聚合物树脂基复合材料的研究进展

复合材料论文题目:聚合物树脂基复合材料的研究进展专业：材料科学与工程班级：材料08—2班姓名：邵威学号：310806010220聚合物树脂基复合材料的研究进展摘要首先对树脂基复合材料进行简单的介绍，然后简单阐述几种先进树脂基复合材料的树脂基体，最后对树脂基复合材料的制备方法、结构与性能特征及潜在的应用前景进行简略的讨论。

关键词：聚合物树脂基复合材料制备方法研究进展复合材料是指经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分通过人工复合，组成多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能材料。

树脂基复合材料是指由高性能树脂基体和高性能纤维组成的复合材料。

树脂基体主要作用体现在：①粘结作用，树脂把纤维粘合在一起，可把载荷传给纤维，同时也可给复合材料提供刚性和形状；②树脂的保护作用，树脂保护增强纤维不受化学侵蚀和机械损坏；③性能的影响，性能如延展性、冲击强度等在很大程度上均与树脂有关，延展性好的树脂将提高复合材料的韧性，如热塑性塑料复合材料具有较高的韧性；④定性等作用，树脂可以一次定型生产部件，且提供好的表面光洁度质量。

本文通过对树脂基复合材料的树脂基体进行阐述，对树脂基复合材料的成型工艺，性能及应用前景三方面进行简略的归纳。

1、树脂基复合材料的树脂基体高性能树脂指在高温下具有高的尺寸稳定性，优异的热氧化稳定性、优良的综合力学性能及具有耐湿性、耐磨性、耐辐射、耐腐蚀等性能的聚合物。

以高性能纤维等为增强材料并通过一定的复合工艺所制成材料称为高性能复合材料。

这种复合材料在高温氧化、腐蚀等恶劣环境下作为结构材料长期使用。

以下对几种树脂基体进行简略的介绍。

1.1酚醛树脂酚醛树脂是最早工业化的合成树脂，并且它的原料易得，合成方便，以及树脂固化后性能能够满足许多使用要求，在工业上得到广泛的应用。

酚醛树脂具有以下主要特征：原料价格便宜、生产工艺简单而成熟，制造及加工设备投入少，成型加工容易；②抗冲击强度小，树脂既可混入无机或有机填充做成模塑料来提高强度，也可以发泡；③制品尺寸稳定；④化学稳定性好，耐酸性能好，固化温度高等。

酚醛树脂的最新进展：①酚醛泡沫塑料：酚醛泡沫的耐热性优于聚苯乙烯、聚氨酯及三聚异氰酸酯泡沫。

②改性酚醛树脂：Isorca公司开发了一种称为Alba-Core的轻质、阻燃酚醛泡沫复合芯材。

日本航空铝等公司采用在铝合金上电镀酚醛泡沫新工艺，开发了一种轻质复合铝，产品具有优异的隔热保温、不燃和耐腐蚀性，其蜂窝状结构最大限度地提高了制品强度，该材料专用于4t级载重货车的车体，目前正在开发船体、火车厢及建筑材料等新应用。

1.2双马来酰亚胺树脂双马来酰亚胺树脂是指用双马酰亚胺来制备的树脂总称。

BMI树脂具有良好的耐高温、耐辐射、耐温热、模量高、吸湿率低和热膨胀系数小等优良特性，广泛用于航空、航天和电子电器领域。

双马来酰亚胺树脂的应用：双马来酰亚胺具有阻燃、耐高温、低毒特性，经改性的BMI加工性亦好。

它们可做成蜂窝结构的平板材料，用于飞机地板、隔离墙、盥洗室材料、排气系统管子等部件。

与碳纤维复合，用于军用机或民用机或宇航器件承力或非承力结构件，如机翼蒙皮、尾翼、垂尾、飞机机身和骨架等。

在电子电器方面，BMI有显著的耐湿/热性能，尺寸稳定性高，热膨胀系数低，其树脂有希望代替环氧树脂制造多层结构线路板，也可作模压塑料等，用于电器的绝缘。

耐摩擦和耐磨损材料：用作金刚石砂轮、重负荷砂轮、刹车片等高温粘合剂等。

1.3氰酸酯树脂固化氰酸酯树脂具有低介电常数（2.8～3.2）和极小的介电损耗（0.002～0.008）、高玻璃化转变温度（240～290℃）、低收缩率、低吸湿率（＜1.5%）以及优良的力学性能和粘结性能等特点。

氰酸酯树脂固化物的性能：①节电性能：在聚氰脲酸酯网络结构中，电负性大的氧原子和氮原子对称围绕电负性小的碳原子的结构平衡了电子吸引作用，使得偶极运动短暂，在电磁场中的贮能小，所以吸湿率和介电常数都很小。

②粘结性能：与金属极好的黏结力；比环氧更优的湿热性能（约180℃）；加工、固化范围很宽；固化过程无低分子物放出，所以粘结操作无需高压；对表面润湿性较好；固化无收缩现象。

③耐化学腐蚀性能：氰酸酯树脂耐化学腐蚀性能特别好，可耐结构符合材料遇到的航空有、压力油和颜料脱除剂等。

氰酸酯树脂的发展：①新型氰酸酯的合成：在氰酸酯单体的分子结构中引入活性基体，合成带第二活性基团的氰酸酯单体，通过第二活性基的聚合反应，改善氰酸酯树脂的性能，实现氰酸酯树脂的改性。

②共混改性：CE官能团与BMI 的马来酰亚胺环上的不饱和双键上的活性氢发生反应，得到BT树脂，BT树脂的玻璃化转变温度达到250℃以上，具有较低的介电常数和介质损耗因数，优良的抗冲击性能。

2、树脂基复合材料的成型工艺复合材料成型工艺是复合材料工业的发展基础和条件。

随着复合材料应用领域的拓宽，复合材料工业得到迅速发展，其成型工艺日臻完善，新的成型方法不断涌现。

现在树脂基复合材料的成型方法已有20余种，下面就几种常见的成型方法进行说明。

2.1热压罐成型复合材料热压罐成型工艺是生产航空航天高质量的先进树脂基复合材料制件的主要方法。

热压罐是一个具有整体加热系统的大型圆柱形压力容器，常见的结构是一端封闭，另一端开门的圆柱体，为先进复合材料的压实和固化提供必要的热量和压力。

热压罐成型的主要优点是适应于多种材料的生产，只要是固化周期、压力和温度在热压罐的极限范围之内的复合材料都能生产。

它的温度和压力条件几乎能满足所有的聚合物基复合材料的成型工艺要求。

热压罐成型的另一个优点是它对复合材料制件加压的灵活性强，既可以加压又可以抽真空，可满足除去溶剂等小分子、压实预浸料等要求。

热压罐成型的生产过程主要有：①预浸料的制备过程；②预浸料的裁剪与铺叠；③预浸料进模，包括模具清洗、坯件装袋以及某些情况下坯件的转移等；④固化与出罐脱模，包括坯件流动压实过程和化学固化反应过程。

2.2缠绕成型纤维缠绕成型是在控制纤维张力和预定线型的条件下，将连续的纤维粗纱或布袋浸渍树酯胶液后连续地缠绕在相当于制品内腔尺寸的芯模或内衬上，然后在室温或加热条件下使之固化成型制成一定形状制品的方法。

缠绕制品规格、形状种类繁多，缠绕形式千变万化，但根据缠绕规律可归结三种：①环向缠绕，即沿容器圆周方向进行的缠绕；②纵向缠绕，即缠绕时导丝头在固定平面内做匀速圆周运动，芯模绕轴慢速旋转，最终一个复式纤维层以±β在芯模两端或极点交叠；③螺旋缠绕，即是缠绕时芯模绕自身轴线匀速转动，导丝头按特定速率沿芯模轴线方向往复运动。

缠绕的工艺过程一般包括芯模和内衬的制作、树脂胶液的配制、纤维热处理和烘干、浸胶、胶纱烘干、在一定张力下进行缠绕、固化、检验、加工成制品等工序。

影响缠绕制品性能的主要工艺参数有纤维的浸胶、胶液含量及分布、胶纱烘干、缠绕张力、纱片缠绕位置、固化制度、缠绕速度、环境温度等，合理选择工艺参数是充分发挥原料的特性、制造高质量的缠绕制品的重要环节。

2.3拉挤成型拉挤成型工艺是一种连续生产纤维增强树脂复合材料的方法，它将浸过树脂胶液的连续纤维，通过具有一定截面形状的成型模具，并在模腔内固化成型或在模腔内凝胶，出模后进一步固化，在牵引机构拉力作用下，连续引拔出无限长的型材制品。

因为在成型过程中浸胶纤维必须经过成型模具的挤压和外牵引力的拉拔，且生产工艺过程和制品长度是连续不断的，所以称为挤拉连续成型工艺。

在挤拉工艺中有六个关键因素：①增强材料传送系统，如纱架、毡铺展装置、纱孔、缠绕机或编织机以及表面贴层的铺层；②树脂浸渍；③预成型；④模具；⑤牵引装置；⑥切割装置。

挤拉成型工艺的优点：①复合材料制品的物理力学性能，特别是纵向比强度和比刚度特别突出；②工艺过程用以实现自动控制，产品质量稳定；③工艺过程基本上不产生边角废料，原材料有效利用率高；自动化程度高，生产效率高，④且人工费用低，制品成本的竞争强；⑤制品长度只受生产空间限制，与设备能力和工艺因素无关；⑥随着原材料品种和规格的逐步完善和工艺水平的提高，任何复杂截面的直线形横截面复合材料型材，几乎都可以采用挤拉工艺成型，适应不同用途和荷载要求的能力逐渐增强。

3、先进树脂基复合材料的发展方向3.1高比强度，高比刚度纤维纤维增强聚合物基复合材料的比强度、比刚度很大，但这仅限于增强材料的纤维方向的特性。

纤维增强材料是各异性材料（如碳纤维、硼纤维等），与纤维垂直方向的拉伸强度及沿纤维方向的剪切强度是极低的。

由于增强纤维是复合材料的主要原材料。

所以，设法降低高性能纤维的价格也是一大研究方向。

以碳纤维为例，其需求量从1995年的8000t提高到2015年（估算）的4000t，提高4倍，其平均价格从50美元/kg下降到20美元/kg，下降了60%。

显然纤维价格的下降可扩大其复合材料的应用范围。

降低碳纤维价格的主要措施发展沥青基碳纤维和大丝束碳纤维。

沥青比聚丙烯腈原丝的价格要降很多，目前沥青基碳纤维的性能已接近或相当于标准的PAN基碳纤维，预计沥青基碳纤维将成为大宗产品。

另外，为适应耐高温和多功能复合材料的需求，开发重量轻、强度和纵向弹性模量高的纤维是先进复合材料的又一研究方向。

如高模量的碳纤维和轻质高强的有机纤维如PBO纤维；还有碳化硅纤维、氧化铝纤维、金属纤维等，均为很有发展前景的纤维。

而且碳化硅纤维和氮化硅纤维不仅具有耐高温性质还具有半导体特性，由它们制成的树脂基复合材料具有吸波（隐身）性能。

另外，一种被成为晶须的单晶体短纤维也被人们应用于复合材料中。

晶须本身的拉伸强度和弹性模量极大，不过其生产率低，价格高，成型比较困难。

3.2高性能树脂材料纤维增强树脂基复合材料的最大弱点是基体树脂的力学性能和耐热性，其耐高温性能较差，轻度不高，往往不能用于高温结构件上。

因此，要想获得高性能的复合材料，必须提高和改善树脂基体的性能。

目前提高性能树脂基体的发展趋势是改善耐湿热性能、提高韧性和提高工作温度。

高温固化的环氧树脂基体具有工艺性能、综合力学性能好和价格便宜等一系列优点，但耐湿热性能较差。

国内外对环氧树脂进行了大量的改善耐湿热性能的研究工作，包括在环氧树脂分子中引入含稠环的结构单元和合成含氟的环氧树脂，以提高热稳定性；在环氧树脂分子中增加憎水基团以降低吸湿性；采用新的固化剂代替传统的DDS等。

上述工作都在不同程度度上提高了环氧树脂的耐湿热性能。

BMI双马树脂耐湿热和耐热性均优于环氧树脂，当作结构复合材料基体使用时，BMI韧性不够，但BMI可以和多种化合物共聚以改善其韧性。

用Cytec公司的5260树脂制成的复合材料，其冲击后压缩强度值达到345Mpa，最高使用温度达177℃。

Cytec公司新近开发的5270BMI树脂体系，其复合材料的CAI值为179Mpa，连续工作温度可达230℃，但韧性相对较低。