树脂基复合材料

树脂基复合材料的研究进展摘要：树脂基复合材料具有良好的成型工艺性、高的比强度、高的比模量、低的密度、抗疲劳性、减震性、耐腐蚀性、良好的介电性能、较低的热导率等特点，广泛应用于各种武器装备，在军事工业中，对促进武器装备的轻量化、小型化和高性能化起到了至关重要的作用。由于与许多材料相比具有独特的性能，树脂基复合材料在航空航天、汽车、电子、电器、医药、建材等行业得到广泛的应用。目前，随着复合材料工业的迅速发展，树脂基复合材料正凭借它本身固有的轻质高强、成型方便、不易腐蚀、质感美观等优点，越来越受到人们的青睐。关键字：树脂基复合材料，材料性能，应用领域一、前言复合材料在国民经济发展中占有极其重要的地位，以至于人们把一个国家和地区的复合材料工业水平看成衡量其科技与经济实力的标志之一[1]。树脂基复合材料是以纤维为增强剂、以树脂为基体的复合材料，所用的纤维有碳纤维、芳纶纤维、超高模量聚乙烯纤维等，所采用的基体主要有环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂等有机材料。其中热固性树脂是以不饱和聚脂、环氧树脂、酚醛树脂等为主；热塑性树脂是指具有线型或分枝型结构的有机高分子化合物。树脂基复合材料的特点：各向异性（短切纤维复合材料等显各向同性）；不均质或结构组织质地的不连续性；呈粘弹性；纤维体积含量不同，材料的物理性能差异；影响质量因素多，材料性能多呈分散性。树脂基复合材料的优点如下：(1)密度小，约为钢的1／5，铝合金的1／2，且比强度和比模量高。这类材料既可制作结构件，又可用于功能件及结构功能件。(2)抗疲劳性好：一般情况下，金属材料的疲劳极限是其拉伸强度的20～50％，CF增强树脂基复合材料的疲劳极限是其拉伸强度的70～80％；（3）减震性好；(4）过载安全性好；（5）具有多种功能，如：耐烧蚀性好、有良好的耐摩擦性能、高度的电绝缘性能、优良的耐腐蚀性能、有特殊的光学、电学、磁学性能等；（6）成型工艺简单；（7）材料结构、性能具有可设计性。以树脂基复合材料为代表的现代复合材料随着国民经济的发展，已广泛应用于各个领域。众所周知，树脂基复合材料首先应用于航空航天等国防工业领域[2-3]，而后向民用飞机发展。随着社会的发展，树脂基复合材料在人类物质生活中的需求量越来越大，并逐渐成为主要应用领域，且研究投入越来越大。树脂基复合材料除在航空航天、国防科技领域应用外，其他行业领域的应用也十分广泛。二、综述树脂基复合材料的应用目前常用的树脂基复合材料有：热固性树脂、热塑性树脂，以及各种各样改性或共混基体。热塑性树脂可以溶解在溶剂中，也可以在加热时软化和熔融变成粘性液体，冷却后又变硬。热固性树脂只能一次加热和成型，在加工过程中发生固化，形成不熔和不溶解的网状交联型高分子化合物，因此不能再生。随着复合材料工业的迅速发展，树脂基复合材料以其优越的性能和特点将应用于各个领域。以下将简介树脂基复合材料的应用。2.1热固性树脂基复合材料的应用复合材料的树脂基体，目前以热固性树脂为主。早在40年代，在战斗机、轰炸机上就开始采用玻璃纤维增强塑料作雷达罩。60年代美国在F-4、F-11等军用飞机上采用了硼纤维增强环氧树脂作方向舵、水平安定面、机翼后缘、舵门等。在导弹制造方面，50年代后期美国中程潜地导弹“北极星A-2”第二级固体火箭发动机壳体上就采用了玻璃纤维增强环氧树脂的缠绕制件，较钢质壳体轻27％；后来采用高性能的玻璃纤维代替普通玻璃纤维造“北极星A-3”，使壳体重量较钢制壳体轻50％，从而使“北极星A-3”导弹的射程由2700千米增加到4500千米。70年代后采用芳香聚酰胺纤维代替玻璃纤维增强环氧树脂，强度又大幅度提高，而重量减轻[4-6]。碳纤维增强环氧树脂复合材料在飞机、导弹、卫星等结构上得到越来越广泛的应用。例如树脂基复合材料在弹体上的应用[7]。弹体是用于构成导弹外形连接和安装弹上各部分系统且能承受各种载荷的整体结构。采用树脂基复合材料做弹体的主要目的是为了最大限度的减轻导弹的结构质量、简化生产工艺、降低成本。进一步提高导弹战术性能更重要的是，采用树脂基复合材料技术有利于整体成形有复杂形状、光滑表面和气动外形流畅的弹体，可以形成金属壳体难飞航导弹，以达到的隐身性能。目前，国外巡航导弹在设计研制时，都特别重视大量采用树脂基复合材料结构。2.2热塑性树脂基复合材料的应用近年来，由于热塑性树脂基复合材料具有韧性好，疲劳强度高，耐湿热性好，预浸料可以长期存放，可以重复成形，环境污染少等优点，使其在航空航天、汽车、电器、电子、建材、医药等行业得到广泛的应用。随着PPO、PEEK、PPS、PSF等高性能热塑性树脂的开发得到快速发展，使得热塑性复合材料的应用更加广泛，其中在汽车行业中的应用最为突出[8]。当前，世界汽车材料技术发展的主要方向是轻量化和环保化。减轻汽车自重是降低汽车排放，提高燃烧效率的最有效措施之一，汽车的自重每减少10%，燃油消耗可降低6%~8%。为此，增加热塑性复合材料在汽车中的使用量，便成为降低整车成本及其自重，增加汽车有效载荷的关键。由于热塑性树脂基复合材料具有比强度和比刚度高，断裂韧性、疲劳强度、耐热、耐腐蚀等性能好，以及可重复成型等优点，在飞机上也得到一定应用[9-10]。在航空工业中，树脂基复合材料用于制造飞机机翼、机身、鸭翼、平尾和发动机外涵道；在航天领域，树脂基复合材料不仅是方向舵、雷达、进气道的重要材料，而且可以制造固体火箭发动机燃烧室的绝热壳体，也可用作发动机喷管的烧蚀防热材料。近年来研制的新型氰酸树脂复合材料具有耐湿性强、微波介电性能佳、尺寸稳定性好等优点，广泛用于制作宇航结构件、飞机的主次承力结构件和雷达天线罩。美国F-22飞机热塑性复合材料使用量大于1%，其它民用飞机上热塑性复合材料的使用量则更多。由于热塑性复合材料具有独特的优点，使其在军事领域中也得到广泛应用。主要有枪用材料、弹用材料、以及地面车辆、火炮、舰船等部分零部件用材料。另外，热塑性复合材料在其它领域的应用也十分广泛。在建筑行业，产品有管件阀门、管道、百叶窗等部件；在机械工业方面，产品有水泵叶轮、轴承、滚轮、电机风扇、发动机冷却风扇空气滤清器、音响零件等；在油田领域，近年来，热塑性复合材料在油田中应用也越来越广泛，其中用于扶正器的玻纤增强PA材料年消耗量近万吨[11-13]。另外，树脂基复合材料在电子、能源、生物医学、体育运动器材、船舶制造等领域也有广泛的应用。三、展望树脂基复合材料良好的发展和应用前景决定了人们将继续重视发展树脂基复合材料的研究与开发。树脂基体的发展趋势是继续提高耐热和耐湿热性，以满足战机导弹超声速巡航及未来用材需求，目标是在可成型大型复杂构件的前提下，基体的湿态耐热进一步提高。在开发高性能增强纤维，如纳米材料的同时，主要通过基体增韧，继续提高复合材料的抗冲击韧性。树脂基复合材料的应用向着高性能化方向发展，旨在追求高的减重效率。重视制造技术研究、生产改造和综合配套。开发材料设计及制备过程的计算机模拟软件，对产品设计和成型工艺进行优化，提高产品的先进性、可靠性，并最大限度的降低成本[14]。制约复合材料扩大应用，特别是在民用领域应用的主要障碍仍是成本太高，因此降低成本是当务之急。复合材料的发展应以市场为导向，加大创新力度，加强基础性研究和应用性研究，努力降低原材料成本，开拓新的应用领域；要通过产学研结合，立足自主开发，同时积极引进技术和资金，在科技攻关、项目建设、装置规模上要力求与国际接轨，以推动我国复合材料工业全面、快速、健康地发展。随着飞行器向高空高速无人化智能化低成本化方向发展树脂基复合材料的地位会越来越重要。国外预计在下一代飞机上复合材料将扮演主角[15]。树脂基复合材料对于导弹、战机屏蔽或衰减雷达波或红外特征，提高自身生存和空防能力，具有至关重要的作用;在实现战机、导弹轻量化、快速反应能力、精确打击等方面起着巨大作用，其用量已成为战机导弹先进性的一个重要标志。树脂基复合材料技术不断发展更新其应用领域不断扩展并在能源电子汽车建筑桥梁环境和船舶等领域扮演着越发重要的角色。高性能树脂基体及其改性是我门树脂行业的责任和义务，应该努力做好这方面的研发和产业化。随着树脂基复合材料的性能进一步提高，使用经验进一步积累,低成本技术的发展，高效新结构的发展以及应用效能的提高，未来树脂基复合材料的应用领域将变得更加广泛。四、参考文献1苏航,郑水蓉,孙曼灵,陈晓明等.纤维增强环氧树脂基复合材料的研究进展[J].热固性树脂,2011,04:54-57.2吴良义,罗兰,温晓蒙等.热固性树脂基体复合材料的应用及其工业进展[J].热固性树脂,2008,23(z1):22-31.3沈军,谢怀勤.先进复合材料在航空航天领域的研发与应用[J].材料科学与工艺,2008,16(5):737-740.4肖德凯,张晓云,孙安垣.热塑性复合材料研究进展[J].山东化工,2007,02:15-215陶永亮,徐翔青.树脂基复合材料在汽车上的应用分析[J].化学推进剂与高分子材料,2012,04:36-40.6陈平,于祺,孙明,陆春.高性能热塑性树脂基复合材料的研究进展[J].纤维复合材料,2005,02:52-57.7黄晓艳,刘波.先进树脂基复合材料在巡航导弹与战机上的应用[J].飞航导弹,2011,08:87-92.8马翠英,黄晖,王福生.树脂基复合材料及其在汽车工业中的应用[J].汽车工艺与材料,2005,11:40-42.9陈祥宝,张宝艳,邢丽英.先进树脂基复合材料技术发展及应用现状[J].中国材料进展,2009,06:2-12.10陈祥宝.先进树脂基复合材料的发展和应用[J].航空材料学报,2003,S1:198-204.11张文毓.先进树脂基复合材料研究进展[J].新材料产业,2010,01:50-53.12陈祥宝,张宝艳,邢丽英.先进树脂基复合材料技术发展及应用现状[J].中国材料进展,2009,06:2-12.13BrouwerWD，vanHerptECFC，LabordusA．Vacuuminjectionmouldingforlargestructuralap-plications．CompositesPartA-Ap-pliedScienceandManufacturing，2003，34(6):551-55814李明明,王晓洁,刘新东.树脂基复合材料耐海水性能研究进展[J].玻璃钢/复合材料,2011,02:60-64.15吴良义.先进复合材料的应用扩展:航空、航天和民用航空先进复合材料应用技术和市场预测[J].化工新型材料,2012,01:4-9+91.16王兴刚,于洋,李树茂,王明寅.先进热塑性树脂基复合材料在航天航空上的应用[J].纤维复合材料,2011,02:44-47.17寇哲君龙国荣万建平姚学锋方岱宁.热固性树脂基复合材料固化变形研究进展[J].宇航材料工艺，2006(z1)：7-11.