先進樹脂基復合材料的發展 zund G3 L-3200-絲絨沙發台中雷射雕刻－楊惠平焦點新聞熱搜

　　摘　要：材料是人類賴以生存和發展的物質基礎，也是社會現代化和高新技術發展的先導，在材料這個大家庭中，先進樹脂基復合材料是一顆璀璨的明珠。由于有機高分子材料在性能、成型方法及靈活的可設計性等方面具有無可比擬的優勢，使得以高分子樹脂為基體的復合材料（也稱樹脂基復合材料、聚合物基復合材料）發展十分迅速，已在民用、軍用上獲得了廣泛的應用。綜述了樹脂基復合材料的發展、性能、成型工藝及應用情況，分析了樹脂基復合材料的發展方向。
　　關鍵詞：樹脂復合材料航空材料
　　
　　1、引言
　　樹脂基復合材料是由以有機聚合物為基體的纖維增強材料，通常使用玻璃纖維、碳纖維或者芳綸的等有機纖維。樹脂基復合材料具有較高的比強度及比剛度，可設計性強，抗疲勞斷裂性能好，耐腐蝕，結構尺寸穩定性好以及便于大面積成型的獨特優點，充分體現了集結構承載和功能于一身的鮮明特點。自上世紀60年代以來，樹脂基復合材料在航空、武器裝備、汽車、海洋工業等方面獲得了日益廣泛的應用。
　　2、樹脂基復合材料的發展
　　1940年，二戰時期，由于戰爭資源的需要，個纖維增強合成材料而成的復合材料應時代而生：以手糊成型方法制成了玻璃纖維增強不飽和聚酯的軍用飛機雷達罩。1944年，玻璃纖維增強樹脂作為機身和機翼材料的飛機試飛成功。隨著生產工藝的發展，材料性能的逐步提高，復合材料在航空器中的地位越來越重要。怎樣減少飛機結構重量以提高飛機的裝載效率是百年來飛機發展所一直追求的目標。飛機結構從20世紀初的木、布結構，到 30年代輕合金的全金屬結構，30年代－60年代雖然金屬材料的性能有很大提高，但是單依靠提高金屬材料性能來進一步降低飛機結構重量系數（即飛機結構重量與飛機起飛重量的比值）已達到極限。為此，飛機設計師們不得不尋求新的途徑，于是找到了高比強度（材料強度與密度的比值）、高比剛度（材料模量與密度的比值）纖維增強樹脂基復合材料。隨后，具有更高比強度、比剛度，同時兼具更高剪切強度、剪切模量以及耐熱性的第二代現代復合材料應運而生，主要以硼纖維、碳纖維、芳綸纖維為增強材料，以聚酰亞胺等高性能樹脂為基體，同時包括鋁、鎂、鈦等金屬基體，金屬間化合物，碳化硅、氮化硅等陶瓷基體。而性能更高的氧化鋁纖維、碳化硅纖維、晶須等增強材料的出現，更引發了具有多功能、高韌性、耐熱的第三代高性能復合材料的發展。1980年以后，先進復合材料在航空、航天等領域已經得到了較為廣泛的應用。
　　先進樹脂基復合材料常用的增強纖維包括碳纖維和其他高性能有機纖維。目前對碳纖維的研究, 主要集中于提高模量和強度、降低生產成本。使用的纖維先驅體主要仍然是聚丙烯腈(PAN) 和瀝青纖維, 二者的用量比例約為6:1。
　　近年來先進樹脂基復合材料樹脂基體的研究主要圍繞著改善耐濕熱性能、提高韌性和工作溫度。目前常用的樹脂基體有高溫固化的多功能環氧樹脂基體、氰酸酯樹脂、BMI樹脂、耐高溫聚酰亞胺。
　　3、樹脂基復合材料的種類和性能特點
　　樹脂基復合材料作為一種復合材料，是由兩個或兩個以上的獨立物理相，包含基體材料（樹脂）和增強材料所組成的一種固體產物。樹脂基復合材料具有如下的特點：1）各向異性（短纖維復合材料等顯各向同性）；2）不均質（或結構組織質地的不連續性）；3）成粘彈性行為；4）纖維（或樹脂）的體積含量不同，材料的物理性能差異；5）影響質量因素多，材料性能多呈分散性。
　　樹脂基復合材料包括熱塑性樹脂基復合材料和熱固性樹脂基復合材料，熱塑性樹脂基復合材料是20世紀80年代發展起來的，主要有長纖維增強粒料(LFP)、連續纖維增強預浸帶(MITT)和玻璃纖維氈增強型熱塑性復合材料(GMT)。根據使用要求不同，樹脂基體主要有PP、PE、PA、PBT、PEI、PC、PES、PEEK、PI、PAI等熱塑性工程塑料，纖維種類包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和硼纖維等一切可能的纖維品種。
　　目前用于高性能復合材料的玻璃纖維主要有高強度玻璃纖維、石英玻璃纖維和高硅氧玻璃纖維等。高強度玻璃纖維復合材料不僅應用在軍用方面，近年來民用產品也有廣泛應用，如防彈頭盔、防彈服、直升飛機機翼、預警機雷達罩、各種高壓壓力容器、民用飛機直板、體育用品、各類耐高溫制品以及近期報道的性能優異的輪胎簾子線等。石英玻璃纖維及高硅氧玻璃纖維屬于耐高溫的玻璃纖維，是比較理想的耐熱防火材料，用其增強酚醛樹脂可制成各種結構的耐高溫、耐燒蝕的復合材料部件，大量應用于火箭、導彈的防熱材料。
　　碳纖維具有強度高、模量高、耐高溫、導電等一系列性能，首先在航空航天領域得到廣泛應用，近年來在運動器具和體育用品方面也廣泛采用。
　　芳綸纖維比強度、比模量較高，因此被廣泛應用于航空航天領域的高性能復合材料零部件（如火箭發動機殼體、飛機發動機艙、整流罩、方向舵等）、艦船（如航空母艦、核潛艇、游艇、救生艇等）、汽車（如輪胎簾子線、高壓軟管、摩擦材料、高壓氣瓶等）以及耐熱運輸帶、體育運動器材等。
　　超高分子量聚乙烯纖維的比強度在各種纖維中位居，尤其是它的抗化學試劑侵蝕性能和抗老化性能優良。它還具有優良的高頻聲納透過性和耐海水腐蝕性，許多已用它來制造艦艇的高頻聲納導流罩，大大提高了艦艇的探雷、掃雷能力。除在軍事領域，在汽車制造、船舶制造、醫療器械、體育運動器材等領域超高分子量聚乙烯纖維也有廣闊的應用前景。該纖維一經問世就引起了發達的極大興趣和重視。
　　1971年以前我國的熱固性樹脂基復合材料工業主要是軍工產品，70年代后開始轉向民用。熱固性樹脂基復合材料產品主要用于建筑、防腐、輕工、交通運輸、造船等工業領域。
　　4、樹脂基復合材料的成型工藝
　　樹脂基復合材料的成型工藝主要有復合材料低溫固化技術、樹脂傳遞模塑（RTM）成型技術、自動纏繞與鋪放技術、電子束固化技術。
　　4.1復合材料低溫固化技術
　　復合料低溫固化技術通常指固化溫度小于100℃，可以在自由狀態下進行高溫后處理的復合材料相關制造技術。發展復合材料構件的低溫固化技術，可以大大降低由昂貴模具、高能耗設備以及高性能工藝輔料等帶來的高費用。此外，低溫固化復合材料構件的尺寸精度高，固化殘余應力低，適于制備大型和形狀復雜的復合材料構件，也可用于復合材料工裝材料以及復合材料結構件的修補等。復合材料低溫固化技術是低成本制造技術的重要組成部分。

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