性能也使得它在航天电气部件的制造中得到了广泛应用。
在太空环境中,电气部件的可靠性是十分关键的。
聚酰亚胺制成的电气部件能够承受极端的太空环境,起到稳定、可靠的作用。
四、总结聚酰亚胺材料拥有多方面的优异性能,不仅在航空领域中得到广泛应用,在航天领域中也有不可忽略的地位。
聚酰亚胺树脂基高性能玻璃纤维复合材料的制备工艺与性能研究
聚酰亚胺树脂基高性能玻璃纤维复合材料的制备工艺与性能研究摘要:聚酰亚胺树脂基高性能玻璃纤维复合材料由于其优异的机械性能、耐高温性和耐腐蚀性,在航空航天、汽车制造和电子工业等领域得到广泛应用。
本文主要研究了聚酰亚胺树脂基高性能玻璃纤维复合材料的制备工艺和性能,包括材料的配方设计、成型工艺和性能测试等方面的内容。
通过对聚酰亚胺树脂基高性能玻璃纤维复合材料的研究,旨在为这种材料的应用和推广提供参考。
1. 引言聚酰亚胺树脂基高性能玻璃纤维复合材料具有许多优异的性能,例如高强度、高模量、耐高温和耐腐蚀等。
由于这些特点,该材料在航空航天和高性能汽车制造等领域有着广泛的应用前景。
为了充分发挥其优良性能,需要对材料的制备工艺和性能进行深入研究。
2. 材料与方法2.1 材料选择聚酰亚胺树脂是一种高性能、高温稳定性的树脂,因此选择适当的聚酰亚胺树脂是制备高性能玻璃纤维复合材料的重要一步。
考虑到要求,选择了具有优异性能的聚酰亚胺树脂。
2.2 玻璃纤维选择玻璃纤维是一种常用的增强材料,具有良好的耐腐蚀性和热稳定性。
根据需求,选择了适当的类型和长度的玻璃纤维作为增强材料。
2.3 制备工艺制备高性能玻璃纤维复合材料的关键是选择合适的工艺。
本文采用了层压法和真空固化法进行制备。
首先,根据材料的配方设计,将聚酰亚胺树脂和玻璃纤维按一定比例混合。
然后,采用层压法将混合物层层叠加,形成预制板。
最后,将预制板放入真空固化设备中进行固化。
3. 结果与讨论3.1 材料性能测试制备好的聚酰亚胺树脂基高性能玻璃纤维复合材料样品进行了一系列的性能测试。
包括拉伸强度、弯曲强度和热稳定性等指标的测试。
测试结果显示,该材料具有优异的机械性能和较好的耐高温性。
3.2 微观结构分析通过扫描电子显微镜(SEM)对制备的样品进行观察,发现玻璃纤维与聚酰亚胺树脂之间有良好的相容性。
玻璃纤维的分布均匀,并与树脂充分结合,形成了良好的界面结合。
4. 应用前景聚酰亚胺树脂基高性能玻璃纤维复合材料在航空航天、汽车制造和电子工业等领域有着广泛的应用前景。
耐高温树脂基复合材料研究进展及其在航空航天领域的应用
耐高温树脂基复合材料研究进展及其在航空航天领域的应用张涵其;谭指;彭飞;王兵
【期刊名称】《宇航材料工艺》
【年(卷),期】2024(54)2
【摘要】耐高温树脂基复合材料具有低密度、高比强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强等优点。
因其在结构轻量化中的巨大应用潜力,在航空航天领域广受关注。
本文重点介绍了双马来酰亚胺、聚酰亚胺和邻苯二甲腈三种耐高温树脂及其复合材料,并对其树脂基体的历史发展脉络、复合材料成型工艺与力学性能的研究现状,以及在航空航天领域的应用进行了综述。
最后,通过提炼对比三者在工艺性、力学性能上的特点和工程上的典型应用场景,拟为航空航天领域中的材料选择提供参考。
【总页数】11页(P18-28)
【作者】张涵其;谭指;彭飞;王兵
【作者单位】哈尔滨工业大学特种环境复合材料技术国家级重点实验室;北京宇航系统工程研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TB332
【相关文献】
1.发动机用耐高温聚酰亚胺树脂基复合材料的研究进展
2.国外耐高温聚合物基复合材料基体树脂研究与应用进展
3.不同树脂体系复合材料在航空航天领域的应用
4.耐高温雷达天线罩上的树脂基复合材料应用
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航空发动机用PMR聚酰亚胺树脂基复合材料
第21卷 第1期航 空 材 料 学 报Vol.21,No.12001年3月JOURNAL OF AERONAU TICAL MA TERIAL SMarch 2001航空发动机用PMR 聚酰亚胺树脂基复合材料3谭必恩,益小苏(航空材料研究院先进复合材料国防重点实验室,北京100095)摘要:较全面地综述了PMR 聚酰亚胺树脂及其复合材料的制备、性能,并总结了其在航空发动机上的应用情况,分析了目前存在的问题,并提出了将来可能的发展方向。
关键词:聚酰亚胺;复合材料;高温树脂;发动机中图分类号:TB332 文献标识码:A 文章编号:100525053(2001)0120055208 有资料报导[1],发动机减轻1磅重量,可使飞机减重10~20磅。
为进一步改善航空发动机性能,有效地提高发动机推重比,国外在航空发动机上越来越多地采用耐高温复合材料取代金属材料如钛合金(图1,图2)[2,3],以有效减轻发动机重量,降低燃料消耗,增加航程。
表1中列出了重量的减轻为航空航天器所带来的利益[4]。
图1 铝、钛、树脂基复合材料的上限使用温度的比较Fig.1 High 2temperature polymer compostiteshave upper use temperatures comparable to aluminum and titanium 环氧树脂虽然在复合材料中占主导地位,但其长期使用温度被限制在130℃,而在航空发动机上的使用温度超过了130℃。
为了提高复合材料的使用温度,相关的研究工作集中在以聚酰亚胺为基体树脂的先进复合材料上[5,6]。
收稿日期:2000203229;修订日期:2001201205作者简介:谭必恩(19712),男,博士。
图2 不同材料在不同温度下的比强度Fig.2 S pecific strength versus temperature表1 因材料重量减轻而显示的经济效益(美元/kg )Table 1 The profit come from weight losing ($/kg )Surface car 2.5Light plane 60Helicopter100Boeing 747450L EO satellite 2000GEO satellite 20000Space shuttle30000 在过去几十年中,耐高温聚酰亚胺复合材料主要用于先进军用航空发动机,因此主要研究工作集中在如何提高耐温聚酰亚胺复合材料的性能,扩大在发动机上的应用,尽可能降低发动机重量上。
高性能聚酰亚胺材料的研究进展
增刊
杨士勇等 : 高性能聚酰亚胺材料的研究进展
·33 ·
航天 、空间技术领域展现出诱人的应用前景 。 111 第一代耐 316 ℃(600 υ ) 的聚酰亚胺基体树 脂及其复合材料
压罐成型工艺 , 最高固化温度为 310~320 ℃, 固 化压强为 110~115 MPa , 固化时间为 2~4 h 。反应 性热模压工艺所需的压强约为 115~210 MPa 。
KH - 304 树脂与碳纤维 (玻璃纤维 、石英纤维 或芳纶纤维等) 复合制造的碳 (玻璃 、石英或芳纶
等) 纤维增强的树脂基复合材料 , 具有出色的高温 性能与介电透波性能等 。碳纤维ΠPMR 型聚酰亚胺 (CFΠPI) 复合材料是目前唯一的长期使用温度超过 310 ℃的轻质树脂基复合材料 , 而玻璃或石英纤维 Π聚酰亚胺 ( GFΠPI 或 QFΠPI) 复合材料兼具优异的耐 高温性能与宽频带介电透波性能于一体 , 可广泛应 用于各种雷达天线罩 (窗) 。KH - 304 聚酰亚胺基体 树脂的耐热等级为 316 ℃(600 υ ) 。由其制造的 CFΠKH - 304 复合材料的长期使用温度为 316 ℃, 短期使用温度可达 340~360 ℃; CFΠKH - 304 复合 材料在室温下的综合力学性能与 CFΠAG - 80 相当 , 高温下的力学性能保持率高 。CFΠKH - 304 复合材 料采用热压罐或热模压工艺成型时 , 典型热压罐工 艺的最高成型温度为 310~320 ℃, 成型压力 : 015 ~115 MPa 。复合材料层合板的厚度范围为 110~ 610 mm。表 1~2 是典型碳纤维复合材料的高温力 学性能 。
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1 降冰片烯酸酐封端聚酰亚胺树脂复 合材料
1. 1 PMR-15 聚酰亚胺树脂基体及其复合材料 PMR( Polymerization of Monomer Reactants) 型聚
收稿日期: 2012-10-08; 修订日期: 2012-10-19 作者简介: 包建文 ( 1969—) ,男,博士,研究员,主要从事先 进复合材料研究,( E-mail) baojianwen@ hotmail. com。
表 2 PMR-15 碳纤维织物复合材料 335℃ 等 温老化后的弯曲强度
Table 2 Flexural strength of PMR-15 / CF fabric after aging at 335℃
Tgth / MPa
RT
316℃
在 PMR-15 聚酰亚胺树脂及预浸料制备过程中, 先将酸酐单体在甲醇中回流反应生成其甲酯,并与 MDA 的甲醇溶液混合形成浓度约 50% 的聚酰亚胺树 脂溶液。增强材料浸渍聚酰亚胺树脂溶液后,溶剂挥 发至 5% 左右时,覆盖上聚乙烯薄膜,然后裁剪预浸 料铺贴成型。在预浸料中保留 5% 的溶剂是为了让 预浸料具有一定的黏性,以便预浸料的裁剪与铺贴。 但是,甲 醇 的 沸 点 很 低 ( 64. 5℃ ) ,很 容 易 挥 发,使 PMR-15 预浸料黏性的控制非常困难。为了解决预浸 料残留、甲醇易挥发问题,在树脂溶液中加入适量沸 点较高的溶剂( 如沸点为 97. 4℃ 的丙醇) [5]。
第 32 卷 第 6 期 2012 年 12 月
航空材料学报
JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALS
Vol. 32,No. 6 December 2012
发动机用耐高温聚酰亚胺树脂基 复合材料的研究进展
包建文, 陈祥宝
( 北京航空材料研究院 先进复合材料重点实验室,北京 100095)
酰亚胺源于 20 世纪 70 年代,是一种以降冰片烯为 封端基的聚酰亚胺预聚物,在固化过程中降冰片烯 发生 Revers Diels-Alder 反 应 生 成 热 固 性 聚 酰 亚 胺[2,3]。P13N 就是最早研制的 PMR 聚酰亚胺树脂, 但其树脂黏度大,加工困难,使 P13N 并未得以广泛 应用。在此基础上,美国 NASA Lewis 中心的 Serafini 等 人 改 进 了 PMR 聚 酰 亚 胺 复 合 材 料 的 制 备 方 法[4],将二酯化的芳香四酸和芳香二胺以及封端剂 ( 5-降冰片烯-2,3-二羧酸单甲酯,NE) 溶解在低沸点
Retention of flexural strength
at 316℃ / %
0
849
244
28. 7
70
794
291
36. 6
100
780
297
38. 1
200
742
315
42. 5
500
687
300
43. 7
1015
550
272
49. 5
PMR-15 碳 纤 维 复 合 材 料 已 经 应 用 于 F404、 F414、 F110-GE-132、 GE90-115B、 GenX、 F136、 JTAGG、BR710 和 M88-2 发动机 的 外 涵 机 匣,以 及 CF6 发动机芯帽、F119 导流叶片、M88 喷口调节片、 PW4000 高压压气机可动叶片、GE90 发动机高压冷
表 3 PMR-II / C-3000 碳布复合材料力学性能 Table 3 Mechanical properties of PMR-II / C-3000 fabric composites
Testing temperature / ℃
Process
Flexural strength / MPa
Generation of PI resin First-generation Second-generation Third-generation Fourth-generation
表 1 聚酰亚胺树脂基体的代次 Table 1 Four generation polyimides resin matrix
图 1 PMR-15 聚酰亚胺树脂化学反应过程 Fig. 1 Synthesis of PMR-15
PMR-15 树 脂 的 反 应 过 程 具 有 以 下 几 个 特 点[6,7]: ( 1) 其酰胺酸的生成反应温度及其熔融温度 低于 100℃ ; ( 2) 其齐聚物的亚胺化反应温度低于 140℃ ; ( 3) 亚胺化齐聚物的流动温度范围为 176 ~ 254℃ ,流动温度取决于 PMR-15 树脂的分子量和分 子量分布; ( 4) 加成交联反应温度为 343℃ 。根据以 上特点,将 PMR 复合材料成型的加压温度设置在 200℃ 左右。可见,PMR-15 树脂各反应阶段温度范 围有明显的界线,这些特点有利于 PMR-15 复合材 料成型工艺的制定,说明 PMR-15 树脂具有较宽的 成型工艺窗口。
等。其中,最重要和使用最广泛的热固性聚酰亚胺 是降冰片烯封端聚酰亚胺和苯乙炔封端聚酰亚胺。 热固性聚酰亚胺树脂基复合材料以其优异的耐热氧 化性能、力学性能、介电性能、良好的耐溶剂性能等, 在航空( 尤其是航空发动机) 、航天等领域得到了广 泛的应用[1]。
经过近四十年的发展,耐高温树脂基复合材料 已经发展到了耐温 450℃ 的第四代聚酰亚胺复合材 料( 表 1) ,形成了耐温从 280 ~ 450℃ 涵盖四代的耐 高温树脂基复合材料体系。
作为第一代聚酰亚胺复合材料,其耐热性尚不 能满足不断发展的发动机技术的需求。在 PMR-15
的原理及技术基础上,各国研究人员研究了大量比 PMR-15 耐温更高的复合材料。
PMR-Ⅱ是 NASA 最早研制的可在 371℃ 下长期 使用的第二代 PMR 聚酰亚胺树脂,采用热稳定更好 的 4,4-( 六氟异丙基) 双邻苯二甲酸二酐( 6FDA ) 和对苯二胺 ( P-PDA ) 分别替代 PMR-15 的 BTDA 和 MDA,封端剂仍为降冰片烯酸酐( NA) 。 [15]
n = 1. 67
n = 2. 5
Flexural modulus / GPa
n = 1. 67
n = 2. 5
SBS strength / MPa
n = 1. 67
n = 2. 5
NPC
967
1093
73. 1
81. 4
66. 2
27. 6
RT
PC
1109
1047
74. 5
78. 6
59. 3
30. 3
PMR-15 聚酰 亚 胺 树 脂 是 第 一 个 广 泛 使 用 的 PMR 聚酰亚胺高温复合材料树脂,其复合材料 具 有优异的力学性能 及 良 好 的 热 氧 化 稳 定 性,可 在 288 ~ 316 ℃ 使 用 1000 ~ 10000 h。 PMR-15 碳 纤 维复合材料 在 335 ℃ 老 化 1000 h 后,虽 然 其 室 温 弯曲强度有 所 下 降,但 其 在 316 ℃ 下 的 弯 曲 强 度 反而有 所 增 加,相 对 保 持 率 也 大 大 提 高,如 表 2 所 示[8,9]。
NPC
705
481
68. 3
67. 6
78. 6
24. 1
316
PC
777
647
72. 4
74. 5
77. 2
26. 2
Note: 1. n--moles of HFDE; 2. post-curing: 16h@ 316℃
Scola 等通过改变预聚物分子量的大小和优化 树脂预处理工艺改善 PMR-II 树脂基复合材料的成 型工艺性能,并通过调节单体的化学结构改善聚酰 亚胺树脂及复合材料的抗热氧化稳定性[17]。Sutter 等[18]对 T650-35 纤维增强的 PMR-II 复合材料的热 稳定性和湿热稳定性研究表明,复合材料在 482℃ 下的拉伸强度损失为 20% ,而在 371℃ 时损失仅为 4. 5% 。Allred 等[19]采用 M40J 和 M60J 纤维、脱上 浆剂 M40J 和 M60J 及其脱浆后再采用其自制的上 浆剂处理的纤维制备了 PMR-II 树脂基复合材料,复 合材料在 343℃ 下的热稳定性差别很大,纤维经过 脱浆后再处理的复合材料的热氧化稳定性明显提 高,抗湿热性能也提高。
PI trademark PMR-15,LP15,KH304 PMR-Ⅱ-50,V-CAP-75,PETI-330,PETI-375 AFRPE-4,AFR-700B,RP-46,DMBZ-15 P2 SI900HT
Service temperature / ℃ 280 - 315 315 - 370 370 - 426 426 - 500
摘要: 综述耐高温热固性聚酰亚胺树脂及复合材料的研究进展。经过近四十年的发展,形成了多种封端剂封端的
热固性聚酰亚胺树脂,其中主要是降冰片烯和 4-苯乙炔基苯酐封端聚酰亚胺,长期使用温度涵盖 280 ~ 450℃ 的聚
酰亚胺树脂及其复合材料体系。低成本、高韧性和有机无机杂化聚酰亚胺树脂基复合材料将是聚酰亚胺复合材料
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航空材料学报
第 32 卷
的醇类溶剂中形成单体混合物的溶液,然后浸渍增 强纤维制备预浸料,固化成型。
PMR 方法逐渐成为制备热固性聚酰亚胺复合 材料的 重 要 方 法 之 一。经 过 多 年 的 发 展,PMR-15 成为 PMR 型聚酰亚胺树脂中最成功的产品,逐步形 成了以 PMR-15 为代表的第一代聚酰亚胺树脂复合 材料体系。PMR-15 树脂由 3,3',4,4'-二苯甲酮四 甲酸二甲酯、4,4'-二氨基二苯甲烷( MDA) 和 5-降冰 片烯-2,3-二羧酸单甲酯按摩尔比 2. 087 ∶ 3. 087 ∶ 2 合成分子量为 1500g / mol 的聚酰亚胺预聚物( 也因 此称之为 PMR-15) ( 图 1) 。