复合材料论文

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Abstract:TheresearchprogressandvarietyapplicationsofMatrixforCompositesweresummarizedandreviewedingeneral.Detailsonsomeexperimentalaswellasindustrialachievementswerelistedincategories.ThroughconsideringtheshortcomingsofcurrentmaterielsusedasMatrix,bringoutthebasicassumptionforfuturedevelopmentinthisfield.

Keywords:Composites;Matrix

前言

复合材料(Compositematerials)，是由两种或两种以上不同性质的材料，

通过物理或化学的方法组成的具有新性能的材料。各种材料在性能上相互取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满意各种不同的要求。随着人们对于高性能材料的要求日益简单和严格，开发新型的先进的复合材料成为了人们的讨论重点。因此总结和了解现代基体材料的进展对于以后的讨论有着至关重要的作用。

复合材料依据基体种类可分为树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、水泥基复合材料等。本文将集中探讨树脂基复合材料。

树脂基复合材料是最先开发和产业化推广的，因此应用面最广、产业化程度最高。依据基体的受热行为可分为热塑性复合材料和热固性复合材料。而热塑性

复合材料是进展较晚的，其中包含许多的新型较先进的材料，下面将重点探讨热塑性复合材料的讨论进展。

正文

1.树脂基复合材料概述

1.1热固性树脂基复合材料

热固性树脂基复合材料是指以热固性树脂如不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂等为基体，以玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等为增加材料制成的复合材料。

中国树脂基复合材料始于1958年，通过大量引进国外先进技术，进展相当迅猛。在建筑、防腐、轻工、交通运输、造船等工业领域以及建筑，石油化工，交通运输，航空航天及军事领域均有广泛应用。

热固性树脂基复合材料的基体材料主要有环氧树脂，聚酯，聚酰亚胺，酚醛树脂四类。其中，环氧树脂体系是先进基体材料中应用最为广泛的一种树脂体系，现代军队及航空航天领域的很多产品多用它的增加材料来做。下文中将会对一些针对环氧树脂的改性讨论及应用进行具体陈述。而酚醛树脂是开发始于1910年的历史最长的合成树脂[1]。而聚酰亚胺则是另一种非常重要的集体材料，非常出名的双马来酰胺（BMI）即是一种特别的API体系（热固性聚酰亚胺），而通过在聚酰亚胺主链上加入侧基或柔性键，则可以制得热塑性聚酰亚胺（TPI）。

1.2.热塑性树脂基复合材料

中国的热塑性树脂基复合材料开头于20世纪80年月末期，近十年来取得了快速进展，2000年产量达到12万吨，约占树脂基复合材料总产量的17%，与发达国家尚有差距。[2]过去基体材料主要以PA及PP为主，慢慢地作为热塑性复合材料的基体材料越来越多，如今，新型的，或者说应用于先进复合材料中的基体材料主要有亚芳基聚合物，聚苯硫醚（PPS），聚醚醚酮（PEEK），聚酰胺亚胺（PAI），热塑性聚酰亚胺（TPI），聚苯醚（PPE），以及聚硫醚砜，液晶聚合物，聚醚腈等。下文将就先进复合材料基体树脂材料进行具体的探讨。

2.先进复合材料基体材料

下面将针对聚苯硫醚（PPS），聚醚醚酮（PEEK），聚酰胺亚胺（PAI），热塑性聚酰亚胺（TPI），聚苯醚（PPE），以及聚硫醚砜，液晶聚合物，聚醚腈每种基体材料在近些年的进展以及应用领域进行逐一总结概括。

2.1聚醚醚酮（PEEK）

2.1.1聚醚醚酮(PEEK)优势与性能

聚醚醚酮(PEEK)是一种半结晶性的芳香族线性热塑性工程塑料,由于它兼具芳香族热固性塑料的耐热性、化学稳定性,及热塑性塑料的易加工性的特点，且具有无毒、重量轻和拉伸强度、弯曲强度、抗冲击强度、抗蠕变性、抗疲惫性、耐磨损性、阻燃性、耐辐照性、电绝缘性等综合性能优良的特点，是一种被广泛使用的高性基体材料。通过将不同品种和比例的补强填料和帮助原料,如玻璃纤维、碳纤维、碳纳米管、碳粉、碳化硅、氮化硅、石墨、二硫化钼等经过特别处理,与聚醚醚酮相复合而得到的聚醚醚酮复合材料经常具有优秀的性能。

2.1.2聚醚醚酮(PEEK)复合材料的应用

目前，此种复合材料,产品已在压力容器、压缩机、水泵、阀门等通用机械中渐渐应用,有的产品已批量生产。比如高温用PEEK复合材料生产的三瓣密封环,用在氢气压缩机上,该压缩机的工况条件恶劣,压力为60MPa,温度为260℃,含有催化剂硬质颗粒等杂质。[3]另外，用PEEK复合材料生产的水泵导轴承、隔板、径向轴承、推力盘等产品,用在舰船水泵上。这些讨论开发所得到的PEEK复合材料具有重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀、自润滑性能好、耐磨损、长寿命等优点,在汽车零部件、通用机械、工程机械、炼油、化工、宇航、军工等行业有着广泛的应用前景,是许多高强度、低磨损、长寿命零部件和产品的替代材料。

2.1.3聚醚醚酮(PEEK)的改性讨论进展

自2000年以来，单一的聚醚醚酮树脂越来越难以满意人们的要求，于是国内外将讨论的重点转向对于聚醚醚酮树脂的改性讨论，而聚醚醚酮的改性主要有以下几种手段：

2.1.3.1无机填料填充改性

用于填充的无机填料一般都是微米、纳米级无机颗粒，如Al2O3、CuO、CaCO3、

SiN、Si3N4、ZrO2等。纳米粒子化学反应活性高，并且可以与聚合物界面相互作用，因此，被广泛用于PEEK和其他聚合物的改性。

2022年山东东营石油高校机电学院的彭旭东，马红玉等人以纳米TiO2及聚四氟乙烯(PTFE)作为复合填料,利用热压成型方法制备了纳米TiO2-PTFE填充聚

醚醚酮(PEEK)复合材料，采纳销-盘式摩擦磨损试验机考察了纳米微粒对复合材料摩擦学性能的影响，并用扫描电子显微镜观看分析了复合材料磨损表面形貌.得出了填充适量TiO2有利于PEEK/PTFE复合材料的耐磨性能的提高。[4]2022年

国外的R.K.Goyal等将PEEK粉末和Al2O3在酒精中通过磁力搅拌分散匀称,干燥

后热压成型制得复合材料试样，并讨论了其耐磨性能。[5]

2.1.3.2连续纤维增加改性

连续纤维增加一般是采纳PEEK树脂与长纤维在特定的设备与工艺条件下充分浸渍制得。增加纤维为玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、麻纤维等。由于改性后的PEEK树脂具有优良的力学性能、冲击性能、耐高温性能而成为高分子复合材料研发与应用的热点领域。

2022年J.PauloDavim等分别以30%碳纤维和30%玻璃纤维为增加材料，通过挤出成型制得PEEK复合材料，讨论了复合材料的耐磨性能和摩擦系数，并与纯PEEK进行对比，得出这种长纤维的添加对于PEEK增加树脂的耐磨性能改善显著，其中玻璃长纤维效果最好。[6]我国西北工业高校的吴新明,齐暑华,贺捷,理莎莎等人于同年12月对长玻纤增加注塑聚醚醚酮复合材料的加工工艺与力学性能进行了试验讨论，以含30%的长玻璃纤维增加聚醚醚酮为原材料,采纳注塑成型的方法讨论了聚醚醚酮复合材料的加工工艺参数包括冷却速率、成型压力、成型温度及模具温度与力学性能的关系,并对模具温度为180℃时PEEK复合材料的微观形貌进行分析,得出综合性能最佳时的参数。[7]

2.1.3.3短纤维增加改性

短切纤维增加的高分子材料的突出优点是易加工成型，挤出、模压、注塑等常规加工方法均适用，短切玻璃纤维和碳纤维具有较高的强度和模量，与PEEK的亲和性好，可起到较好的增加效果。G.Zhang等以短碳纤维、石墨和聚四氟乙

烯PTFE）为填料，在400℃下热压成型制得PEEK复合材料，发觉填充后的PEEK

[8]耐磨性提高。2022年，我国四川绵阳中国工程物理讨论院化工材料讨论所唐明

静等人通过熔融共混法制备了聚醚醚酮/碳纤维(PEEK/CF)复合材料。采纳差示扫描量热分析法(DSC)、扫描电子显微镜(SEM)、动态热机械分析仪(DMA)、微欧计、高阻计等考察了复合材料的热性能和电性能。[9]该文通过讨论聚醚醚酮/碳纤维复合材料的热性能和电性能,得出了有利于拓宽高性能聚合物复合材料在航天、航空和军事领域的应用的讨论结果。

2.1.3.4晶须增加改性

晶须是指高纯度单晶生长而成的直径几微米、长度几十微米的单晶纤维。机械强度近似等于原子间价键力的理论强度，是一类力学性能优异的新型复合材料补强增韧材料。

2022年我国李志方以CaCO3晶须为填料，通过热压成型工艺制得PEEK基复

合材料，讨论发觉：在干摩擦条件下，填充CaCO3可明显降低PEEK基复合材料

的摩擦系数。[10]

2022年林有希等人同样以CaCO3晶须为填料，利用热压成型方法制备含0%～

50%(质量分数)碳酸钙晶须增加聚醚醚酮(PEEK)复合材料,采纳MM2200型摩擦磨损试验机讨论碳酸钙晶须含量对复合材料与45#钢环配副的摩擦磨损性能

的影响,利用扫描电子显微镜观看复合材料和钢环磨损表面形貌并分析其磨损机理.同样证明白碳酸钙晶须改善聚醚醚酮复合材料的作用。[11]

2.1.3.5聚合物共混改