第一篇：碳纖維增強樹脂基復合材料性能的研究

碳纖維增強樹脂基復合材料性能的研究

摘 要：碳纖維增強樹脂基復合材料以其優異的綜合性能成為當今世界材料學科研究的 重點。本文介紹了的碳纖維增強復合材料的性能，簡述了增強機理、成型工藝及其應用領 域和發展趨勢。

新材料的研究、發展與應用一直是當代高新技術 的重要內容之一。其中復合材料，特別是先進復合材料 在新材料技術領域占有重要的地位，對促進世界各國 軍用和民用領域的高科技現代化，起到了至關重要的 作用，因此近年來倍受重視。

復合材料(Composite materials)，是以一種材料為基體(Matrix)，另一種材料為增強體(reinforcement)組合而成的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產生協同效應，使復合材料的綜合性能優于原組成材料而滿足各種不同的要求。復合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質細粒等。【1】

碳纖維增強復合材料(CFRP)是目前最先進的復合 材料之一。它以輕質高強、耐高溫、抗腐蝕、熱力學性能 優良等特點廣泛用作結構材料及耐高溫抗燒蝕材料，而這些優 異的性能可使碳纖維成為一種十分良好的增強材 料。目前，碳纖維大部分應用于碳纖維增強樹脂基 復 合 材 料（Carbon Fiber Reinforced Polymer Composite，簡稱CFRP）。是其它纖維增強復合材料所無法比擬的。因為環氧樹脂的熱機械 性能、抗蠕變性能、粘接性能優異而且吸濕性好； 固化收縮率和線膨脹系數小；固化溫度較低；較高 溫度下穩定性好；尺寸穩定性、綜合性能好[2]；而 且又與有機材料的浸潤性能好等優點，所以近年來 應用最多的就是碳纖維增強環氧樹脂復合材料。目 前為止，CFRP 可以應用于航空、航天，體育用品，交通工具，建筑材料等多個領域。無論是軍用還 是民用，隨著研究的不斷深入和工廠的大規模生產，其應用領域更為廣闊。

碳纖維增強樹脂基復合材料的性能【10】

碳纖維增強樹脂基復合材料具有一系列的優異性能, 主要表現在以下幾個方面。

（1）具有高的比強度和比模量。CFRP的密度僅為 鋼材的 1/5，鈦合金的 1/3，比鋁合金和玻璃鋼（GFRP）還輕，使其比強度（強度 / 密度）是高強度鋼、超硬鋁、鈦合金的4倍左右，玻璃鋼的2倍左右；比模量（模量/ 密度）是它們的3倍以上。CFRP輕而剛、剛而強的特性 是其廣泛用于宇航結構材料最基本的性能。

（2）耐疲勞。在靜態下，CFRP 循環 105 次、承受 90%的極限強度應力時才被破壞，而鋼材只能承受極 限強度的 50%左右。對于碳纖維增強樹脂基復合材 料，在應力作用下呈現粘彈性材料的疲勞特性，顯示出 耐疲勞特性。CFRP呈現出良好的抗蠕變性能，這可能 與碳纖維的剛性有關。

（3）熱膨脹系數小。碳纖維的熱膨脹系數α具有 顯著的各向異性，使其復合材料的α也具有各向異 性。

（4）耐磨擦，抗磨損。CFRP 有優良的耐疲勞特 性、熱膨脹系數小和熱導率高的特性，具耐磨擦、抗磨 損的基本性能。再加之碳纖維具有亂層石墨結構，自 潤滑性好，適用于摩擦磨損材料。比磨耗量可用以下 三式表示。

Wr=KLa

a=(b+2)/ 3

N=（So /S）/ b

式中Wr 為比磨耗量； K為比例常數； S為循環作 用的應力； So 為材料的拉伸強度； N為斷裂時的循環次 數。CFRP具有高的拉伸強度，是優良的摩擦材料。

（5）耐蝕性。碳纖維的耐蝕性非常優異，在酸、堿、鹽和溶劑中長期浸泡不會溶脹變質。CFRP 的耐蝕性 主要取決于基體樹脂。長期在酸、堿、鹽和有機溶劑環 境中，刻蝕、溶脹等使其變性、腐蝕，導致復合材料性能 下降。

（6）耐水性好。碳纖維復合材料的耐水性好，可長 期在潮濕環境和水中使用。一般沿纖維方向(0°)的強度 保持率較高，垂直于纖維方向(90o)的保持率較低。這可 能與基體樹脂的吸濕、溶脹有關。

（7）導電性好。碳纖維具有導電性能。對于 CFRP 導電性能來自碳纖維，基體樹脂是絕緣體。因此，CFRP 的導電性能也具有各向異性。

（8）射線透過性。CFRP對 X射線透過率大，吸收 率小，可在醫療器材（如 X光機）方面應用。增強機理 碳纖維增強樹脂基復合材料是以聚合物為基體(連續相)，纖維為增強材料(分散相)組成的復合材料。纖維材料的強度和模量一般比基體材料高得多，使它 成為主要的承載體。但是必須有一種粘接性能好的基 體材料把纖維牢固地粘接起來。同時，基體材料又能起到使外加載荷均勻分布，并傳遞給纖維的作用【11】。

這種復合材料的特點是，在應力作用下，使纖維的 應變與基體樹脂的應變歸于相等，但由于基體樹脂的 彈性模量比纖維小得多，且易塑性屈服，因而當纖維和 基體處在相同應變時，纖維中的應力要比基體中的應 力大得多，致使一些有裂口的纖維先斷頭，然而由于斷 頭部分受到粘著它的基體的塑性流動的阻礙，斷纖維 在稍離斷頭的未斷部分仍然與其周圍未斷纖維一樣承 擔相同的負荷。復合增強的另一原因是基體抑制裂紋 的效應，柔軟基體依靠切變作用使裂紋不沿垂直方向 發展而發生偏斜，導致斷裂能有很大一部分用于抵抗 基體對纖維的粘著力，從而使銀紋在 CFRP 整個體積 內得到一致，而使抵抗裂紋產生、生長、斷裂以及裂紋 傳播的能力都大為提高。因此，CFRP的力學性能得到 很大的改善和提高【12】。實驗部分

1.1 實驗原料

碳纖維（12K/T-300）：臺灣臺塑廠；環氧樹脂 E51：星辰化工無錫樹脂廠；固化劑：二乙烯三胺（DETA）分析純，國藥集團化學試劑有限公司；活 性稀釋劑：市售。

1.2 實驗儀器及設備 電子天平：H10KS，上海儀器總廠；電熱恒溫 鼓風干燥箱：DHG-9030 型，上海精密實驗設備有 限公司；攪拌器：DF-1 型，榮華儀器制造有限公 司；模具：自制。

1.3 復合材料的制備

（1）將碳纖維干燥，條件為：150 ℃/2 h；（2）按規定配比配制樹脂膠液；

（3）采用手糊成型工藝制作層合板，并固化，固化條件為 100 ℃/3 h + 150 ℃/2 h；

（4）用萬能制樣機切割標準樣條；

其中制作的層合板長寬為 200 mm×200 mm，厚度為 5 mm 的方形板材，基體樹脂每層用量為 20 g，碳纖維每層平鋪，一共為 8 層，層與層之間的碳 纖維絲束成十字交叉排列。

試驗結果與討論

2.1 碳纖維含量對硬度的影響 顯微硬度試驗結果示于圖 1。可以看出, 隨著 碳纖維含量的增加, 試樣的硬度呈現 S 形增加趨 勢, 增加幅度由小到大又由大到小。碳纖維是脆性 材料, 具有高的強度和比模量, 所以加入碳纖維能提 高試樣的硬度[ 5]。基體是樹脂材料, 其硬度較低, 當 碳纖維含量較低時, 由于在基體中較分散, 所以對顯 微硬度的貢獻較小;當碳纖維含量> 10%, 碳纖維的 作用變的非常明顯, 所以硬度有較大幅度的增加;但 是, 當碳纖維含量> 25% , 碳纖維的增強作用逐漸達 到飽和, 硬度的增加速度開始下降。總之, 碳纖維的 加入對硬度的提高非常明顯。

圖y為不同碳纖維含量樣品的電導率。從中可 以看出, 當碳纖維含量< 10%時, 電阻隨纖維含量的 增加急劇下降;當碳纖維含量> 10%時, 體積電阻的 變化趨于平緩, 電阻值的下降與碳纖維含量的增加 并不成正比, 有一個滲濾閥值, 這個滲濾閥值約為 15%。這表明, 碳纖維/ 酚醛樹脂復合體系在碳纖維 含量為 15%以上, 試樣具有一定的導電性能[ 6]。

上述結果可用以下理論解釋, 當復合體系中導 電填料的含量在達到一個臨界值前, 其電阻率急劇 下降, 在電阻率導電填料含量曲線上出現一個狹窄 的突變區域。在此區域內, 導電填料含量的任何細 微變化均會導致電阻率的顯著改變, 這種現象通常 稱為滲濾現象, 導電填料的臨界含量稱為滲濾閥值。在突變區域之后, 即使導電填料含量繼續提高, 復合 材料的電阻率變化甚小, 這反映在突變點附近導電 填料的分布開始形成導電通路網絡。導電高分子材 料的導電現象是由導電填料的直接接觸和填料間隙 之間的隧道效應的綜合作用產生的;或者說是由導 電通道、隧道效應和場致發射三種導電機理競相作 用的結果。在低導電填料含量及低外加電壓下, 導 電粒子間距較大, 形成鏈狀導電通道的幾率極小, 這 時隧道效應起主要作用;在低導電填料含量和高外 加電壓時, 場致發射理論變得顯著;在高導電填料含 量下, 導電粒子的間距小, 形成鏈狀導電通道幾率較 大, 這時導電通道機理的作用明顯增大[ 7]。

碳纖維含量對耐磨性的影響

試樣磨損完畢后, 每個試樣磨損前、后的質量磨 損量與碳纖維含量的關系如圖 3 所示。從圖 3 可以 看出, 隨著碳纖維含量的增加, 復合材料的磨損率下 降、耐磨性能提高, 且提高程度隨著碳纖維含量的增加而減小, 最后趨于不變。

綜上所述，碳纖維增強樹脂基復合材料品種結構 變化繁多，加工成型技術不斷更新，基礎理論研究方興 未艾，應用領域相當廣泛，這些事實充分證明了這一材料在工程塑料中的領先地位。隨著基礎研究和應用研 究的不斷深入，該材料在取代金屬、節約能源、特殊專 用等方面將發揮獨特的作用，其巨大的潛力必將得到 進一步挖掘。

總結碳纖維復合材料的現實應用有以下幾個方面: 4.1 航空航天領域的應用[13] 碳纖維復合材料與鋼材相比其質量減輕 75%，而 強度卻提高 4 倍，其最早最成熟的應用當屬在航空航 天領域，如軍用飛機、無人戰斗機及導彈、火箭、人造衛 星等。早在 1970 年代初期，美國軍用 F-14 戰斗機就部 分采用碳纖維復合材料作為主承力結構。在民用航空 領域，如波音 767 和空中客車 A310 中，碳纖維復合材 料也占到了結構質量的 3%和 5%左右。近幾年隨著碳 纖維工業技術和航空航天事業的不斷發展，碳纖維在 這一領域的應用更加廣泛，如用于制造人造衛星支架、衛星天線、航天飛機的機翼、火箭的噴焰口、戰略導彈 的末級助推器、機器人的外殼等。

4.2 體育休閑領域的應用 體育休閑用品是碳纖維復合材料應用的另一個重 要領域，如高爾夫球桿、滑雪板、滑雪車、網球拍、釣魚 竿等。用碳纖維復合材料制成的球拍與傳統的鋁合金 球拍相比，其質量更輕、手感和硬度更好、對震蕩和振 動的吸收也更好，且使用壽命大大延長。同時由于復合 材料本身的可設計性，使得制造商在球拍的硬度、彈 性、球感、擊球性能的設計上，有了更大的想象空間。而 碳纖維釣魚竿由于其良好的韌性與耐用性，更是被廣 泛青睞。近年來，碳纖維復合材料在運動及休閑型自行 車零組件方面的應用也非常廣泛。

4.3 交通運輸領域 碳纖維增強復合材料在交通運輸方面主要是汽車 骨架、螺旋槳芯軸、輪轂、緩沖器、彈簧片、引擎零件、船 舶的增強材料等，尤其在汽車方面的應用更是潛力巨 大。早在 1979 年，福特汽車公司就在實驗車上作了試 驗，將其車身、框架等 160 個部件用碳纖維復合材料制 造，結果整車減重 33%，汽油的利用率提高了 44%，同 時大大降低了振動和噪音。

4.5 其他工業領域 防彈產品方面，包括防彈頭盔、防彈服、防彈運鈔 車和防彈汽車等；電子工業方面，包括各種反射面天 線、印刷電路板、殼架等；生物工程和人體醫學方面，包括人造關節、骨骼、CT掃瞄床板等；地鐵車輛、發熱 材料和電熱用品以及機械制造工業等復合材料產品 多種多樣，層出不窮，充分體現了其應用多元化的趨 勢和特點。

【1】360百科

［2］ 張金祥．新型 BMI/環氧樹脂共固化體系的研究[D].大連：大連理 工大學，2011．

10張曉虎,孟宇,張煒.碳纖維增強復合材料技術發展現狀及趨 勢.纖維復合材料,2004,30(1):50～58.王汝敏,鄭水蓉,鄭亞萍.聚合物基復合材料及工藝.北京:科學 出版社,2004.12彭樹文.碳纖維增強尼龍66的研究.工程塑料應用 13 蘇小萍.碳纖維增強復合材料的應用現狀.高科技纖維與應 用, 2004,29(5):34～36.

第二篇：碳纖維材料的性能

碳纖維材料的性能及應用

摘要：介紹了碳纖維及其增強復合材料，詳細介紹了碳纖維復合材料的分類和特性,著重闡述了碳纖維及其復合材料在高新技術領域和能源、體育器材等民用領域的應用，并對未來碳纖維復合材料的發展趨勢進行了分析。

關鍵詞：碳纖維性能應用 0引言

碳纖維復合材料具有輕質、高強度、高剛度、優良的減振性、耐疲勞和耐腐蝕等優異性能。以高性能碳纖維復合材料為典型代表的先進復合材料作為結構、功能或結構/功能一體化材料，不僅在國防戰略武器建設中具有不可替代性，在綠色能源建設、節約能源技術發展和促進能源多樣化過程中也將發揮極其重要的作用。若將先進碳纖維復合材料在國防領域的應用水平和規模視作國家安全的重要保證，則碳纖維復合材料在交通運輸、風力發電、石油開采、電力輸送等領域的應用將與有效減少溫室氣體排放、解決全球氣候變暖等環境問題密切相關。隨著對碳纖維復合材料認識的不斷深化，以及制造技術水平的不斷提升，碳纖維復合材料在相關領域的應用研究與裝備不斷取得進展，借鑒國際先進的碳纖維復合材料應用經驗，牽引高性能碳纖維及其復合材料的國產化步伐，對于改變經濟結構、節能減排具有重要的戰略意義。

1碳纖維材料

1.1何為碳纖維材料

碳纖維是一種含碳量在9 2% 以上的新型高性能纖維材料, 具有重量輕、高強度、高模量、耐高溫、耐磨、耐腐蝕、抗疲勞、導電、導熱和遠紅外輻射等多種優異性能, 不僅是21 世紀新材料領域的高科技產品, 更是國家重要的戰略性基礎材料, 政治、經濟和軍事意義十分重大。碳纖維分為聚丙烯睛基、瀝青基和粘膠基3種, 其中90 % 為聚丙烯睛基碳纖維。聚丙烯睛基碳纖維的生產過程主要包括原絲生產和原絲碳化兩部分。用碳纖維與樹脂、金屬、陶瓷、玻璃等基體制成的復合材料, 廣泛應用于航空航天領域體育休閑領域以及汽車制造、新型建材、信息產業等工業領域。1.2碳纖維的特點

碳纖維是纖維狀的碳材料, 由有機纖維原絲在1 000 以上的高溫下碳化形成, 且含碳量在90%以上的高性能纖維材料。碳纖維主要具備以下特性:

(1)密度小、質量輕, 碳纖維的密度為1.5~ 2 g /cm3, 相當于鋼密度的1 /

4、鋁合金密度1/2;(2)強度、彈性模量高, 其強度比鋼大4~ 5倍, 彈性回復為100%;(3)熱膨脹系數小, 導熱率隨溫度升高而下降, 耐驟冷、急熱, 即使從幾千攝氏度的高溫突然降到常溫也不會炸裂

(4)摩擦系數小, 并具有潤滑性;

(5)導電性好, 25 時高模量碳纖維的比電阻為775 cm, 高強度碳纖維則為1 500 cm;(6)耐高溫和低溫性好, 在3 000 非氧化氣氛下不熔化、不軟化, 在液氮溫度下依舊很柔軟, 也不脆化;

(7)耐酸性好, 對酸呈惰性, 能耐濃鹽酸、磷酸、硫酸等侵蝕。除此之外, 碳纖維還具有耐油、抗輻射的特性

2碳纖維增強復合材料

盡管碳纖維可單獨使用發揮某些功能, 然而, 它屬于脆性材料, 只有將它與基體材料牢固地結合在一起時, 才能利用其優異的力學性能, 使之更好地承載負荷。因此, 碳纖維主要還是在復合材料中作增強材料。根據使用目的不同可選用各種基體材料和復合方式來達到所要求的復合效果。碳纖維可用來增強樹脂、碳、金屬及各種無機陶瓷, 而目前使用得最多、最廣泛的是樹脂基復合材料。2.1碳纖維增強陶瓷基復合材料

陶瓷具有優異的耐蝕性、耐磨性、耐高溫性和化學穩定性, 廣泛應用于工業和民用產品。它的弱點是對裂紋、氣孔和夾雜物等細微的缺陷很敏感。用碳纖維增強陶瓷可有效地改善韌性, 改變陶瓷的脆性斷裂形態, 同時阻止裂紋在陶瓷基體中的迅速傳播、擴展。目前國內外比較成熟的碳纖維增強陶瓷材料是碳纖維增強碳化硅材料, 因其具有優良的高溫力學性能, 在高溫下服役不需要額外的隔熱措施,因而在航空發動機、可重復使用航天飛行器等領域具有廣泛應用。2.2碳/碳復合材料

碳/碳復合材料是碳纖維增強碳基復合材料的簡稱, 也是一種高級復合材料。它是由碳纖維或織物、編織物等增強碳基復合材料構成。碳/碳復合材料主要由各類碳組成, 即纖維碳、樹脂碳和沉積碳。這種完全由人工設計、制造出來的純碳元素構成的復合材料具有許多優異性能, 除具備高強度、高剛性、尺寸穩定、抗氧化和耐磨損等特性外, 還具有較高的斷裂韌性和假塑性。特別是在高溫環境中, 強度高、不熔不燃, 僅是均勻燒蝕。這是任何金屬材料無法與其比擬的。因此廣泛應用于導彈彈頭, 固體火箭發動機噴管以及飛機剎車盤等高科技領域。2.3碳纖維增強金屬基復合材料

碳纖維增強金屬基復合材料是以碳纖維為增強纖維, 金屬為基體的復合材料。碳纖維增強金屬基復合材料與金屬材料相比, 具有高的比強度和比模量;與陶瓷相比, 具有高的韌性和耐沖擊性能, 金屬基體多采用鋁、鎂、鎳、鈦及它們的合金等, 其中, 碳纖維增強鋁、鎂復合材料的制備技術比較成熟。制造碳纖維增強金屬基復合材料的主要技術難點是碳纖維的表面涂層, 以防止在復合過程中損傷碳纖維,從而使復合材料的整體性能下降。目前, 在制備碳纖維增強金屬基復合材料時碳纖維的表面改性主要采用氣相沉積、液鈉法等, 但因其過程復雜、成本高, 限制了碳纖維增強金屬基復合材料的推廣應用 2.4碳纖維增強樹脂復合材料

碳纖維增強樹脂基復合材料(CFRP)是目前最先進的復合材料之一。它以輕質、高強、耐高溫、抗腐蝕、熱力學性能優良等特點廣泛用作結構材料及耐高溫抗燒蝕材料, 是其他纖維增強復合材料所無法比擬的。碳纖維增強樹脂復合材料所用的基體樹脂主要分為兩大類, 一類是熱固性樹脂, 另一類是熱塑性樹脂。熱固性樹脂由反應性低分子量預集體或帶有活性基團高分子量聚合物組成;成型過程中, 在固化劑或熱作用下進行交聯、縮聚, 形成不熔不溶的交聯體型結構。在復合材料中常采用的有環氧樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂以及酚醛樹脂等。熱塑性樹脂由線型高分子量聚合物組成, 在一定條件下溶解熔融, 只發生物理變化。常用的有聚乙烯、尼龍、聚四氟乙烯以及聚醚醚酮等。在碳纖維增強樹 脂基復合材料中, 碳纖維起到增強作用, 而樹脂基體則使復合材料成型為承載外力的整體, 并通過界面傳遞載荷于碳纖維, 因此它對碳纖維復合材料的技 術性能、成型工藝以及產品價格等都有直接的影響。碳纖維的復合方式也會對復合材料的性能產生影響。在制備復合材料時, 碳纖維大致可分為兩種類型: 連續纖維和短纖維。連續纖維增強的復合材料通常具有更好的機械性能, 但由于其制造成本較高,并不適應于大規模的生產。短纖維復合材料可采用與樹脂基體相同的加工工藝, 如模壓成型、注射成型以及擠出成型等。當采用適合的成型工藝時, 短纖維復合材料甚至可以具備與連續纖維復合材料相媲美的機械性能并且適宜于大規模的生產, 因此短纖維復合材料近年來得到了廣泛的應用。

李軍《碳纖維及其復合材料的研究應用進展》遼寧化工2010年9月第39卷第9期

3碳纖維及其復合材料的應用

3.1高新技術領域

碳纖維復合材料因其獨特、卓越的性能，在航空領越特別是飛機制造業中應用廣泛。統計顯示，目前，碳纖維復合材料在小型商務飛機和直升飛機上的使用量已占70％~80％，在軍用飛機上占30％~40％，在大型客機上占15％~50％。AV—8B 改型“鷂”式飛機是美國軍用飛機中使用復合材料最多的機種，其機翼、前機身都用了石墨環氧大型部件，全機所用碳纖維的重量約占飛機結構總重量的26％，使整機減重9％，有效載荷比AV—8A飛機增加了一倍。數據顯示采用復合材料結構的前機身段，可比金屬結構減輕質量32.24%。用軍機戰術技術性能的重要指標——結構重量系數來衡量，國外第四代軍機的結構重量系數已達到27～28%。未來以F-22 為目標的背景機復合材料用量比例需求為35%左右，其中碳纖維復合材料將成為主體材料。在法國電信一號通信衛星本體結構中，帶有4 條環形加強筋的中心承力筒是由CFRP 制成的，它通過螺接連接在由CFRP 制成的儀器平臺上。衛星的蒙皮是由T300 CFRP 制成。由于CFRP 的比模量高，在日本JERS-1 地球資源衛星殼體內部的500 mm 的推力筒、儀器支架、8 根支撐桿和分隔環都使用了M40JB CFRP，此外，衛星的外殼、一些儀器的安裝板均采用了碳纖維/環氧蜂窩夾層結構。美國空軍實驗室1997 年在國家導彈防御系統試驗項目(BMDO CEP)支持下，成功設計并制造了以CFRP 為加強筋的AGS 整流罩，重量僅37 kg，同類型鋁合金防護罩重97 kg，運用纖維纏繞技術實現了自動化生產，工藝周期縮短88%，比同類型蜂窩夾層結構制造復合材料整流罩減重40%，成本降低20%

圖3 CEP 火箭有效載荷整流罩 Fig． 3 Payload fairing of CEP launch rocket 3.2民用領域

3.2.1碳纖維復合材料在體育器材上的應用

像撐竿、高爾夫球桿、網球拍、自行車、滑雪板、皮劃艇等靠人力來使其運動的體育器材，人們希望其質量越輕越好;即使是靠人力以外的其他動力來使其運動的器材，如賽車、帆船、摩托艇等，在相同的條件下也以質輕為好。碳纖維復合材料在此方面具有不可比擬的優勢，其密度為1． 76 ～1． 80 g /cm3，所制復合材料密度為1． 50 ～1． 60 g /cm3，而鋼材約為7． 87 g /cm3、鋁材2． 7 g /cm3、鈦材4． 5 g /cm3。顯然，CFRP 要比金屬材料輕得多。3.2.1碳纖維在新能源領域的應用

葉片是風力發電裝備的關鍵部件，它的質量（W）隨葉片長度（L）的三次方增加（W=A L3）。當風機葉片質量增長到一定程度時，葉片質量的增加幅度大于風機能量輸出的增加，那么葉片長度的增加則存在一個極值。風力發電機葉片的長度尺寸、剛性以及質量代表著風電機組的發電水平，常規的玻璃纖維增強材料制備葉片已難以滿足葉片尺寸加大對剛性與質量的綜合要。碳纖維復合材料優異的抗疲勞特性和良好的導電特性，可有效減弱惡劣環境對葉片材料的損害，避 免雷擊對葉片造成的損傷求，在全球風機裝機容量快速增長的今天，提高碳 纖維復合材料用量的長葉片大容量風機將成為主要趨勢。3.2.3碳纖維在工業領域的應用

鐵道部規劃在3 ～ 5 年內，時速為160km / h 的車輛將達到50% 以上，約1 萬5千輛，每輛車需剎車片32 片，共需約48 萬片。車輛提速之前，鐵路客車和貨車的最高設計時速分別為120km / h 和80km / h。由于車輛速度每提高一倍，其制動功率將增加8 倍，因此對提速車輛用制動材料提出了相當嚴格的技術要求。理論研究和實車運營狀況表明，現有的常規制動材料，無論是摩擦系數和列 車運行平穩性，還是耐磨性、導熱性、制動距離等均不能滿足提速車輛的需要碳纖維復合材料剎車片是國際上仍在不斷研究的新型制動材料，它具有強度高、彈性模量適中、耐熱性好、重量輕、膨脹系數小、耐磨損等優點，而所有這些都是提速列車制動所必需的性能，因此開發這類新型材料已被發達國家重視德國鐵路部門投巨資，由KnoorBremse公司研制了高速列車用碳纖維復合材料盤型制動器;日本、法國開發研制的碳纖維復合材料剎車片已成功地應用于新干線和TGV 高速列車制動。面對國外碳纖維復合材料高技術的發展趨勢和我國鐵路對高性能制動片的迫切需求，研制開發高速列車用碳纖維復合材料剎車片不僅具有重要的現實意義，而且具有巨大的推廣應用價值

4碳纖維產業的前景展望

自２００４年隨著碳纖維在汽車應用上的起步、飛機應用及風力發電等領域的擴大，碳纖維的需求快速增加，使全球碳纖維供應呈嚴重短缺現象，促使世界各國 碳纖維生產廠家紛紛加大資金投入、擴大產能，碳纖維的生產進入高速發展時期。由于全球對碳纖維需求的持續增長，預計未來碳纖維還將以超過１０％年增長率 速度持續增長。目前世界碳纖維生產和技術主要集中在日本、美國等少數幾個國家，其中日本占全球產能的５０％以上，美國占全球產能的２７．５％。盡管我國從２０世紀６０年代后期就開始ＰＡＮ基碳纖維研究工作，且與國外開始的時間相差不遠；但由于在原絲與碳化的關鍵技術及設備上一直未能取得突破，特別是ＰＡＮ原絲技術停滯不前，因此與世界上碳纖維生產先進水平的國家相比，在數量和質量上差距越拉越大。盡管我國的碳纖維生產發展緩慢，但消費量卻與 日俱增，市場需求旺盛。隨著市場需求的增加，特別是國防、軍工、航空航天、體育用品等方面需求的增長，每年從國外進口的碳纖維越來越多。這就要求我們必需加快研究、生產步伐，抓住發展機遇，盡快實現和提高我國碳纖維國產化生產水平。

第三篇：樹脂基碳纖維復合材料成型工藝現狀及發展方向

樹脂基碳纖維復合材料成型工藝現狀及發展方向

與金屬材料相比，高性能纖維復合材料成本高，所以必須在纖維復合材料結構件制造過程中廣泛實現自動化和數字化相結合的現代復合材料制造技術，以達到降低飛機全壽命周期內成本的目的。

國外飛機碳纖維復合材料制造技術現狀 復合材料用量大幅提高

目前，國外新一代軍機和民用運輸機已普遍采用高性能樹脂基碳纖維復合材料，第四代戰機復合材料用量占飛機結構重量的20％～50％，干線客機約為10%～50％。

以波音777為例，在其機體結構中，鋁合金占70%、鋼11%、鈦7%，復合材料僅占到11%，而且復合材料主要用于飛機輔件。但到波音787時，復合材料的使用出現了質的飛躍，其用量已占到結構重量的50%，不僅數量激增，而且已用于飛機的主承力構件。構件集成化、整體化、大型化

復合材料是大型整體化結構的理想材料，與常規材料相比可使飛機減重15%～30%，結構設計成本降低15％～30％，制造成本大幅降低。復合材料還克服了金屬材料容易出現疲勞和被腐蝕的缺點，增加了飛機的耐用性，改善了飛機的維修性，同時也帶來了飛機客艙的舒適性。

美國CAI計劃將復合材料結構整體成型技術列為其最主要的關鍵技術之一，并于2001年開始用于F-35(JSF)的驗證上。

在波音787之前，飛機的機身段由約2500個配件、3萬個螺釘組裝起來，現在通過采用集成化的整體機身結構，使生產方式更簡單、更可靠，且顯著減少了零件數目，減重約達20%。制造設備大型化

在復合材料制造設備上，國外民機廣泛采用了高效的雙頭鋪帶機、自動鋪放設備、大型熱壓罐及超聲檢測設備等，為高速生產機體結構提供了保障。

ASC工藝系統公司已制造出用于波音787復合材料機身段固化的、世界上最大的熱壓罐。該熱壓罐最大壓力1.02MPa，最高溫度232℃，作業區面積9m×23m，容積2214m3,重量500t以上。

Flow International公司制造了超大型噴水切割機，用于長達30m的波音787全復合材料結構機翼蒙皮層合板的切割，床身為36m×6.5m。該磨粒噴水切割機可快速、高效切割厚的層合扳，且不產生過熱問題。復合材料下料、鋪放、切割實現自動化和數字化

由Dassault Aviation公司同BAE體系公司聯合設計的商用噴氣式飛機機身采用浸漬樹脂的碳纖維窄帶和蜂窩芯材制造。該機身每節段尺寸為4.5m×2m，機身全部采用圓桶式復合材料（FUBACOMP）方案。

B787飛機加工中生產出的第一個全尺寸復合材料整體結構機身段的尺寸為7m×6m。這一包括桁條在內的整體結構是在一副用殷伐鋼制成的大型芯軸中制作的，芯軸上安裝有加強筋的W形模腔，加強筋在纖維鋪放前被安放在模腔中，應用計算機控制的復合材料鋪帶機完成纖維鋪放。模具被安裝在一個旋轉機構上，隨著鋪帶過程的進行，該機構帶動筒型件旋轉，然后該構件被包裹并放入熱壓罐中進行共固化，形成帶加強筋的殼體結構。低成本制造技術廣泛應用

由于復合材料的成本較高，特別是制造成本，這是制約它進一步擴大應用的主要障礙之一。以美國為首的西方發達國家紛紛制訂低成本復合材料發展研究計劃，不斷完善復合材料層壓板真空袋-熱壓罐制造工藝，開發高性能、低成本的復合材料制造技術，并已取得較大進展。如自動化的鋪帶機（ATL）、纖維鋪放機、樹脂轉移模塑成型（RTM）、真空輔助模塑成型（VARTM）、樹脂膜熔滲（RFI）、電子束固化及膜片成型等先進技術。

RTM技術不使用預浸料和熱壓罐，可以有效地降低成本，配套使用三維編織機和三維縫紉機，可以制造較為復雜的零件。RTM技術在美國的F-22和F-35上得到了廣泛應用。波音787機身的大部分地板采用RFI制造。波音787機翼后緣由德哈維蘭公司采用VARTM工藝制造，與傳統的熱壓罐技術相比，結構更堅固，易于修理，不易損傷。

國內飛機碳纖維復合材料制造技術現狀

我國復合材料制造技術經過30多年的研究和發展，已形成了一定的規模，達到了一定的水平。各主機生產廠均已建設了生產手段，完成了相應的設備改造和技術改造。各研究院所及重點高校培養了大量人才。國內從設計、材料到工藝有了一支配套的研發隊伍。但與國外相比，還存在應用規模和水平、材料基礎、制造工藝、設計方法與手段嚴重落后等問題，且差距有進一步拉開的趨勢。

復合材料用量不高

當波音、空客等新機型大規模采用復合材料后，我國目前僅掌握金屬飛機的研制能力，復合材料只能少量地用在飛機輔件上，在主結構上的應用還需進一步研究。

國內1985年制成的殲

8、強5機垂直尾翼壁板及垂直尾翼使用過樹脂基碳纖維復合材料。國產客機、運輸機主、次承力構件沒有使用復合材料的相關報道。國內直升機領域復合材料使用比例較大，直九復合材料使用率達到了23%左右。國內無人機因尺寸較小，復合材料用量較大，一般在50%～80%之間，如愛生系列無人機。

碳纖維依賴進口，國產化程度低

我國自20世紀60年代開始碳纖維研究開發，至今已有近40年的歷史，但進展緩慢，無論軍用、民用碳纖維均不能自給，同時由于發達國家對我國幾十年的技術封鎖，至今沒能實現大規模工業化生產，僅有的生產廠家還面臨國際的競爭和擠壓，舉步維艱。尤其是像T800這樣被廣泛應用于飛機制造的復合材料，我國還不能生產。國產化的T300復合材料還在研制之中。工業及民用領域的需求長期依賴進口，嚴重影響了我國高端技術的發展，尤其制約了航空航天及國防軍工事業的發展，與我國的經濟社會發展進程極不相稱。

制造設備尺寸小且多數依賴進口

國內用于復合材料生產的主要關鍵設備與我國要開展的大飛機結構尺寸相比，設備尺寸小，且大多數依賴進口。

如西飛用于飛機復合材料制造的主要設備熱壓罐是從德國Scotch公司引進的φ3.5m×10m熱壓罐，有效長度為10m，直徑為3.5m，與歐美等國家相比，差距仍然較大。

哈飛用于先進復合材料生產的主要設備，如固化爐、大型熱壓罐、復合材料數控下料銑、激光鋪層定位系統、自動鋪帶機、RTM成型設備、縫合設備以及先進的無損檢測設備等基本上是從國外進口的。

工藝落后，自動化和數字化水平低

以樹脂基碳纖維復合材料飛機結構件為例。傳統的生產工藝采用預浸料鋪層干法成型工藝，在熱壓罐或烘箱中加熱、加壓固化成型機體復合材料構件。固化、脫模、修整后的構件經無損檢測驗證合格后進入下道裝配工序。

傳統復合材料成型工藝的缺點是手工下料、手工鋪放，能耗高，生產成本高，質量不易控制，不環保。在整個工藝過程中產生的廢料包括：預浸料、膠膜、蜂窩下料過程中形成的邊角料；固化過程產生的廢氣；復合材料零件修整過程中打磨和切割裁邊時產生的固體粉塵，固體邊角料；膠接過程產生的廢氣等，這些因素都增加了產品的制造成本，并對環境造成了破壞。

自動鋪帶機、自動絲束鋪放機、柔性數控氣動卡具的出現部分解決了手工鋪放質量不易控制的缺點。不過，到目前為止，仍不能完全采用自動化設備來替代手工鋪放。同時，熱壓罐法成型生產周期長，設備費用高，能源消耗大，成本高，由于復合材料零件的整體尺寸越來越大，所需的熱壓罐尺寸跟著加大，成本問題也隨之突出。

綜上所述，我國樹脂基碳纖維復合材料制造存在著原材料和制品的成本昂貴、制品成型工藝陳舊、復合材料回收再利用困難等問題亟待研究解決。

結論與建議

建立適合國情的復合材料研發模式

與歐美國家相比，我國復合材料制造技術各方面都存在較大差距，主要原因是我國科技轉化為生產力的水平較低。與歐美航空工業相比，我國航空企業還沒有成為真正的科技轉化生產力的主體，科技轉化為生產力體制、機制的最佳模式還沒有形成。為此，需建立復合材料發展戰略，有組織、有規劃地進行研究和創新，同時應加大對相關企業的投入，完善科研機制，實行設計制造一體化，提高飛機研制的頻度，建立科技轉化生產力體制、機制的航空工業最佳模式。

實現高性能、高質量碳纖維國產化

隨著我國經濟的快速發展，碳纖維的需求與日俱增，雖然國際上一些公司的T300級原絲和碳纖維產品開始對我國解凍，但碳纖維及其復合材料的生產是關系到國防建設的高科技，必須立足國內。所以，需要加大國家投入和攻關，或通過技術引進，盡快掌握核心技術，降低生產成本，研制生產高性能、高質量的碳纖維，以滿足軍工和民用產品的需求，扭轉大量進口的局面，這是我國碳纖維工業發展亟待解決的問題。

大力發展低成本制造技術

低成本復合材料制造技術是當今世界上復合材料技術領域的核心問題之一，包括低成本的材料技術、低成本的設計技術和低成本的制造技術，如大型整體成型結構、共固化/共膠接結構、設計制造一體化技術等，其中，重點應是以共固化/共膠接為核心的大面積整體成型技術。我們應當向國際上倡導的的“無緊固件”技術靠攏，減少后加工量和裝配工作量。

國內亟需在這幾方面制訂好規劃,有組織地統一制訂相應規范，使試驗和分析更好地結合起來，形成設計和鑒定的統一指南，編制全行業的技術標準，改進最終產品的一致性，降低成本，減小風險，以滿足飛機研制的需要。

發展研究創新的制造工藝技術

國外復合材料在飛機上的廣泛應用得益于制造設備和工藝技術的發展和成熟。因此，國內要注意規劃發展機械化、自動化制造技術（如自動鋪帶技術、自動纖維鋪放技術等），并提高生產設備的柔性，以提高復合材料構件的生產率。注意借鑒其他領域的經驗，在飛機零件制造中適當采用纏繞、拉擠等低成本的自動化制造技術，填補這一空白。

采用高效、環保的切割、成型技術

由于復合材料的大規模應用，提高其切割和成型技術就顯得越來越迫切。用傳統工藝方法切割復合材料時粉塵大、污染高，而且易燒傷端面，成型的余量需要重新去除，因此，應推廣采用自動數控高壓水切割技術，切割、成型一次完成，生產效率和質量顯著提高。

開展無損檢測技術的研究與應用

為保證產品的安全性、可靠性及交付后的可維修性，需使用無損檢測技術（超聲、射線、激光超聲等技術）對構件進行檢測，以發現復合材料結構中的分層、脫粘、氣孔、裂縫、沖擊損傷等缺陷，并給出缺陷的定性、定量判定，為工藝分析提供依據。

因此，對制造過程及維修中使用的各種無損檢測技術及設備的使用提出了更高要求，國外在這方面進行了大量研究，并開發了相關的產品，國內亦應在這方面加大研究力度。

第四篇：樹脂基復合材料

樹脂基復合材料的研究進展

摘要：

樹脂基復合材料具有良好的成型工藝性、高的比強度、高的比模量、低的密度、抗疲勞性、減震性、耐腐蝕性、良好的介電性能、較低的熱導率等特點，廣泛應用于各種武器裝備，在軍事工業中，對促進武器裝備的輕量化、小型化和高性能化起到了至關重要的作用。由于與許多材料相比具有獨特的性能，樹脂基復合材料在航空航天、汽車、電子、電器、醫藥、建材等行業得到廣泛的應用。目前，隨著復合材料工業的迅速發展，樹脂基復合材料正憑借它本身固有的輕質高強、成型方便、不易腐蝕、質感美觀等優點，越來越受到人們的青睞。關鍵字：樹脂基復合材料，材料性能，應用領域

一、前言

復合材料在國民經濟發展中占有極其重要的地位，以至于人們把一個國家和地區的復合材料工業水平看成衡量其科技與經濟實力的標志之一[1]。樹脂基復合材料是以纖維為增強劑、以樹脂為基體的復合材料，所用的纖維有碳纖維、芳綸纖維、超高模量聚乙烯纖維等，所采用的基體主要有環氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基酯樹脂等有機材料。其中熱固性樹脂是以不飽和聚脂、環氧樹脂、酚醛樹脂等為主；熱塑性樹脂是指具有線型或分枝型結構的有機高分子化合物。

樹脂基復合材料的特點：各向異性（短切纖維復合材料等顯各向同性）；不均質或結構組織質地的不連續性；呈粘彈性；纖維體積含量不同，材料的物理性能差異；影響質量因素多，材料性能多呈分散性。樹脂基復合材料的優點如下：(1)密度小，約為鋼的1／5，鋁合金的1／2，且比強度和比模量高。這類材料既可制作結構件，又可用于功能件及結構功能件。(2)抗疲勞性好：一般情況下，金屬材料的疲勞極限是其拉伸強度的20～50％，CF增強樹脂基復合材料的疲勞極限是其拉伸強度的70～80％；（3）減震性好；(4）過載安全性好；（5）具有多種功能，如：耐燒蝕性好、有良好的耐摩擦性能、高度的電絕緣性能、優良的耐腐蝕性能、有特殊的光學、電學、磁學性能等；（6）成型工藝簡單；（7）材料結構、性能具有可設計性。

以樹脂基復合材料為代表的現代復合材料隨著國民經濟的發展，已廣泛應用于各個領域。眾所周知，樹脂基復合材料首先應用于航空航天等國防工業領域[2-3]，而后向民用飛機發展。隨著社會的發展，樹脂基復合材料在人類物質生活中的需求量越來越大，并逐漸成為主要應用領域，且研究投入越來越大。樹脂基復合材料除在航空航天、國防科技領域應用外，其他行業領域的應用也十分廣泛。

二、綜述樹脂基復合材料的應用

目前常用的樹脂基復合材料有：熱固性樹脂、熱塑性樹脂，以及各種各樣改性或共混基體。熱塑性樹脂可以溶解在溶劑中，也可以在加熱時軟化和熔融變成粘性液體，冷卻后又變硬。熱固性樹脂只能一次加熱和成型，在加工過程中發生固化，形成不熔和不溶解的網狀交聯型高分子化合物，因此不能再生。隨著復合材料工業的迅速發展，樹脂基復合材料以其優越的性能和特點將應用于各個領域。以下將簡介樹脂基復合材料的應用。

2.1熱固性樹脂基復合材料的應用

復合材料的樹脂基體，目前以熱固性樹脂為主。早在40年代，在戰斗機、轟炸機上就開始采用玻璃纖維增強塑料作雷達罩。60年代美國在F-

4、F-11等軍用飛機上采用了硼纖維增強環氧樹脂作方向舵、水平安定面、機翼后緣、舵門等。在導彈制造方面，50年代后期美國中程潛地導彈“北極星A-2”第二級固體火箭發動機殼體上就采用了玻璃纖維增強環氧樹脂的纏繞制件，較鋼質殼體輕27％；后來采用高性能的玻璃纖維代替普通玻璃纖維造“北極星A-3”，使殼體重量較鋼制殼體輕50％，從而使“北極星A-3”導彈的射程由2700千米

增加到4500千米。70年代后采用芳香聚酰胺纖維代替玻璃纖維增強環氧樹脂，強度又大幅度提高，而重量減輕[4-6]。碳纖維增強環氧樹脂復合材料在飛機、導彈、衛星等結構上得到越來越廣泛的應用。

例如樹脂基復合材料在彈體上的應用[7]。彈體是用于構成導彈外形 連接和安裝彈上各部分系統且能承受各種載荷的整體結構。采用樹脂基復合材料做彈體的主要目的是為了最大限度的減輕導彈的結構質量、簡化生產工藝、降低成本。進一步提高導彈戰術性能更重要的是，采用樹脂基復合材料技術有利于整體成形有復雜形狀、光滑表面和氣動外形流暢的彈體，可以形成金屬殼體難飛航導彈，以達到的隱身性能。目前，國外巡航導彈在設計研制時，都特別重視大量采用樹脂基復合材料結構。

2.2熱塑性樹脂基復合材料的應用

近年來，由于熱塑性樹脂基復合材料具有韌性好，疲勞強度高，耐濕熱性好，預浸料可以長期存放，可以重復成形，環境污染少等優點，使其在航空航天、汽車、電器、電子、建材、醫藥等行業得到廣泛的應用。隨著PPO、PEEK、PPS、PSF等高性能熱塑性樹脂的開發得到快速發展，使得熱塑性復合材料的應用更加廣泛，其中在汽車行業中的應用最為突出[8]。當前，世界汽車材料技術發展的主要方向是輕量化和環保化。減輕汽車自重是降低汽車排放，提高燃燒效率的最有效措施之一，汽車的自重每減少10%，燃油消耗可降低6%~8%。為此，增加熱塑性復合材料在汽車中的使用量，便成為降低整車成本及其自重，增加汽車有效載荷的關鍵。

由于熱塑性樹脂基復合材料具有比強度和比剛度高，斷裂韌性、疲勞強度、耐熱、耐腐蝕等性能好，以及可重復成型等優點，在飛機上也得到一定應用[9-10]。在航空工業中，樹脂基復合材料用于制造飛機機翼、機身、鴨翼、平尾和發動機外涵道；在航天領域，樹脂基復合材料不僅是方向舵、雷達、進氣道的重要材料，而且可以制造固體火箭發動機燃燒室的絕熱殼體，也可用作發動機噴管的燒蝕防熱材料。近年來研制的新型氰酸樹脂復合材料具有耐濕性強、微波介電性能佳、尺寸穩定性好等優點，廣泛用于制作宇航結構件、飛機的主次承力結構件和雷達天線罩。美國F-22飛機熱塑性復合材料使用量大于1%，其它民用飛機上熱塑性復合材料的使用量則更多。

由于熱塑性復合材料具有獨特的優點，使其在軍事領域中也得到廣泛應用。主要有槍用材料、彈用材料、以及地面車輛、火炮、艦船等部分零部件用材料。另外，熱塑性復合材料在其它領域的應用也十分廣泛。在建筑行業，產品有管件閥門、管道、百葉窗等部件；在機械工業方面，產品有水泵葉輪、軸承、滾輪、電機風扇、發動機冷卻風扇空氣濾清器、音響零件等；在油田領域，近年來，熱塑性復合材料在油田中應用也越來越廣泛，其中用于扶正器的玻纖增強PA材料年消耗量近萬噸[11-13]。另外，樹脂基復合材料在電子、能源、生物醫學、體育運動器材、船舶制造等領域也有廣泛的應用。

三、展望

樹脂基復合材料良好的發展和應用前景決定了人們將繼續重視發展樹脂基復合材料的研究與開發。樹脂基體的發展趨勢是繼續提高耐熱和耐濕熱性，以滿足戰機導彈超聲速巡航及未來用材需求，目標是在可成型大型復雜構件的前提下，基體的濕態耐熱進一步提高。在開發高性能增強纖維，如納米材料的同時，主要通過基體增韌，繼續提高復合材料的抗沖擊韌性。

樹脂基復合材料的應用向著高性能化方向發展，旨在追求高的減重效率。重視制造技術研究、生產改造和綜合配套。開發材料設計及制備過程的計算機模擬軟件，對產品設計和成型工藝進行優化，提高產品的先進性、可靠性，并最大限度的降低成本[14]。制約復合材料擴大應用，特別是在民用領域應用的主要障礙仍是成本太高，因此降低成本是當務之急。復合材料的發展應以市場為導向，加大創新力度，加強基礎性研究和應用性研究，努力降低

原材料成本，開拓新的應用領域；要通過產學研結合，立足自主開發，同時積極引進技術和資金，在科技攻關、項目建設、裝置規模上要力求與國際接軌，以推動我國復合材料工業全面、快速、健康地發展。

隨著飛行器向高空高速無人化智能化低成本化方向發展樹脂基復合材料的地位會越來越重要。國外預計在下一代飛機上復合材料將扮演主角[15]。樹脂基復合材料對于導彈、戰機屏蔽或衰減雷達波或紅外特征，提高自身生存和空防能力，具有至關重要的作用;在實現戰機、導彈輕量化、快速反應能力、精確打擊等方面起著巨大作用，其用量已成為戰機 導彈先進性的一個重要標志。樹脂基復合材料技術不斷發展更新其應用領域不斷擴展并在能源電子汽車建筑橋梁環境和船舶等領域扮演著越發重要的角色。高性能樹脂基體及其改性是我門樹脂行業的責任和義務，應該努力做好這方面的研發和產業化。

隨著樹脂基復合材料的性能進一步提高，使用經驗進一步積累,低成本技術的發展，高效新結構的發展以及應用效能的提高，未來樹脂基復合材料的應用領域將變得更加廣泛。

四、參考文獻

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第五篇：樹脂基復合材料有關

高性能復合材料的樹脂基體的研究進展

班級：材碩114 學號：030110604 姓名：周堅

摘要：本文簡要回顧了高性能復合材料的發展歷史。其中簡要的介紹了復合材料的一個發展的歷史，從古代開始一直介紹到近代。隨后重點介紹了聚合物基復合材料。重點是對高性能樹脂基的復合材料的基體進行了介紹，主要是環氧樹脂基體、聚酰亞胺基體和雙馬來酰胺基體的復合材料進行了介紹。

關鍵詞:高性能復合材料、環氧樹脂基體、聚酰亞胺基體、雙馬來酰胺基體

1、前言

材料、能源、信息是現代科學技術的三大支柱。隨著材料科學的發展，各種性能優良的新材料不斷地的出現，并廣泛的應用到各個領域。然而，科學急速的進步是對材料的性能也提出了更高的要求，如減輕重量、提高強度、降低成本等。這些都是需要在原有傳統材料上進行改進。復合材料是現代科學技術發展涌現出的具有極大生命力的材料，它由兩種或兩種以上性質不用的材料組合而成，通過各種工藝手段組合而成。復合材料的各個組成材料在性能上期協同作用，得到單一材料所沒有的優越的綜合性能，它已成當代一種新型的工程材料[1]。

復合材料并不是人類發明的一種新材料，在自然界中，有許多天然復合材料，如竹、木、椰殼、甲殼、皮膚等。以竹為例，它是具有許多直徑不同的管狀纖維分散于基體中多形成的材料，纖維的直徑與排列密度由表皮到內層是不同的，表皮纖維的直徑小而排列緊密，以利于增加它的彎能力，但內層的纖維粗而排列疏可以改善它的韌性，所以這種復合結構很合理，打掃最優的強韌組合。

人類在6000萬年前就知道用稻草和泥巴混合壘墻，這是早期人工制備的復

合材料，這種泥土混麥秸、稻草制土坯砌墻蓋房子的方法目前在有些貧窮的農村仍然沿用著，但這種復合材料畢竟是最原始的和古老的，是傳統的復合材料。現在建筑行業已發展到用鋼絲或鋼筋強化混凝土復合材料蓋高樓大廈，用玻璃纖維增強水泥制造外墻體。新開發的聚合物混凝土材料克服了水泥混凝土所存在的脆性大、易開裂及耐腐蝕性差的缺點。5000年前，中東地區出現過用蘆葦增強瀝青造船。1942年玻璃纖維增強樹脂基復合材料的出現，使造船業前進了一大步，現在造船業采用玻璃鋼制造船體，尤其賽艇等變速艇等，不僅減輕了船艇的質量，而且可防止微生物的吸附。越王勾踐是古老金屬基復合材料的代表，它是金屬包層復合材料制品，不僅光亮鋒利，且韌性和耐腐蝕性優異。埋藏在潮濕環境中幾千年，出土時依然寒光奪目、鋒利無比。

隨著新型增強體的不斷出現和技術的不斷進步，出現了新進復合材料，先

進復合材料是比原有通用復合材料具有更高性能的復合材料，包括各種高性能增

強劑和耐高溫性好的熱固性和熱塑性樹脂基體所構成的高性能復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料、碳/碳復合材料。先進復合材料的比強度高、比模量大、熱膨脹系數小,而且它還有耐化學腐蝕、耐熱沖擊和耐燒蝕等特點,用它作為結構材料可以提高宇宙飛船、人造衛星和導彈等的有效載荷、增加航程或射程乃至改善這些裝備本身的固有技術性能。21世紀我們面臨的是復合材料迅猛發展和更廣泛應用的時代。

2、聚合物基復合材料的發展歷史

聚合物基復合材料是目前結構復合材料中發展最早、研究最多、應用最廣、規模最大的一類。現代復合材料以1942年玻璃鋼的出現為標志[2]，1946年出現玻璃纖維增強尼龍，以后相繼出現其他的玻璃鋼品種。然而，玻璃纖維的模量低，無法滿足航空、宇航等領域對材料的要求，因而，人們掙努力尋找新的模量纖維。1964年，硼纖維研制成功，其模量達400GPa，強度達3.45GPa。硼纖維增強塑料（BFRP）立即被用于軍用飛機的次承力構件，如F-14的水平穩定舵。垂尾等。但由于硼纖維價格價格昂貴、工藝性差，其應用規模受到限制，隨著碳纖維的出現和發展，硼纖維的成產和使用逐漸減少，1965年，碳纖維在美國一誕生，就顯示出強大的生命力。1966年，碳纖維的拉伸強度和模量還分別只有1100MPa和140GPa,其比強度和比模量還不如硼纖維和鈹纖維。而到1970年，碳纖維的拉伸強度和模量就分別達到2.76GPa和345GPa。從而碳纖維增強纖維得到迅速發展和廣泛的應用。碳纖維及其復合材料性能不斷提高。

1972年，美國杜邦公司又研制了高強、高模的有機纖維-聚芳酰胺纖維 [3]（Kevlar），其強度和模量分別達到3.4GPa和130GPa,使PMC的發展和應用更為迅速。美國空軍材料研究室（AFML）和國家航空航天局(NASA)的定義，以碳纖維、硼纖維、Kevlar纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維等增強的聚合物復合材料為先進復合材料，比模量大于40GPa/(g/cm3),因而，從60年代中期到80年代初，是先進復合材料的日益成熟和發展階段。作為結構材料，ACM在許多領域或得應用。同時，金屬基復合材料也在這一時期發展起來，如硼纖維、碳化硅纖維增強的鋁基、鎂基復合材料。80年代后，聚合物基復合材料的工藝、理論逐漸完善。ACM在航空航天、船舶、汽車、建筑、文體用品等各個領域都得到全面應用。同時，先進熱塑性復合材料（ACTP）以1982年英國ICI公司推出的APC-2為標志 [4]，向傳統的熱固性樹脂基復合材料提出強烈的挑戰。同時，金屬基、陶瓷基復 合材料的研究和應用也有較大發展。

3、高性能復合材料用的樹脂基體

基體樹脂的主要功能是傳遞增強材料所承受的負荷，使之分布均勻并保護增強材料免受損傷和環境中濕氣、氧氣和化學物質的侵蝕。而復合材的耐熱性、剪切和壓縮強度、橫向拉伸強度、蠕變性和流動性等也取決于基體樹脂。因此，通常希望選用耐溫性、強度和模量高、韌性和耐濕性好、與增強材料有良好的粘附性或浸潤性而又易于加工的樹脂。由于熱固性樹脂的交聯網狀結構，使它具有優異的耐溫性和機械強度，而且當它作復合材料基體時，開始時以未交聯固化的低分子量和低粘度的狀態出現，便于成型加工，因此多年來用它做高性能復合材料的基體樹脂一直占絕對優勢，代表的品種有耐熱的環氧樹脂，聚酰亞胺及雙馬來酰亞胺樹脂。3.1環氧樹脂基高性能復合材料

3.1.1、環氧樹脂的性能和基體樹脂的作用

作為高性能復合材料基體樹脂可以是熱固性的，也可以是熱塑性的，迄今為止，用量最多，應用面最廣的要算是環氧樹脂，這是因為它具備以下幾個特點：(1)在化學結構方面，除有活性環氧外，還有羥基和醚基，致使粘結力強。(2)在固化方面面，其固化收縮率小（<2%）,無揮發物逸放，孔隙率低；固化后生成三維網絡結構，不溶不熔，化學穩定性高，耐蝕性強

(3)在力學性能方面，環氧樹脂有較高的強度和模量，并有較長的伸長。這些優異性能是制取高性能復合材料的前提之一。

(4)在物性方面，它那熱耐冷，可用在-50—180℃之間；熱膨脹率系數在Tg以下是為39×10-6/℃，以上時為100×10-6/℃；熱導率約為500×10-6Kal/cm·s·℃；在室溫下的防潮防滲性好，絕緣性高。

(5)工藝性好，適應性強。環氧樹脂不僅本身品種多，可以按比例相互摻混以調節其粘度和性能，而且可以在數十種固化劑中選擇組合，以滿足不同操作工序和不同用途的要求。同時，還可以選配稀釋劑、改性劑和增韌劑等。此外，其貯存時間長，穩定性高，適應性強。

基體樹脂的作用：

（1）賦予高性能復合材料的成型性和整體性

（2）提供連續的基體相，以使增強纖維均勻分布期中。換言之，基體必須把增

強纖維均勻地分開成為分散相，以使其在受到反抗性或彎曲等外來作用是，不會失去增強作用。

（3）當復合材料承受抗拉負荷時，基體能使其均勻地分布，并通過界面剪切有 效地載荷傳遞給增強纖維，充分發揮高強度和高模量的特性。3.1.2、環氧樹脂的種類

（1）標準環氧樹脂 雙酚A型環氧樹脂亦稱標準環氧樹脂，屬于DGEBA，它

是通用的樹脂[5]。國外的牌號很多。其特點是分子量低，粘度低。主要缺點是耐性差。（2）環氧酚醛樹脂 其特點是活性環氧基在兩個以上，交聯密度大，耐熱性比

較高，例如Dow公司的DEN-438，汽巴的EPN1138和ECN1299；國內主要有F-46。后者是目前用于FRP的主要基體樹脂，主要缺點是由一定的脆性。

（3）酯環環氧樹脂 美國UCC公司開發了多種牌號的這類樹脂，它具有很好的 綜合和平衡的力學性能，并且有優良的加工型、耐候性。

（4）多官能度環氧樹脂 這種類型樹脂的環氧基在3個以上，環氧當量高，交 聯密度大，耐熱性得到顯著提高，主要缺點是具有一定的脆性，仍需要改性研究。3.1.3、高性能復合材料用環氧樹脂基體的發展。

FRP的成型方法很多，主要有疊層加壓、拉擠和纏繞等。為適應各種成型方 法工藝條件的要求，相應地開發各種專用型環氧樹脂，有使用價值

（1）拉擠成型法 用于拉擠成型的基體樹脂不僅要求粘度低，而且希望固

化快。一般環氧樹脂，需膠化、玻璃化和最后固化為三維網絡結構。因此，需發展快速固化環氧樹脂。殼牌公司發展了兩種適用于拉擠成型的環氧樹脂體系，Epon9102/Epon固化劑CA9150和9302/CA9350。9102和9302都屬于雙酚A/環氧氯丙烷系環氧樹脂，而固化劑CA9350為液態雜環胺。這兩種新型環氧環氧樹脂體系既保留了環氧樹脂的耐熱性和化學性，又具有類似聚酯的快速膠化速，滿足課拉擠工藝條件的要求。（2）纏繞成型 纏繞成型對所用樹脂體系有三點要求：①粘度低；②成型

時固化溫度低；③貯存時間長，特別是對纏繞大型構件。一般環氧樹脂的粘度較高，需加入反應性的稀釋劑來調節，固化劑也需加入低粘度的酸酐，但是，加入稀釋劑會導致耐熱性下降，加入酸酐又會增加吸濕性，致使性能下降。

（3）無維布 無維布市重要的中間產品，各大碳纖維生產廠都有產品銷售。為了制取高性能無維布，各公司發展了許多專用環氧樹脂。由于商業保密，詳情較少透露只有商品牌號和零散資料報道。

3.2、聚酰亞胺基高性能復合材料 3.2.1、聚酰亞胺的發展歷史 六十年代以來,杜邦公司在開發PI方面對了大量工作[6]。1962年開發了成型材料Vespel；1965年有耐熱薄膜Kapton；1968年湯普森拉英伍爾德里奇公司采用加成法制成聚酰亞胺P13N；1972年開發了NB-150；1973年法國的

Rhone-Ponlene公司開發了雙馬來酐亞胺系的PI；1975年第二代NB-150B2問世，迄今為止，Kapton薄膜在耐熱薄膜方面仍多占鰲頭，而NB-150和NB-150B2則是高性能復合材料的基體材料。對于聚酰亞胺，在開發的過程中主要圍繞其成型上做了大量工作。影響成型主要的三個因素：①極為有害的縮合水；②使用高沸點溶劑；③預聚物的熔點高。加成固化A型的開發，克服了確定①；現場聚合型PMR的研制成功，克服了缺點②；熱熔型LARC-160的問世，克服了缺點③。這就是使PI出具實用化的條件。3.2.2、用作高性能復合材料基體的聚酰亞胺

1976年，在NASA制定的“高性能空間運輸系統復合材料”的研究大綱里，要開發耐熱316℃的高性能復合材料。經過蘭利和合同單位的共同努力，從14種PI中評選出4中作為高性能復合材料的基體，即NB-150B2、PMR-

15、LARC-160和Thermid6000；從5中PI粘結劑中篩選出3種，即FM-

34、LARC-

13、和RTV560-SQX；從5中碳纖維中篩選出2種，即Celion和AS4(HTS)[7]。（1）NB-150B2 NB-150B2杜邦生產的熱塑性PI。NB-150B2用的是苯胺混合

物，其剛性比NB-150A2所有的二胺基二苯醚強，因此NB-150B2的Tg(350-371℃)比NB-150A2（280-300℃）高。如果采用其他胺類，Tg可調節在229-365℃之間。因為苯環之間引入—O—、—S—、—CH2—等，使主鏈的柔性增加，剛性下降，致使Tg降低。換言之，在PI的主鏈中，六元苯環和五元亞胺雜環都是熱穩定性高的剛性環，Tg主要受芳族二胺結構的影響。這是分子設計的依據。

（2）PMR-15 劉易斯研究中心研制出得PMR-15都屬于現場聚合的A型PI。

所謂現場聚合成型是指三元體系的脂肪醇溶液，在室溫下不反應，在加熱條件下才形成低聚物，最后在高溫高壓條件下加成固化為交聯結構。

（3）LARC-160 LARC-160是蘭利研究中心開發的熱熔型PI。它是PMR-15 的改進型，主要區別采用了多價液狀胺的低聚物。其特點是在室溫下為單體溶液，浸漬性好，成型性能得到顯著改善。它的強度為10Kg/mm2,模量為3.5×102Kg/mm2,比重約為1.40g/cm2。

（4）Thermid6000 Thermid6000的端基是具有三鍵的乙炔基，在加成固化中

進行三聚環化，形成環狀結構，使其具有優異的耐熱性。它的分子量小于2000。當加熱到220℃時，因固化而放熱，最終熱處理溫度是371℃，使用溫度為350℃。在固化成型過程中沒有揮發物釋放，制品空隙率低，質量高。主要缺點是成型性欠佳和價高。3.2.3、聚酰亞胺及其復合材料的應用 各種航天航空飛行器和導彈武器，由于飛行條件的不同。飛行時間有很大的差異。GrF/PI準備用于軌道飛行器的垂直尾翼，升降副翼和后機身襟翼等。這主要時利用它的耐熱性和減重效果。例如，大型試驗件后機身襟翼的尺寸為6.4×2.1cm，其總重量比鋁合金件輕160Kg，減重27%[8]。此外，它還用于：

①高性能軍用飛機YF-12，飛行速度在3馬赫以上。NASA的蘭利研究中心用HTSI/ PMR-15制成了該飛機的翼板，比鈦合金件減重51%。凱芙拉纖維增強聚酰亞胺復合材料的耐高溫性能也比較好，可用來制造DC-9型運輸機的整流罩，可降低機身阻力和節省燃油。

②航空導彈的彈頭也采用了GrF/PI復合材料。

③GrF/PI可用來制造衛星的結構件，減重17-30%。如制造耐激光和耐高溫的結構件。3.3雙馬來酰亞胺基復合材料 3.3.1雙馬來酰胺基復合材料的發展

高性能復合材料廣泛的使用環氧樹脂作為基體，主要是因為其成型工藝好。環氧樹脂存在的主要缺點是耐濕熱性差，如廣泛使用的5208環氧體系在干態下可耐到177℃。而濕態只能耐到121℃；其次是用作主受力結構件還略顯脆性，5208環氧基體的斷裂延伸率為1.7%，但目前一出現斷裂延伸率大于2%的碳纖維，人們對于雙馬來酰胺的興趣在于[9]，經過改性的雙馬來酰胺基體的耐濕熱性與韌性均優于5208體系，同時具有類似環氧樹脂的良好加工性能，能滿足熱壓罐成型。

馬來均聚物本身脆性大，用來制備復合材料的工藝性差。需使用高沸點的極性溶劑，制備的預浸料僵硬，無結性，鋪覆性不好，成型溫度高。因此，今年來圍繞著提高韌性以及工藝性能對雙馬樹脂進行改性研究。

人們早就在40年代就合成出雙馬樹脂基體，到了70年代，為了解決環氧樹脂的耐濕熱性差的問題，才開始將雙馬樹脂用作高性能復合材料基體，目前已商品化的雙馬樹脂預浸料牌號有10余鐘，作為高性能復合材料的基體，國內一些單位也有研究，為了進一步推動雙馬樹脂的發展與應用，特別對高性能復合材料用雙馬基體進行總結[10]。3.3.2雙馬來酰胺樹脂的改性 內擴鏈法增韌

雙馬來酰胺樹脂未改性的BMI因2端的馬來酰亞胺(MI)間鏈節短,導致分子鏈剛性大,固化物交聯密度高。為使固化物具有柔韌性,人們設法將MI間的2R2鏈延長,并增大鏈的自旋性和柔韌性, 減少單位體積中反應基團的數目,降低交聯密度, 從而達到改性目的。朱玉瓏等研究發現,醚鍵的引入有望改善下一步所制備耐高溫絕緣材料的沖擊韌性。Jiang Bi biao等[11]研制了較普通BMI固化溫度低的含氨酯基團的新型雙馬來酰亞胺低聚體,用其增韌后的BMI樹脂溶解性和貯存穩定性良好, 玻璃布復合材料具有良好的力學性能和耐腐蝕性能。Haoyu Tang[12]等制備了含1,3,42氧二氮唑的耐高溫BMI, 樹脂的玻璃化溫度高(Tg>350e),熱穩定性良好, 在空氣中初始分解溫度大于460e,其玻璃布復合材料在高溫(400e)下仍具有較高的彎曲模量(>1.6GPa)。橡膠共混增韌改性

在BMI樹脂中添加少量帶活性端基的橡膠有利于大大提高體系的抗沖擊性能。目前普遍接受的增韌機理是銀紋剪切帶理論。即橡膠顆粒充作應力集中中心從而誘發了大量的銀紋和剪切帶,這一過程要消耗大量能量,因而能顯著提高材料的沖擊強度,達到增韌目的。用液體橡膠增韌BMI樹脂可以使BMI韌性大幅度提高,目前應用較多的是端羧基丁腈橡膠。此方法同時也會降低耐熱性,因此這類橡膠增韌的BMI樹脂多用作韌性塑料和膠粘劑基體,用作先進復合材料基體的則很少, 且其價格較貴, 應盡可能地降低成本以利推廣。胺類擴鏈增韌改性

BMI分子結構的C=C雙鍵由于受到2個鄰位羰基的吸電子作用而成為貧電子鍵,即一個親電子的共軛體系,易與氨基等親核基團發生Michael加成反應,芳香族二胺改性的BMI體系具有良好的耐熱性和力學性能,但仍然存在工藝性欠佳、韌性不足、粘接性差等問題。為此在體系中引入環氧樹脂,使其與芳香族二胺改性的BMI體系反應,形成交聯網絡結構,環氧樹脂還能克服由仲胺基(-NH-)引起的熱穩定性降低的缺點。王洪波等[13]通過BMI與二元胺、環氧樹脂反應制備了改性BMI。研究表明,二元胺增韌后的BMI和環氧樹脂能交聯固化, 并且固化溫度越高, 固化程度越完全,交聯密度越大；改性BMI的熱分解溫度降低,柔韌性增加,有利于BMI在電器絕緣材料和膠粘劑等領域的應用。高性能熱塑性樹脂增韌改性

利用某些高性能熱塑性樹脂耐熱性較好的特點, 可在一定程度上克服用橡膠增韌BMI后耐熱性降低較多的缺點,因此通過與熱塑性樹脂共混增韌BMI的研究受到了重視。其改性途徑主要有兩種形式。

一種是熱塑性樹脂作為第二相增韌。該樹脂的剛性與基體樹脂接近,有較強的韌性和較高的斷裂伸長率,當第二相的體積分數適當,就可以發生裂紋釘錨增韌作用,即在材料受力的情況下,第二相可誘發基體樹脂產生銀紋,同時由于本身的熱塑性形變能有效地抑制裂紋擴展, 吸收較多能量, 起到增韌作用。另一種是用熱塑性樹脂連續貫穿于BMI樹脂網絡,形成半互穿網絡聚合物(S-IPN),進行增韌改性。體系中的熱塑性樹脂與BMI相互貫穿,兩相之間分散性良好,相界面大,能夠很好地發揮協同效應。因此樹脂兼備BMI的工藝性和熱塑性樹脂的韌性 3.3.3雙馬來酰胺基體的發展趨勢 BMI增韌改性朝著保持熱性能不變而使韌性提高的方向發展，這些增韌改性方法并非孤立，在實際應用中應根據目的和用途同時應用幾種方法增韌改性。我國在這方面的研究與國外相比差距還是比較大。應進一步加強基礎理論研究，開拓新的改性方法[14]。今后我國對BMI的開發，應從一下幾個方面進行：①采用先進的增韌技術，對BMI進行改性，如原位增韌技術，通過化學反應過程控制分子交聯狀態下的不均勻性，以形成有利于塑性變形的非均勻性，從而得到增韌BMI；②加強新型增韌劑研究，尤其是開發耐熱強韌型熱塑性樹脂；③進一步深入研究BMI的改性化學，改善其工藝性。開發適用于RTM的粘度低、固化時間短的BMI極其無溶劑熱熔型BMI，以實現復合材料制品的工業化生產；④加強實用性BMI單體研究，有選擇地合成和生產多種BMI。保持較大規模的高新技術用新材料產業。

4、結語

先進復合材料由于具有一系列優異的性能特點,已成為當今高性能結構材料的一個重要發展趨勢,隨著高技術的進步，先進復合材料正發揮著日益重要的作用。其中由環氧樹脂為基體的高性能復合材料由于其成型性好，所以應用的很廣泛，但是由于其的耐濕熱性上面的缺陷，所以受到一定的限制，同時聚亞酰胺為基體的復合材料具有非常優異的耐高溫性，從而在航空航天領域具有及其廣泛的應用。雙馬來酰胺由于其的脆性，可以通過改性來改善這一問題。21世紀是復合材料的世紀，在不久的將來，復合材料肯定會應用到我們生活的各個方面。同時，在我們生活中發揮出來的的作用也會越來越大。