先进树脂基复合材料

1、.先进的树脂基复合材料，材料科学和工程学院，2011年9月，材料学，课程内容，前言.先进的增强材料2 .高性能的树脂基材3 .先进的制造技术4 .先进的复合材料的应用，前言先进的复合材料(ACM):是高性能的基材(聚合物、金属和陶瓷等)和高性能的ACM特性：比强度和比刚性高，设计性强，抗疲劳破坏性能好，耐腐蚀，结构尺寸稳定性好，适合大面积整体成形的独特优点。 应用：已成为支撑航空航天防御尖端技术领域的最重要结构材料。 NASA最初成立了PS研究机构，开展了相关资料技术的研究。 PS的发展和应用在现代产业活动中增长最快，对促进世界各国军事和民间领域的高科技现代化发挥了重要的作用。我国的发展现状始

2、于1969年，研究应用主要集中在国防、航空和宇宙工业。 以系统为首，完全、有计划地开展ACM研究是从“六五”计划期间开始的。 经过20多年的努力，国家在中长期科技发展计划的指导和各种科研计划的支持下，中国ACM的研究取得了很大进展。 ACM技术和发展先进的增强材料高性能树脂基体； 成形技术ACM在所有领域的应用。1先进的增强材料、先进的树脂系复合材料中常用的增强纤维包括碳纤维和其他高性能的有机纤维。 碳纤维(CF )的研究：主要是如何提高弹性模量和强度，降低生产成本。 高性能有机纤维的开发：包括柔软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

3、等。 改性：各种纤维有自己的优势，但也有不足和缺点，需要改性。 2高性能树脂基体、树脂基体的研究：主要围绕改善耐湿热性能、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、价格便宜等一系列优点，但耐湿热性能差。 氰酸酯树脂(AC ) :吸湿率低，韧性好，介电性能好。 是未来结构/功能一体化的优秀材料，氰酸酯树脂一般需要较高的后处理温度，给使用带来不便。 双马来酰亚胺(BMI ) :耐湿热性能和耐热性优于环氧树脂。 BMI可以和很多化合物共聚来改善韧性。 耐高温聚酰亚胺(PMR ) :在更高的耐高温水平下，可以长期使用350以上。 3先进的树脂基复合材料成形技术，ACM

4、制造成本在产品中占了很大比重，但现在影响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，降低先进的树脂类复合材料的制造成本，是目前先进的树脂类复合材料的研究重点。 先进的成形技术、热冲压罐成形技术： ACM的主要成形技术，其优点是成形的复合材料性能高、质量稳定、适合大型复杂外形复合材料构件的成形，缺点是设备投资大、能耗高、制造成本高。 预成形件/液体成形技术(LCM ) :是先进树脂基复合材料低成本制造技术的重要方向，RTM和RFI等取得了成功。 纤维缠绕技术：多自由度准确、自动化、异型结构缠绕技术，近年来发展相当迅速。 纤维铺设技术：大型结构的自动铺设成形设备和控制技术。

5、先进的固化技术：电子射线固化技术：利用电子加速器产生的高能电子射线开始树脂聚合和交联的电子射线固化技术，可以节省20%-60%的制造成本。 光固化技术、微波固化技术：从液态的单体或预聚物接受紫外线、可见光、微波的照射，通过聚合反应转化为固化聚合物的过程。 硬化过程实时监控技术：利用神经网络智能系统，实时监控硬化过程，用智能反馈系统实现实时控制。. 4先进的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以提高ACM的各种综合性能，缓和设计容许值，将减量效率从现在的20%-25%提高到30%以上。 (1)提高成分性能的纤维：向高性能化、轻量化的方向发展。 碳纤维从T800、AS4向T80

6、0、IM7，例如F-22、EF2000、B777等是T800，与T800相比性能提高了30%40%。 树脂：改性俾斯麦BMI和改性环氧，例如F-22主屈服强度结构用5250-4BMI树脂，耐温度达到200。 B777采用了3900-2高韧性环氧树脂。 第四代韧性双马树脂5260，耐温230适合民用飞机采用。 (2)重视制造技术的研究和综合技术的协调发展，除了继续采用成熟的热冲压罐成形技术外，还支持织/RTM、缝合/RTM、缠绕、拉深、注射等。 (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、维护等多方面进行综合考虑，推进丝束纤维(48-320K )、RTM工艺、固化自动监测、

7、一体成型和真空辅助成型等技术的应用。 美国通过低成本技术研究，设想在1015年内实现将先进战斗机主要复合材料结构物的制造成本降低一位数的目标。 (4)发展acm结构/功能一体化的综合技术acm技术正朝着技术综合化、功能多样化(隐藏、防热)和智能化的方向发展。 第一章ACM的高性能先进强化材料、1.1碳纤维、按力学性能分类的：高强度型(HT )、超高强度型(UHT )、高弹性模量型(HM )、超高弹性模量型(UHM )、按制造前体分类的：聚丙烯腈基(PAN )碳纤维、沥青基碳纤维和人造丝基(粘胶) 表1-1日本东丽公司碳纤维及其特性高强度、高弹性率、低密度、表1-2碳纤维复合材料的工业应用和特性

8、、比强度、比弹性率高，低线膨胀系数、衰减性好，生物相容性好，耐疲劳性能好，导电性、1.2聚酰胺纤维(Kevlar )，表1-1 芳纶纤维在1970年代由杜邦公司率先产业化，注册商标是Kevlar系列。 品种： Kevlar纤维为对位芳纶纤维。 第一代产品： RI型、29型和49型第二代产品KevlarHX系列：高粘合型Ha、高强度型Ht(129 )、原液着色型Hc(100 )、高性能中型Hp(68 )、高型号Hm(149 )、高伸长型He(119 )。 典型的物理性能表1-3。 表1-3各种Kevlar纤维的物理性能、高强度、低密度、高温度、中国芳纶纤维的研究：从20世纪70年代开始，一些小样

9、品的性能达到了Kevlar49的水平，现在自己的技术已经完成了200t/年的间聚酰胺纤维装置。 芳纶纤维的主要应用：宇宙、航空、石油、建材、交通、运输和公安部门，特别是固体火箭发动机箱、防弹背心、轮胎、电缆和石棉替代品等。 盒容器：由于芳香族聚酰胺纤维的比强度、比弹性模量明显优于高强度GF，因此芳香族聚酰胺发动机盒比GF/EP的盒容器特性系数pV/W(p为容器爆破压力，v为容器容积，w为容器质量)提高了30%以上。 突破固体发动机重要指标质量比0.92，大幅度增加导弹射程。 大量应用于先进飞机制造：其应用部位为发动机室、中央发动机罩、机翼和机体罩等飞机零件。 另外，飞机的高压轮油软管也多使用芳

10、纶纤维。 船舶：制造战舰防护装甲和声纳导向罩等，是极有前途的重要航空材料。 1.3有机杂环系纤维、kevlar纤维的弱点：分子链上存在容易热氧化、容易水解的酰胺键，环境稳定性差，不能完全满足现代宇宙、航空等技术领域的要求。 现代理论和实践显示，合成棒状芳香族杂环聚合物，在液晶相溶液的状态下纺丝得到的纤维不仅纤维的力学性能比Kevlar纤维提高，而且其热稳定性也接近有机聚合物结晶的理论极限值。有机杂环系纤维：高分子主链上含有苯并双杂环的对芳香族聚合物，例如以聚苯并恶唑(PBO )、聚苯并噻唑(PBT )、聚苯并咪唑(PBI )为代表的有机杂环系纤维，使用新一代的高分子材料(高强度、高弹性模量、耐

11、高温那个纤维是21世纪产业化的。 1.3.1聚苯并二唑(PBO )纤维、PBO纤维的结构：主链上由苯环及芳香族杂环构成的刚性棒状分子结构，以及链在液晶状态下纺丝形成的高取向有序结构。 性能：抗拉强度为4.86.2GPa，断裂伸长率为2.4%，弹性模量为280406GPa，相对密度为1.56，吸湿率1%，分解温度为670，具有蠕变小，耐磨损性优异，高温下不熔融等特性。 该纤维手感很好，非常纤细，可以制成连续纤维、精纺织线、布、缝合织物、短切纤维、纸浆等不同的形状。 表1-4PBO纤维与其他品种的纤维相比，PBO纤维最突出的性能：拉伸强度和弹性模量高，约为kevlar纤维的2倍，LOI值高2.6倍

12、。主要应用：高强度绳索和高性能帆布高强度复合材料：因为PBO纤维能同时满足轻量高强度、高弹性模量、耐高温要求，在特殊压力容器、高级体育比赛用品等方面有很大的应用潜力防弹背心耐冲击材料： PBO纤维复合材料的耐冲击性极其优异。 因此，在防弹背心的冲击吸收材料领域，应用于飞机机体、防弹背心、头盔等的制造其他特殊防护材料：其优异的耐热性、阻燃性、耐剪切性、耐磨损性等特性，轻量柔软的光缆保护涂层材料、安全手套、耐热毛毡、特殊带、 不足之处：压缩性能差：决定了PBO自身的分子结构界面粘合性差： PBO纤维和聚合物基体的粘合性能比芳纶低，PBO纤维在高性能复合材料中的应用受到限制，通常需要表面处理纤维。 生产现状： PBO产品有美国和日本东洋纺织公司生产的PBOAS，日本东洋纺织公司开发了被称为Zylon和PBOHM的高性能PBO纤维，有荷兰阿克苏的PBOM5、杜邦公司的PBO等9个品种。1.3.2聚苯硫醚(PBT )纤维，PBT :高分子主链含有苯并噻唑重复单元的耐高温、高弹性模量芳香族杂环聚合物，简称为PBT。 性能参照表1-4。 高性能的原因是，除了必要的芳香族杂环化学结构以外，分子链还在轴向上高度取向。 应用： PBT纤维可用于石棉替代品和电缆，是高性能复合材料的新型增强体。 纺织品用于防弹服、宇宙领域的火箭发动机箱、太阳能阵列、压