先进树脂基复合材料
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• 美国准备通过低成本技术研究，设想在10-15年的时间 内实现先进战斗机主要复合材料结构件制造成本降低 一个数量级的目标。
(4) 发展ACM结构/功能一体化的综合技术
ACM技术正向着技术综合化、功能多样化（隐身、防热 ）和智能化方向发展。
第一章 ACM中的高性能先进增强材料
1.1 碳纤维
• 按力学性能分 类:
ACM技术及发展 • 先进的增强材料； • 高性能树脂基体； • 成型工艺技术； • ACM在各个领域中的应用。
1 先进增强材料
先进树脂基复合材料常用的增强纤维包括 碳纤维和其他高性能有机纤维。 • 碳纤维(CF)的研究：主要是如何提高模量和 强度、降低生产成本。 • 高性能有机纤维开发：包括柔性链结构的超 高分子量聚乙烯纤维(UHMPE )、芳纶纤维（ Kevlar）、刚性链结构的PBO纤维等。 • 改性：各种纤维都有自身的优势，但也存在 不足和缺点，需要改性。
– 高强型（HT） 、
– 超高强型（ UHT）、
– 高模量型（ HM）、
– 超高模量型（ UHM）
• 按制造先驱体来分 类: – 聚丙烯腈基 （PAN）碳纤维、 – 沥青基碳纤维和 – 人造丝（粘胶丝） 碳纤维
表1-1 日本东丽公司碳纤维及其特性
高强度 高模量
低密度
表1-2 碳纤维复合材料在工业中的应用和特性
纤维缠绕技术：多自由度准确、自动化、异形结构缠绕技术，近 年来也得到了相当快的发展。
纤维铺放技术：大型结构的自动化铺放成型设备及控制技术。 先进固化技术： 电子束固化技术：利用电子加速器产生的高能电子束引发树脂聚
合和交联的电子束固化技术，可节约制造成本20%-60%。 光固化技术、微波固化技术：由液态的单体或预聚物受紫外或可
• 双马来酰亚胺 (BMI)：耐湿热性能和耐热性均优于环氧 树脂。BMI可以和多种化合物共聚以改善其韧性。
• 耐高温聚酰亚胺（PMR）：更高耐温等级，可在350℃ 以上长期使用。
3 先进树脂基复合材料的成型技 术
• ACM制造成本在产品中占用很大的比重， 而目前影响ACM广泛使用的最大障碍是价 格问题。因此如何发展新的制造技术，降 低先进树脂基复合材料的制造成本，是当 前先进树脂基复合材料研究的重点。
源自文库
先进成型技术
热压罐成型技术：是ACM的主要成型技术，其优点是成型的复合 材料性能高，质量稳定并适合大型复杂外形复合材料构件的成型 ，缺点是设备投资大，能耗高，制造成本高。
预成型体/液体成型工艺技术(LCM)：是先进树脂基复合材料低成 本制造技术的一个重要方向，已获得成功的有RTM和RFI等。
2 高性能树脂基体
树脂基体的研究：主要围绕着改善耐湿热性能、提高韧 性和工作温度。
• 环氧树脂（EP）：具有工艺性能好、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。
• 氰酸酯树脂（AC）：吸湿率低、韧性好、介电性能好 。是未来结构/功能一体化的优良材料，氰酸酯树脂一 般需要较高的后处理温度，这给使用带来不便。
(1) 提高组分性能
• 纤维： 向高性能化、轻量化方向发展。 碳纤维由T300 、AS4转向T800、IM7，如F-22、EF2000、B777等均用 T800，与T300相比其性能可提高30%~40%。
• 树脂：选用改性双马BMI和改性环氧，如F-22主承力结 构用5250-4BMI树脂，耐温达200℃。B777采用3900-2 高韧性环氧树脂。第四代韧性双马树脂5260，耐温 230℃，较适合于民航机采用。
比强度、比模量高
低线膨胀系 数
阻尼性好 生物相容性
好 抗疲劳性能
好 导电性
1.2 聚芳酰胺纤维（Kevlar）
聚芳酰胺纤维：是芳香族酰胺纤维的总 称。
• 聚芳酰胺纤维在20世纪70年代由杜邦公 司率先产业化,注册商标为Kevlar系列。
品种：Kevlar纤维为对位芳酰胺纤维。
• 第一代产品：RI型、29型和49型；
(2) 重视制造技术研究和综合配套技术协调发展
除继续采用成熟的热压罐成型技术外，还应对编织/RTM 、缝编/RTM、缠绕、拉挤、注塑等。
(3) 重点开发低成本制造技术
降低成本应从设计、材料、制造、使用、维护等多方 面综合考虑，应推广大丝束纤维(48-320K)、RTM工艺 、固化自动监控、整体成型和真空辅助成型等技术的 应用。
见光、微波的照射经聚合反应转化为固化聚合物的过程。 固化过程实时监控技术：利用神经网络智能系统，实时监测固化
过程，并通过智能反馈系统实现实时进行控制。
4 先进树脂基复合材料的发展方向
• 高性能纤维和高韧性树脂的应用可提高ACM的各种综 合性能和放宽设计许用值，从而可将减重效率由目前 的20%-25%提高到30%或更高。
• 第二代产品KevlarHX系列：高粘接型Ha、 高强型Ht（129）、原液着色型Hc（100 ）、高性能中模型Hp（68）、高模型Hm （149）和高伸长型He（119）。
典型的物理性能表1-3。
先进树脂基复合材料
材料科学与工程学院 材料学
2011年9月
课程内容
• 前言 1. 先进增强材料 2. 高性能树脂基体 3. 先进制造工艺 4. 先进复合材料应
用
前言
先进复合材料（ACM）:由高性能的基体(聚合物、金属 或陶瓷等)与高性能纤维材料，通过特定的成型工艺复 合而成的复合材料。
ACM特性：比强度和比刚度高、可设计性强、抗疲劳 断裂性能好、耐腐蚀、结构尺寸稳定性好以及适于大 面积整体成形的独特优点。
应用：已成为支撑航空、航天和国防尖端技术领域的 最重要的结构材料。
• NASA最早成立ACM研究机构，并开展相关材料技术的 研究。
• ACM的发展和应用是现代产业活动中成长最快的，对 促进世界各国军用和民用领域的高科技现代化，起到 了至关重要的作用。
我国发展现状
始于1969年，研究应用主要集中于国防以及航空和航天工 业。开始系统、完整、有计划地开展ACM研究是从“六五 ”计划期间开始。经过20多年的努力，国家通过中长期科 技发展规划的指导以及各种科研计划的支持，使我国ACM 的研究取得了长足的进展。
(4) 发展ACM结构/功能一体化的综合技术
ACM技术正向着技术综合化、功能多样化（隐身、防热 ）和智能化方向发展。
第一章 ACM中的高性能先进增强材料
1.1 碳纤维
• 按力学性能分 类:
ACM技术及发展 • 先进的增强材料； • 高性能树脂基体； • 成型工艺技术； • ACM在各个领域中的应用。
1 先进增强材料
先进树脂基复合材料常用的增强纤维包括 碳纤维和其他高性能有机纤维。 • 碳纤维(CF)的研究：主要是如何提高模量和 强度、降低生产成本。 • 高性能有机纤维开发：包括柔性链结构的超 高分子量聚乙烯纤维(UHMPE )、芳纶纤维（ Kevlar）、刚性链结构的PBO纤维等。 • 改性：各种纤维都有自身的优势，但也存在 不足和缺点，需要改性。
– 高强型（HT） 、
– 超高强型（ UHT）、
– 高模量型（ HM）、
– 超高模量型（ UHM）
• 按制造先驱体来分 类: – 聚丙烯腈基 （PAN）碳纤维、 – 沥青基碳纤维和 – 人造丝（粘胶丝） 碳纤维
表1-1 日本东丽公司碳纤维及其特性
高强度 高模量
低密度
表1-2 碳纤维复合材料在工业中的应用和特性
纤维缠绕技术：多自由度准确、自动化、异形结构缠绕技术，近 年来也得到了相当快的发展。
纤维铺放技术：大型结构的自动化铺放成型设备及控制技术。 先进固化技术： 电子束固化技术：利用电子加速器产生的高能电子束引发树脂聚
合和交联的电子束固化技术，可节约制造成本20%-60%。 光固化技术、微波固化技术：由液态的单体或预聚物受紫外或可
• 双马来酰亚胺 (BMI)：耐湿热性能和耐热性均优于环氧 树脂。BMI可以和多种化合物共聚以改善其韧性。
• 耐高温聚酰亚胺（PMR）：更高耐温等级，可在350℃ 以上长期使用。
3 先进树脂基复合材料的成型技 术
• ACM制造成本在产品中占用很大的比重， 而目前影响ACM广泛使用的最大障碍是价 格问题。因此如何发展新的制造技术，降 低先进树脂基复合材料的制造成本，是当 前先进树脂基复合材料研究的重点。
源自文库
先进成型技术
热压罐成型技术：是ACM的主要成型技术，其优点是成型的复合 材料性能高，质量稳定并适合大型复杂外形复合材料构件的成型 ，缺点是设备投资大，能耗高，制造成本高。
预成型体/液体成型工艺技术(LCM)：是先进树脂基复合材料低成 本制造技术的一个重要方向，已获得成功的有RTM和RFI等。
2 高性能树脂基体
树脂基体的研究：主要围绕着改善耐湿热性能、提高韧 性和工作温度。
• 环氧树脂（EP）：具有工艺性能好、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。
• 氰酸酯树脂（AC）：吸湿率低、韧性好、介电性能好 。是未来结构/功能一体化的优良材料，氰酸酯树脂一 般需要较高的后处理温度，这给使用带来不便。
(1) 提高组分性能
• 纤维： 向高性能化、轻量化方向发展。 碳纤维由T300 、AS4转向T800、IM7，如F-22、EF2000、B777等均用 T800，与T300相比其性能可提高30%~40%。
• 树脂：选用改性双马BMI和改性环氧，如F-22主承力结 构用5250-4BMI树脂，耐温达200℃。B777采用3900-2 高韧性环氧树脂。第四代韧性双马树脂5260，耐温 230℃，较适合于民航机采用。
比强度、比模量高
低线膨胀系 数
阻尼性好 生物相容性
好 抗疲劳性能
好 导电性
1.2 聚芳酰胺纤维（Kevlar）
聚芳酰胺纤维：是芳香族酰胺纤维的总 称。
• 聚芳酰胺纤维在20世纪70年代由杜邦公 司率先产业化,注册商标为Kevlar系列。
品种：Kevlar纤维为对位芳酰胺纤维。
• 第一代产品：RI型、29型和49型；
(2) 重视制造技术研究和综合配套技术协调发展
除继续采用成熟的热压罐成型技术外，还应对编织/RTM 、缝编/RTM、缠绕、拉挤、注塑等。
(3) 重点开发低成本制造技术
降低成本应从设计、材料、制造、使用、维护等多方 面综合考虑，应推广大丝束纤维(48-320K)、RTM工艺 、固化自动监控、整体成型和真空辅助成型等技术的 应用。
见光、微波的照射经聚合反应转化为固化聚合物的过程。 固化过程实时监控技术：利用神经网络智能系统，实时监测固化
过程，并通过智能反馈系统实现实时进行控制。
4 先进树脂基复合材料的发展方向
• 高性能纤维和高韧性树脂的应用可提高ACM的各种综 合性能和放宽设计许用值，从而可将减重效率由目前 的20%-25%提高到30%或更高。
• 第二代产品KevlarHX系列：高粘接型Ha、 高强型Ht（129）、原液着色型Hc（100 ）、高性能中模型Hp（68）、高模型Hm （149）和高伸长型He（119）。
典型的物理性能表1-3。
先进树脂基复合材料
材料科学与工程学院 材料学
2011年9月
课程内容
• 前言 1. 先进增强材料 2. 高性能树脂基体 3. 先进制造工艺 4. 先进复合材料应
用
前言
先进复合材料（ACM）:由高性能的基体(聚合物、金属 或陶瓷等)与高性能纤维材料，通过特定的成型工艺复 合而成的复合材料。
ACM特性：比强度和比刚度高、可设计性强、抗疲劳 断裂性能好、耐腐蚀、结构尺寸稳定性好以及适于大 面积整体成形的独特优点。
应用：已成为支撑航空、航天和国防尖端技术领域的 最重要的结构材料。
• NASA最早成立ACM研究机构，并开展相关材料技术的 研究。
• ACM的发展和应用是现代产业活动中成长最快的，对 促进世界各国军用和民用领域的高科技现代化，起到 了至关重要的作用。
我国发展现状
始于1969年，研究应用主要集中于国防以及航空和航天工 业。开始系统、完整、有计划地开展ACM研究是从“六五 ”计划期间开始。经过20多年的努力，国家通过中长期科 技发展规划的指导以及各种科研计划的支持，使我国ACM 的研究取得了长足的进展。