聚合物基复合材料低成本化

——————————————————————聚合物基复合材料的低成本化

哈尔滨工业大学化工学院

高分子材料与工程专业

1014101班郑晓强

学号：1101410124

聚合物基复合材料低成本化

郑晓强

哈尔滨工业大学化工学院

摘要：聚合物基复合材料凭借其优异的性能逐渐深入到人们的日常生活，但是还有很多高性能的聚合物基复合材料由于成本高，价格昂贵，其使用在很大程度上受到了限制。为了让高性能的聚合物基复合材料走入千家万户，科研人员对其低成本化进行了一系列的研究工作。本文分析了影响聚合物基复合材料成本的因素，并从原材料、设计技术、制造技术三个方面综合介绍了目前国内外先进的低成本技术。

关键词：聚合物基复合材料低成本化成型技术

引言

聚合物基复合材料是指以聚合物为基体的纤维增强材料。其发展迅速，应用范围广，现已和金属材料、无机非金属材料、高分子材料并称为“四大材料”。

聚合物基复合材料是一种高性能材料，其具有如下特点：(1)比强度高，比模量大；(2)力学性能可以设计；(3)抗疲劳性能良好；(4)减震性、材料安全性好；(5)成型工艺较简单。基于以上优点，目前，聚合物基复合材料已广泛地应用于建筑与公用工程、交通运输、石油化工、电子电力、卫生医疗、国防军工等重要领域。其中一些高性能的先进复合材料更是航空航天、导弹卫星、武器装备等国防领域中不可或缺的材料。

很多高性能的聚合物基复合材料性能优异，但由于其加工制造成本太高而限制了其使用。如果能大大降低聚合物基复合材料的成本，那么首先能够大大的节省国防开支；其次，更多性能优异的聚合物基复合材料也能深入老百姓的日常生活。因而聚合物基复合材料的低成本化被提上了日程。目前已有多国相继制定了聚合物基复合材料低成本化计划。如美国的先进复合材料技术计划(ACT)；美国低成本复合材料技术(CAI)；欧洲TAN GO计划；欧洲ALCAS计划。在中国，也有部分学者开始了聚合物基复合材料低成本化的研究。

目前，针对影响聚合物基复合材料成本的各个因素，各国学者由原材料、设计技术、制造技术三个方面出发，对如何降低聚合物基复合材料的成本做了系统的研究工作。本文综合分析了影响聚合物基复合材料成本的各个因素，并对原材

料、设计技术、制造技术三个方面的的低成本技术做了系统介绍。

1.影响聚合物基复合材料成本的主要因素

1.1原材料成本高

目前常用于聚合物基复合材料的基体材料有热固性和热塑性两种，热固性基体材料有环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂等；热塑性树脂有聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺等。常用于聚合物基复合材料的增强体材料有碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、硼纤维、聚苯并恶唑纤维、混杂纤维等。

目前，高性能聚合物基复合材料的原料成本主要集中于高性能纤维上。1.2设计技术落后

当前研制的复合材料结构大都是金属结构的替代，并不适于复合材料成型制造[]。此外复合材料构件的设计通常是采用试验摸索，先是平板试验，再做缩比件试验，并且反复数次，研制周期很长；制造方法的选择和工艺参数的优化都是凭经验和实验，费用高，科学性和通用性差。

1.3制造技术落后

目前通用的聚合物基复合材料制造技术仍然比较落后。如热压罐成型技术,虽然可用来制造高性能的复合材料,但同时也存在耗能大,辅助材料费用高,工艺过程长等缺点,导致复合材料制造成本很高。

1.4工艺适用范围窄

目前聚合物基复合材料的成型工艺过程都是从大量实验中摸索得到，但是从大量试验摸索形成的一种较合理的制造工艺方案,只适合特定情况。一旦组分材料或结构形状改变,又需重新试验,耗资耗时。

1.5质量可控性差

高性能聚合物基复合材料的质量可控性差很大程度上是由制造技术落后所造成的。质量可控性差造成复合材料性能分散,设计许用值低,合格率低；有缺陷产品的鉴定、评价、检测、跟踪维护的费用高。

1.6企业经营管理落后

目前国内生产聚合物基复合材料的企业大多规模较小，生产能力低；绝大多数都不具备研发能力，资金和技术不足以支撑高性能聚合物基复合材料的生产；部分企业仍沿用传统的手糊操作，工人的劳动强度大，生产效率低，而且生产的产品质量不均一；小作坊式的生产方式也大大束缚了企业经营者的管理思维，使生产和经营也受到很大的局限。

2.原材料的低成本化

根据美国制造商提供的信息，应用中聚合物基复合材料成本组成主要为材料（15%）、预浸料铺叠（25%）、装配（45%）、固化（10%）、紧固工艺（5%）。15%的材料成本虽然不是聚合物基复合材料成本中占比重最大者，但是仍然在很大程度上影响着材料的最终成本。同时原材料还决定着聚合物基复合材料的最终性能。有些材料，如高性能的碳纤维，现已被西方发达国家确定为国家机密，一般情况下难以买到，这更是大大的提高了聚合物基复合材料的原材料成本。

原材料低成本技术可包括大丝束碳纤维的应用、低温快速固化树脂体系的开发、电子束固化树脂的开发、低成本预浸料技术、各种RTM用树脂体系的配套研发、热塑性复合材料的合理使用，以及混杂复合材料的合理应用等项诸多技术。

现简要介绍电子束固化树脂和大丝束碳纤维。

2.1电子束固化树脂

90年代中期,电子束固化聚合物基复合材料方面的两个初步动作在美国启动,一是DARPA和由美国空军所倡导,其目的是提高航空航天结构材料电子束固化的工艺性和降低其制造成本；另一个是CRDA,其目的在于促进电子束固化高分子基复合材料的发展。

早期的电子束固化树脂主要由自由基聚合制得，而且基本上局限于对丙烯酸酯环氧、丙烯酸酯聚酯、丙烯酸酯聚氨酯的研究。这些树脂虽然容易实现辐射固化,但却有Tg不高、收缩率大、耐湿热性能差等缺点，因此，大多数研究人员把电子束固化树脂的研究方向集中在工艺性好并且性能优良的阳离子环氧树脂方向，研究表明，它比自由基聚合的树脂效果更好。

阳离子聚合要适量添加光引发剂，而引发剂的种类、用量、电子束剂量及剂量率对复合材料性能均有很大影响。目前，很多已经得到广泛工业应用的环氧树脂品种在引入光引发剂后都可以实现电子束固化。例如我国的双酚A型环氧618