树脂基复合材料有关_树脂基复合材

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高性能复合材料的树脂基体的研究进展

班级：材硕114 学号：030110604 姓名：周坚

摘要：本文简要回顾了高性能复合材料的发展历史。其中简要的介绍了复合材料的一个发展的历史，从古代开始一直介绍到近代。随后重点介绍了聚合物基复合材料。重点是对高性能树脂基的复合材料的基体进行了介绍，主要是环氧树脂基体、聚酰亚胺基体和双马来酰胺基体的复合材料进行了介绍。

关键词:高性能复合材料、环氧树脂基体、聚酰亚胺基体、双马来酰胺基体

1、前言

材料、能源、信息是现代科学技术的三大支柱。随着材料科学的发展，各种性能优良的新材料不断地的出现，并广泛的应用到各个领域。然而，科学急速的进步是对材料的性能也提出了更高的要求，如减轻重量、提高强度、降低成本等。这些都是需要在原有传统材料上进行改进。复合材料是现代科学技术发展涌现出的具有极大生命力的材料，它由两种或两种以上性质不用的材料组合而成，通过各种工艺手段组合而成。复合材料的各个组成材料在性能上期协同作用，得到单一材料所没有的优越的综合性能，它已成当代一种新型的工程材料[1]。

复合材料并不是人类发明的一种新材料，在自然界中，有许多天然复合材料，如竹、木、椰壳、甲壳、皮肤等。以竹为例，它是具有许多直径不同的管状纤维分散于基体中多形成的材料，纤维的直径与排列密度由表皮到内层是不同的，表皮纤维的直径小而排列紧密，以利于增加它的弯能力，但内层的纤维粗而排列疏可以改善它的韧性，所以这种复合结构很合理，打扫最优的强韧组合。

人类在6000万年前就知道用稻草和泥巴混合垒墙，这是早期人工制备的复

合材料，这种泥土混麦秸、稻草制土坯砌墙盖房子的方法目前在有些贫穷的农村仍然沿用着，但这种复合材料毕竟是最原始的和古老的，是传统的复合材料。现在建筑行业已发展到用钢丝或钢筋强化混凝土复合材料盖高楼大厦，用玻璃纤维增强水泥制造外墙体。新开发的聚合物混凝土材料克服了水泥混凝土所存在的脆性大、易开裂及耐腐蚀性差的缺点。5000年前，中东地区出现过用芦苇增强沥青造船。1942年玻璃纤维增强树脂基复合材料的出现，使造船业前进了一大步，现在造船业采用玻璃钢制造船体，尤其赛艇等变速艇等，不仅减轻了船艇的质量，而且可防止微生物的吸附。越王勾践是古老金属基复合材料的代表，它是金属包层复合材料制品，不仅光亮锋利，且韧性和耐腐蚀性优异。埋藏在潮湿环境中几千年，出土时依然寒光夺目、锋利无比。

随着新型增强体的不断出现和技术的不断进步，出现了新进复合材料，先

进复合材料是比原有通用复合材料具有更高性能的复合材料，包括各种高性能增

强剂和耐高温性好的热固性和热塑性树脂基体所构成的高性能复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料。先进复合材料的比强度高、比模量大、热膨胀系数小,而且它还有耐化学腐蚀、耐热冲击和耐烧蚀等特点,用它作为结构材料可以提高宇宙飞船、人造卫星和导弹等的有效载荷、增加航程或射程乃至改善这些装备本身的固有技术性能。21世纪我们面临的是复合材料迅猛发展和更广泛应用的时代。

2、聚合物基复合材料的发展历史

聚合物基复合材料是目前结构复合材料中发展最早、研究最多、应用最广、规模最大的一类。现代复合材料以1942年玻璃钢的出现为标志[2]，1946年出现玻璃纤维增强尼龙，以后相继出现其他的玻璃钢品种。然而，玻璃纤维的模量低，无法满足航空、宇航等领域对材料的要求，因而，人们挣努力寻找新的模量纤维。1964年，硼纤维研制成功，其模量达400GPa，强度达3.45GPa。硼纤维增强塑料（BFRP）立即被用于军用飞机的次承力构件，如F-14的水平稳定舵。垂尾等。但由于硼纤维价格价格昂贵、工艺性差，其应用规模受到限制，随着碳纤维的出现和发展，硼纤维的成产和使用逐渐减少，1965年，碳纤维在美国一诞生，就显示出强大的生命力。1966年，碳纤维的拉伸强度和模量还分别只有1100MPa和140GPa,其比强度和比模量还不如硼纤维和铍纤维。而到1970年，碳纤维的拉伸强度和模量就分别达到2.76GPa和345GPa。从而碳纤维增强纤维得到迅速发展和广泛的应用。碳纤维及其复合材料性能不断提高。

1972年，美国杜邦公司又研制了高强、高模的有机纤维-聚芳酰胺纤维 [3]（Kevlar），其强度和模量分别达到3.4GPa和130GPa,使PMC的发展和应用更为迅速。美国空军材料研究室（AFML）和国家航空航天局(NASA)的定义，以碳纤维、硼纤维、Kevlar纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维等增强的聚合物复合材料为先进复合材料，比模量大于40GPa/(g/cm3),因而，从60年代中期到80年代初，是先进复合材料的日益成熟和发展阶段。作为结构材料，ACM在许多领域或得应用。同时，金属基复合材料也在这一时期发展起来，如硼纤维、碳化硅纤维增强的铝基、镁基复合材料。80年代后，聚合物基复合材料的工艺、理论逐渐完善。ACM在航空航天、船舶、汽车、建筑、文体用品等各个领域都得到全面应用。同时，先进热塑性复合材料（ACTP）以1982年英国ICI公司推出的APC-2为标志 [4]，向传统的热固性树脂基复合材料提出强烈的挑战。同时，金属基、陶瓷基复 合材料的研究和应用也有较大发展。

3、高性能复合材料用的树脂基体

基体树脂的主要功能是传递增强材料所承受的负荷，使之分布均匀并保护增强材料免受损伤和环境中湿气、氧气和化学物质的侵蚀。而复合材的耐热性、剪切和压缩强度、横向拉伸强度、蠕变性和流动性等也取决于基体树脂。因此，通常希望选用耐温性、强度和模量高、韧性和耐湿性好、与增强材料有良好的粘附性或浸润性而又易于加工的树脂。由于热固性树脂的交联网状结构，使它具有优异的耐温性和机械强度，而且当它作复合材料基体时，开始时以未交联固化的低分子量和低粘度的状态出现，便于成型加工，因此多年来用它做高性能复合材料的基体树脂一直占绝对优势，代表的品种有耐热的环氧树脂，聚酰亚胺及双马来酰亚胺树脂。3.1环氧树脂基高性能复合材料

3.1.1、环氧树脂的性能和基体树脂的作用

作为高性能复合材料基体树脂可以是热固性的，也可以是热塑性的，迄今为止，用量最多，应用面最广的要算是环氧树脂，这是因为它具备以下几个特点：(1)在化学结构方面，除有活性环氧外，还有羟基和醚基，致使粘结力强。(2)在固化方面面，其固化收缩率小（

(3)在力学性能方面，环氧树脂有较高的强度和模量，并有较长的伸长。这些优异性能是制取高性能复合材料的前提之一。

(4)在物性方面，它那热耐冷，可用在-50—180℃之间；热膨胀率系数在Tg以下是为39×10-6/℃，以上时为100×10-6/℃；热导率约为500×10-6Kal/cm·s·℃；在室温下的防潮防渗性好，绝缘性高。

(5)工艺性好，适应性强。环氧树脂不仅本身品种多，可以按比例相互掺混以调节其粘度和性能，而且可以在数十种固化剂中选择组合，以满足不同操作工序和不同用途的要求。同时，还可以选配稀释剂、改性剂和增韧剂等。此外，其贮存时间长，稳定性高，适应性强。

基体树脂的作用：

（1）赋予高性能复合材料的成型性和整体性

（2）提供连续的基体相，以使增强纤维均匀分布期中。换言之，基体必须把增

强纤维均匀地分开成为分散相，以使其在受到反抗性或弯曲等外来作用是，不会失去增强作用。

（3）当复合材料承受抗拉负荷时，基体能使其均匀地分布，并通过界面剪切有 效地载荷传递给增强纤维，充分发挥高强度和高模量的特性。3.1.2、环氧树脂的种类

（1）标准环氧树脂 双酚A型环氧树脂亦称标准环氧树脂，属于DGEBA，它

是通用的树脂[5]。国外的牌号很多。其特点是分子量低，粘度低。主要缺点是耐性差。（2）环氧酚醛树脂 其特点是活性环氧基在两个以上，交联密度大，耐热性比

较高，例如Dow公司的DEN-438，汽巴的EPN1138和ECN1299；国内主要有F-46。后者是目前用于FRP的主要基体树脂，主要缺点是由一定的脆性。

（3）酯环环氧树脂 美国UCC公司开发了多种牌号的这类树脂，它具有很好的 综合和平衡的力学性能，并且有优良的加工型、耐候性。

（4）多官能度环氧树脂 这种类型树脂的环氧基在3个以上，环氧当量高，交 联密度大，耐热性得到显著提高，主要缺点是具有一定的脆性，仍需要改性研究。3.1.3、高性能复合材料用环氧树脂基体的发展。

FRP的成型方法很多，主要有叠层加压、拉挤和缠绕等。为适应各种成型方 法工艺条件的要求，相应地开发各种专用型环氧树脂，有使用价值

（1）拉挤成型法 用于拉挤成型的基体树脂不仅要求粘度低，而且希望固

化快。一般环氧树脂，需胶化、玻璃化和最后固化为三维网络结构。因此，需发展快速固化环氧树脂。壳牌公司发展了两种适用于拉挤成型的环氧树脂体系，Epon9102/Epon固化剂CA9150和9302/CA9350。9102和9302都属于双酚A/环氧氯丙烷系环氧树脂，而固化剂CA9350为液态杂环胺。这两种新型环氧环氧树脂体系既保留了环氧树脂的耐热性和化学性，又具有类似聚酯的快速胶化速，满足课拉挤工艺条件的要求。（2）缠绕成型 缠绕成型对所用树脂体系有三点要求：①粘度低；②成型

时固化温度低；③贮存时间长，特别是对缠绕大型构件。一般环氧树脂的粘度较高，需加入反应性的稀释剂来调节，固化剂也需加入低粘度的酸酐，但是，加入稀释剂会导致耐热性下降，加入酸酐又会增加吸湿性，致使性能下降。

（3）无维布 无维布市重要的中间产品，各大碳纤维生产厂都有产品销售。为了制取高性能无维布，各公司发展了许多专用环氧树脂。由于商业保密，详情较少透露只有商品牌号和零散资料报道。

3.2、聚酰亚胺基高性能复合材料 3.2.1、聚酰亚胺的发展历史 六十年代以来,杜邦公司在开发PI方面对了大量工作[6]。1962年开发了成型材料Vespel；1965年有耐热薄膜Kapton；1968年汤普森拉英伍尔德里奇公司采用加成法制成聚酰亚胺P13N；1972年开发了NB-150；1973年法国的Rhone-Ponlene公司开发了双马来酐亚胺系的PI；1975年第二代NB-150B2问世，迄今为止，Kapton薄膜在耐热薄膜方面仍多占鳌头，而NB-150和NB-150B2则是高性能复合材料的基体材料。对于聚酰亚胺，在开发的过程中主要围绕其成型上做了大量工作。影响成型主要的三个因素：①极为有害的缩合水；②使用高沸点溶剂；③预聚物的熔点高。加成固化A型的开发，克服了确定①；现场聚合型PMR的研制成功，克服了缺点②；热熔型LARC-160的问世，克服了缺点③。这就是使PI出具实用化的条件。3.2.2、用作高性能复合材料基体的聚酰亚胺

1976年，在NASA制定的“高性能空间运输系统复合材料”的研究大纲里，要开发耐热316℃的高性能复合材料。经过兰利和合同单位的共同努力，从14种PI中评选出4中作为高性能复合材料的基体，即NB-150B2、PMR-

15、LARC-160和Thermid6000；从5中PI粘结剂中筛选出3种，即FM-

34、LARC-

13、和RTV560-SQX；从5中碳纤维中筛选出2种，即Celion和AS4(HTS)[7]。（1）NB-150B2 NB-150B2杜邦生产的热塑性PI。NB-150B2用的是苯胺混合物，其刚性比NB-150A2所有的二胺基二苯醚强，因此NB-150B2的Tg(350-371℃)比NB-150A2（280-300℃）高。如果采用其他胺类，Tg可调节在229-365℃之间。因为苯环之间引入—O—、—S—、—CH2—等，使主链的柔性增加，刚性下降，致使Tg降低。换言之，在PI的主链中，六元苯环和五元亚胺杂环都是热稳定性高的刚性环，Tg主要受芳族二胺结构的影响。这是分子设计的依据。

（2）PMR-15 刘易斯研究中心研制出得PMR-15都属于现场聚合的A型PI。

所谓现场聚合成型是指三元体系的脂肪醇溶液，在室温下不反应，在加热条件下才形成低聚物，最后在高温高压条件下加成固化为交联结构。

（3）LARC-160 LARC-160是兰利研究中心开发的热熔型PI。它是PMR-15 的改进型，主要区别采用了多价液状胺的低聚物。其特点是在室温下为单体溶液，浸渍性好，成型性能得到显著改善。它的强度为10Kg/mm2,模量为3.5×102Kg/mm2,比重约为1.40g/cm2。

（4）Thermid6000 Thermid6000的端基是具有三键的乙炔基，在加成固化中

进行三聚环化，形成环状结构，使其具有优异的耐热性。它的分子量小于2000。当加热到220℃时，因固化而放热，最终热处理温度是371℃，使用温度为350℃。在固化成型过程中没有挥发物释放，制品空隙率低，质量高。主要缺点是成型性欠佳和价高。3.2.3、聚酰亚胺及其复合材料的应用 各种航天航空飞行器和导弹武器，由于飞行条件的不同。飞行时间有很大的差异。GrF/PI准备用于轨道飞行器的垂直尾翼，升降副翼和后机身襟翼等。这主要时利用它的耐热性和减重效果。例如，大型试验件后机身襟翼的尺寸为6.4×2.1cm，其总重量比铝合金件轻160Kg，减重27%[8]。此外，它还用于：

①高性能军用飞机YF-12，飞行速度在3马赫以上。NASA的兰利研究中心用HTSI/ PMR-15制成了该飞机的翼板，比钛合金件减重51%。凯芙拉纤维增强聚酰亚胺复合材料的耐高温性能也比较好，可用来制造DC-9型运输机的整流罩，可降低机身阻力和节省燃油。

②航空导弹的弹头也采用了GrF/PI复合材料。

③GrF/PI可用来制造卫星的结构件，减重17-30%。如制造耐激光和耐高温的结构件。3.3双马来酰亚胺基复合材料 3.3.1双马来酰胺基复合材料的发展

高性能复合材料广泛的使用环氧树脂作为基体，主要是因为其成型工艺好。环氧树脂存在的主要缺点是耐湿热性差，如广泛使用的5208环氧体系在干态下可耐到177℃。而湿态只能耐到121℃；其次是用作主受力结构件还略显脆性，5208环氧基体的断裂延伸率为1.7%，但目前一出现断裂延伸率大于2%的碳纤维，人们对于双马来酰胺的兴趣在于[9]，经过改性的双马来酰胺基体的耐湿热性与韧性均优于5208体系，同时具有类似环氧树脂的良好加工性能，能满足热压罐成型。

马来均聚物本身脆性大，用来制备复合材料的工艺性差。需使用高沸点的极性溶剂，制备的预浸料僵硬，无结性，铺覆性不好，成型温度高。因此，今年来围绕着提高韧性以及工艺性能对双马树脂进行改性研究。

人们早就在40年代就合成出双马树脂基体，到了70年代，为了解决环氧树脂的耐湿热性差的问题，才开始将双马树脂用作高性能复合材料基体，目前已商品化的双马树脂预浸料牌号有10余钟，作为高性能复合材料的基体，国内一些单位也有研究，为了进一步推动双马树脂的发展与应用，特别对高性能复合材料用双马基体进行总结[10]。3.3.2双马来酰胺树脂的改性 内扩链法增韧

双马来酰胺树脂未改性的BMI因2端的马来酰亚胺(MI)间链节短,导致分子链刚性大,固化物交联密度高。为使固化物具有柔韧性,人们设法将MI间的2R2链延长,并增大链的自旋性和柔韧性, 减少单位体积中反应基团的数目,降低交联密度, 从而达到改性目的。朱玉珑等研究发现,醚键的引入有望改善下一步所制备耐高温绝缘材料的冲击韧性。Jiang Bi biao等[11]研制了较普通BMI固化温度低的含氨酯基团的新型双马来酰亚胺低聚体,用其增韧后的BMI树脂溶解性和贮存稳定性良好, 玻璃布复合材料具有良好的力学性能和耐腐蚀性能。Haoyu Tang[12]等制备了含1,3,42氧二氮唑的耐高温BMI, 树脂的玻璃化温度高(Tg>350e),热稳定性良好, 在空气中初始分解温度大于460e,其玻璃布复合材料在高温(400e)下仍具有较高的弯曲模量(>1.6GPa)。橡胶共混增韧改性

在BMI树脂中添加少量带活性端基的橡胶有利于大大提高体系的抗冲击性能。目前普遍接受的增韧机理是银纹剪切带理论。即橡胶颗粒充作应力集中中心从而诱发了大量的银纹和剪切带,这一过程要消耗大量能量,因而能显著提高材料的冲击强度,达到增韧目的。用液体橡胶增韧BMI树脂可以使BMI韧性大幅度提高,目前应用较多的是端羧基丁腈橡胶。此方法同时也会降低耐热性,因此这类橡胶增韧的BMI树脂多用作韧性塑料和胶粘剂基体,用作先进复合材料基体的则很少, 且其价格较贵, 应尽可能地降低成本以利推广。胺类扩链增韧改性

BMI分子结构的C=C双键由于受到2个邻位羰基的吸电子作用而成为贫电子键,即一个亲电子的共轭体系,易与氨基等亲核基团发生Michael加成反应,芳香族二胺改性的BMI体系具有良好的耐热性和力学性能,但仍然存在工艺性欠佳、韧性不足、粘接性差等问题。为此在体系中引入环氧树脂,使其与芳香族二胺改性的BMI体系反应,形成交联网络结构,环氧树脂还能克服由仲胺基(-NH-)引起的热稳定性降低的缺点。王洪波等[13]通过BMI与二元胺、环氧树脂反应制备了改性BMI。研究表明,二元胺增韧后的BMI和环氧树脂能交联固化, 并且固化温度越高, 固化程度越完全,交联密度越大；改性BMI的热分解温度降低,柔韧性增加,有利于BMI在电器绝缘材料和胶粘剂等领域的应用。高性能热塑性树脂增韧改性

利用某些高性能热塑性树脂耐热性较好的特点, 可在一定程度上克服用橡胶增韧BMI后耐热性降低较多的缺点,因此通过与热塑性树脂共混增韧BMI的研究受到了重视。其改性途径主要有两种形式。

一种是热塑性树脂作为第二相增韧。该树脂的刚性与基体树脂接近,有较强的韧性和较高的断裂伸长率,当第二相的体积分数适当,就可以发生裂纹钉锚增韧作用,即在材料受力的情况下,第二相可诱发基体树脂产生银纹,同时由于本身的热塑性形变能有效地抑制裂纹扩展, 吸收较多能量, 起到增韧作用。另一种是用热塑性树脂连续贯穿于BMI树脂网络,形成半互穿网络聚合物(S-IPN),进行增韧改性。体系中的热塑性树脂与BMI相互贯穿,两相之间分散性良好,相界面大,能够很好地发挥协同效应。因此树脂兼备BMI的工艺性和热塑性树脂的韧性 3.3.3双马来酰胺基体的发展趋势 BMI增韧改性朝着保持热性能不变而使韧性提高的方向发展，这些增韧改性方法并非孤立，在实际应用中应根据目的和用途同时应用几种方法增韧改性。我国在这方面的研究与国外相比差距还是比较大。应进一步加强基础理论研究，开拓新的改性方法[14]。今后我国对BMI的开发，应从一下几个方面进行：①采用先进的增韧技术，对BMI进行改性，如原位增韧技术，通过化学反应过程控制分子交联状态下的不均匀性，以形成有利于塑性变形的非均匀性，从而得到增韧BMI；②加强新型增韧剂研究，尤其是开发耐热强韧型热塑性树脂；③进一步深入研究BMI的改性化学，改善其工艺性。开发适用于RTM的粘度低、固化时间短的BMI极其无溶剂热熔型BMI，以实现复合材料制品的工业化生产；④加强实用性BMI单体研究，有选择地合成和生产多种BMI。保持较大规模的高新技术用新材料产业。

4、结语

先进复合材料由于具有一系列优异的性能特点,已成为当今高性能结构材料的一个重要发展趋势,随着高技术的进步，先进复合材料正发挥着日益重要的作用。其中由环氧树脂为基体的高性能复合材料由于其成型性好，所以应用的很广泛，但是由于其的耐湿热性上面的缺陷，所以受到一定的限制，同时聚亚酰胺为基体的复合材料具有非常优异的耐高温性，从而在航空航天领域具有及其广泛的应用。双马来酰胺由于其的脆性，可以通过改性来改善这一问题。21世纪是复合材料的世纪，在不久的将来，复合材料肯定会应用到我们生活的各个方面。同时，在我们生活中发挥出来的的作用也会越来越大。