先進樹脂基復合材料

1、材料科學與工程學院材料科學與工程學院2011年9月材料學材料學課程內(nèi)容課程內(nèi)容前言前言1. 先進增強材料先進增強材料2. 高性能樹脂基體高性能樹脂基體3. 先進制造工藝先進制造工藝4. 先進復合材料應用先進復合材料應用前前 言言 先進復合材料（先進復合材料（ACM）:由高性能的基體由高性能的基體(聚合物、金聚合物、金屬或陶瓷等屬或陶瓷等)與高性能纖維材料，通過特定的成型工藝與高性能纖維材料，通過特定的成型工藝復合而成的復合材料。復合而成的復合材料。ACM特性：特性：比強度和比剛度高、可設(shè)計性強、抗疲勞比強度和比剛度高、可設(shè)計性強、抗疲勞斷裂性能好、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好以及適于大斷裂性能好、

2、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好以及適于大面積整體成形的獨特優(yōu)點。面積整體成形的獨特優(yōu)點。應用：應用：已成為支撐航空、航天和國防尖端技術(shù)領(lǐng)域的已成為支撐航空、航天和國防尖端技術(shù)領(lǐng)域的最重要的結(jié)構(gòu)材料。最重要的結(jié)構(gòu)材料。NASA最早成立最早成立ACM研究機構(gòu)，并開展相關(guān)材料技術(shù)研究機構(gòu)，并開展相關(guān)材料技術(shù)的研究。的研究。ACM的發(fā)展和應用是現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)活動中成長最快的，對的發(fā)展和應用是現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)活動中成長最快的，對促進世界各國軍用和民用領(lǐng)域的高科技現(xiàn)代化，起到促進世界各國軍用和民用領(lǐng)域的高科技現(xiàn)代化，起到了至關(guān)重要的作用。了至關(guān)重要的作用。我國發(fā)展現(xiàn)狀我國發(fā)展現(xiàn)狀 始于始于1969年，研究應用主要集中于國防以

3、及航空和航年，研究應用主要集中于國防以及航空和航天工業(yè)。開始系統(tǒng)、完整、有計劃地開展天工業(yè)。開始系統(tǒng)、完整、有計劃地開展ACM研究是研究是從從“六五六五”計劃期間開始。經(jīng)過計劃期間開始。經(jīng)過20多年的努力，國家多年的努力，國家通過中長期科技發(fā)展規(guī)劃的指導以及各種科研計劃的通過中長期科技發(fā)展規(guī)劃的指導以及各種科研計劃的支持，使我國支持，使我國ACM的研究取得了長足的進展。的研究取得了長足的進展。 ACM技術(shù)及發(fā)展技術(shù)及發(fā)展先進的增強材料；先進的增強材料；高性能樹脂基體；高性能樹脂基體；成型工藝技術(shù)；成型工藝技術(shù)；ACM在各個領(lǐng)域中的應用。在各個領(lǐng)域中的應用。1 先進增強材料先進增強材料 先進樹脂

4、基復合材料常用的增強纖維包括碳纖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。維和其他高性能有機纖維。 碳纖維碳纖維(CF)的研究：的研究：主要是如何提高模量和強主要是如何提高模量和強度、降低生產(chǎn)成本。度、降低生產(chǎn)成本。 高性能有機纖維開發(fā)：高性能有機纖維開發(fā)：包括柔性鏈結(jié)構(gòu)的超高包括柔性鏈結(jié)構(gòu)的超高分子量聚乙烯纖維分子量聚乙烯纖維(UHMPE )、芳綸纖維、芳綸纖維（Kevlar）、剛性鏈結(jié)構(gòu)的）、剛性鏈結(jié)構(gòu)的PBO纖維等。纖維等。 改性：改性：各種纖維都有自身的優(yōu)勢，但也存在不各種纖維都有自身的優(yōu)勢，但也存在不足和缺點，需要改性。足和缺點，需要改性。2 高性能樹脂基體高性

5、能樹脂基體樹脂基體的研究：主要圍繞著樹脂基體的研究：主要圍繞著改善耐濕熱性能改善耐濕熱性能、提高韌提高韌性性和和工作溫度工作溫度。環(huán)氧樹脂（環(huán)氧樹脂（EP）：）：具有工藝性能好、綜合力學性能好具有工藝性能好、綜合力學性能好和價格便宜等一系列優(yōu)點，但和價格便宜等一系列優(yōu)點，但耐濕熱性能較差耐濕熱性能較差。氰酸酯樹脂（氰酸酯樹脂（AC）：）：吸濕率低、韌性好、介電性能好。吸濕率低、韌性好、介電性能好。是未來結(jié)構(gòu)是未來結(jié)構(gòu)/功能一體化的優(yōu)良材料，氰酸酯樹脂一般功能一體化的優(yōu)良材料，氰酸酯樹脂一般需要需要較高的后處理溫度較高的后處理溫度，這給使用帶來不便。，這給使用帶來不便。雙馬來酰亞胺雙馬來酰亞胺

6、(BMI)：耐濕熱性能和耐熱性均優(yōu)于環(huán)耐濕熱性能和耐熱性均優(yōu)于環(huán)氧樹脂。氧樹脂。BMI可以和多種化合物共聚以改善其韌性?？梢院投喾N化合物共聚以改善其韌性。 耐高溫聚酰亞胺（耐高溫聚酰亞胺（PMR）：）：更高耐溫等級，可在更高耐溫等級，可在350以上長期使用以上長期使用。3 先進樹脂基復合材料的成型技術(shù)先進樹脂基復合材料的成型技術(shù)ACM制造成本制造成本在產(chǎn)品中占用很大的比重，而在產(chǎn)品中占用很大的比重，而目前影響目前影響ACM廣泛使用的最大障礙是價格問廣泛使用的最大障礙是價格問題。因此如何發(fā)展新的制造技術(shù)，降低先進樹題。因此如何發(fā)展新的制造技術(shù)，降低先進樹脂基復合材料的制造成本，是當前先進樹脂基脂

7、基復合材料的制造成本，是當前先進樹脂基復合材料研究的重點。復合材料研究的重點。先進成型技術(shù)先進成型技術(shù) 熱壓罐成型技術(shù)：熱壓罐成型技術(shù)：是是ACM的主要成型技術(shù)，其的主要成型技術(shù)，其優(yōu)點優(yōu)點是成型的復合是成型的復合材料性能高，質(zhì)量穩(wěn)定并適合大型復雜外形復合材料構(gòu)件的成型，材料性能高，質(zhì)量穩(wěn)定并適合大型復雜外形復合材料構(gòu)件的成型，缺點缺點是設(shè)備投資大，能耗高，制造成本高。是設(shè)備投資大，能耗高，制造成本高。 預成型體預成型體/液體成型工藝技術(shù)液體成型工藝技術(shù)(LCM)：是先進樹脂基復合材料是先進樹脂基復合材料低成低成本制造技術(shù)本制造技術(shù)的一個重要方向，已獲得成功的有的一個重要方向，已獲得成功的有R

8、TM和和RFI等。等。 纖維纏繞技術(shù)：纖維纏繞技術(shù)：多自由度準確、自動化、異形結(jié)構(gòu)纏繞技術(shù)，近多自由度準確、自動化、異形結(jié)構(gòu)纏繞技術(shù)，近年來也得到了相當快的發(fā)展。年來也得到了相當快的發(fā)展。 纖維鋪放技術(shù)：纖維鋪放技術(shù)：大型結(jié)構(gòu)的自動化鋪放成型設(shè)備及控制技術(shù)。大型結(jié)構(gòu)的自動化鋪放成型設(shè)備及控制技術(shù)。 先進固化技術(shù)：先進固化技術(shù)：l電子束固化技術(shù)：電子束固化技術(shù)：利用電子加速器產(chǎn)生的高能電子束引發(fā)樹脂聚利用電子加速器產(chǎn)生的高能電子束引發(fā)樹脂聚合和交聯(lián)的電子束固化技術(shù)，可節(jié)約制造成本合和交聯(lián)的電子束固化技術(shù)，可節(jié)約制造成本20%-60%。l光固化技術(shù)、微波固化技術(shù)：光固化技術(shù)、微波固化技術(shù)：由液態(tài)的

9、單體或預聚物受紫外或可由液態(tài)的單體或預聚物受紫外或可見光、微波的照射經(jīng)聚合反應轉(zhuǎn)化為固化聚合物的過程。見光、微波的照射經(jīng)聚合反應轉(zhuǎn)化為固化聚合物的過程。l固化過程實時監(jiān)控技術(shù)：固化過程實時監(jiān)控技術(shù)：利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能系統(tǒng)，實時監(jiān)測固化利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能系統(tǒng)，實時監(jiān)測固化過程，并通過智能反饋系統(tǒng)實現(xiàn)實時進行控制。過程，并通過智能反饋系統(tǒng)實現(xiàn)實時進行控制。4先進樹脂基復合材料的發(fā)展方向先進樹脂基復合材料的發(fā)展方向高性能纖維和高韌性樹脂的應用可提高高性能纖維和高韌性樹脂的應用可提高ACM的各種綜的各種綜合性能和放寬設(shè)計許用值，從而可將減重效率由目前合性能和放寬設(shè)計許用值，從而可將減重效率由目前的的20%

10、-25%提高到提高到30%或更高。或更高。(1) 提高組分性能提高組分性能纖維：纖維： 向高性能化、輕量化方向發(fā)展。向高性能化、輕量化方向發(fā)展。 碳纖維由碳纖維由T300、AS4轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向T800、IM7，如，如F-22、EF2000、B777等均用等均用T800，與，與T300相比其性能可提高相比其性能可提高30%40%。樹脂：樹脂：選用改性雙馬選用改性雙馬BMI和改性環(huán)氧，如和改性環(huán)氧，如F-22主承力主承力結(jié)構(gòu)用結(jié)構(gòu)用5250-4BMI樹脂，耐溫達樹脂，耐溫達200。B777采用采用3900-2高韌性環(huán)氧樹脂。第四代韌性雙馬樹脂高韌性環(huán)氧樹脂。第四代韌性雙馬樹脂5260，耐溫耐溫230，較

11、適合于民航機采用。，較適合于民航機采用。(2) 重視制造技術(shù)研究和綜合配套技術(shù)協(xié)調(diào)發(fā)展重視制造技術(shù)研究和綜合配套技術(shù)協(xié)調(diào)發(fā)展 除繼續(xù)采用成熟的熱壓罐成型技術(shù)外，還應對編織除繼續(xù)采用成熟的熱壓罐成型技術(shù)外，還應對編織/RTM、縫編、縫編/RTM、纏繞、拉擠、注塑等。、纏繞、拉擠、注塑等。(3) 重點開發(fā)低成本制造技術(shù)重點開發(fā)低成本制造技術(shù) 降低成本應從設(shè)計、材料、制造、使用、維護等多方降低成本應從設(shè)計、材料、制造、使用、維護等多方面綜合考慮，應推廣大絲束纖維面綜合考慮，應推廣大絲束纖維(48-320K)、RTM工藝、工藝、固化自動監(jiān)控、整體成型和真空輔助成型等技術(shù)的應固化自動監(jiān)控、整體成型和真空

12、輔助成型等技術(shù)的應用。用。美國準備通過低成本技術(shù)研究，設(shè)想在美國準備通過低成本技術(shù)研究，設(shè)想在10-15年的時間年的時間內(nèi)實現(xiàn)先進戰(zhàn)斗機主要復合材料結(jié)構(gòu)件制造成本降低內(nèi)實現(xiàn)先進戰(zhàn)斗機主要復合材料結(jié)構(gòu)件制造成本降低一個數(shù)量級的目標。一個數(shù)量級的目標。(4) 發(fā)展發(fā)展ACM結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)/功能一體化的綜合技術(shù)功能一體化的綜合技術(shù) ACM技術(shù)正向著技術(shù)綜合化、功能多樣化（隱身、防技術(shù)正向著技術(shù)綜合化、功能多樣化（隱身、防熱）和智能化方向發(fā)展。熱）和智能化方向發(fā)展。第一章第一章 ACM中的高性能先進增強材料中的高性能先進增強材料1.1 碳纖維碳纖維按力學性能分類按力學性能分類 :高強型高強型（HT）、）、超

13、高強型超高強型（UHT）、）、高模量型高模量型（HM）、）、超高模量型超高模量型（UHM） 按制造先驅(qū)體來分按制造先驅(qū)體來分類類:聚丙烯腈基聚丙烯腈基（PAN）碳纖維、）碳纖維、瀝青基碳纖維和瀝青基碳纖維和人造絲（粘膠絲）人造絲（粘膠絲）碳纖維碳纖維 表表1-1 日本東麗公司碳纖維及其特性日本東麗公司碳纖維及其特性高強度高強度高模量高模量低密度低密度表表1-2 碳纖維復合材料在工業(yè)中的應用和特性碳纖維復合材料在工業(yè)中的應用和特性比強度、比模量高比強度、比模量高低線膨脹系低線膨脹系數(shù)數(shù)阻尼性好阻尼性好生物相容性生物相容性好好抗疲勞性能抗疲勞性能好好導電性導電性1.2 聚芳酰胺纖維（聚芳酰胺纖維（

14、Kevlar）聚芳酰胺纖維聚芳酰胺纖維：是芳香族酰胺纖維的總稱是芳香族酰胺纖維的總稱 。聚芳酰胺纖維在聚芳酰胺纖維在20世紀世紀70年代由杜邦公司率先年代由杜邦公司率先產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)業(yè)化,注冊商標為注冊商標為Kevlar系列。系列。 品種：品種：Kevlar纖維為對位芳酰胺纖維。纖維為對位芳酰胺纖維。第一代產(chǎn)品：第一代產(chǎn)品：RI型、型、29型和型和49型；型；第二代產(chǎn)品第二代產(chǎn)品KevlarHX系列：高粘接型系列：高粘接型Ha、高、高強型強型Ht（129）、原液著色型）、原液著色型Hc（100）、高）、高性能中模型性能中模型Hp（68）、高模型）、高模型Hm（149）和）和高伸長型高伸長型He（11

15、9）。）。典型的物理性能表典型的物理性能表1-3。表表1-3各種各種Kevlar纖維的物理性能纖維的物理性能 較高強度較高強度低密度低密度較高耐溫較高耐溫中國芳綸纖維的研究：中國芳綸纖維的研究：從從20世紀世紀70年代開始，某些小試產(chǎn)品年代開始，某些小試產(chǎn)品性能已達到性能已達到Kevlar49的水平，目前靠自己的技術(shù)已建成的水平，目前靠自己的技術(shù)已建成200t/年的間位芳酰胺纖維裝置。年的間位芳酰胺纖維裝置。 芳綸纖維主要應用：芳綸纖維主要應用：在航天、航空、石油、建材、交通、運在航天、航空、石油、建材、交通、運輸和公安部門，特別在固體火箭發(fā)動機殼體、防彈衣、輪胎、輸和公安部門，特別在固體火箭

16、發(fā)動機殼體、防彈衣、輪胎、纜索和石棉代用品等方面。纜索和石棉代用品等方面。殼體容器：殼體容器：由于芳綸纖維的由于芳綸纖維的比強度、比模量比強度、比模量明顯優(yōu)于高強明顯優(yōu)于高強GF，芳綸發(fā)動機殼體比芳綸發(fā)動機殼體比GF/EP的殼體容器特性系數(shù)的殼體容器特性系數(shù)pV/W（p為容器為容器爆破壓力，爆破壓力，V為容器容積，為容器容積，W為容器質(zhì)量）提高為容器質(zhì)量）提高30%以上。使以上。使固體發(fā)動機的關(guān)鍵指標質(zhì)量比突破固體發(fā)動機的關(guān)鍵指標質(zhì)量比突破0.92，大幅度增加導彈的射，大幅度增加導彈的射程。程。大量應用于制造先進的飛機：大量應用于制造先進的飛機：其應用部位有發(fā)動機艙、中央其應用部位有發(fā)動機艙、

17、中央發(fā)動機整流罩、機翼與機身整流罩等飛機部件。此外，飛機發(fā)動機整流罩、機翼與機身整流罩等飛機部件。此外，飛機高壓輪油膠管也大量使用芳綸纖維。高壓輪油膠管也大量使用芳綸纖維。船舶：船舶：制造戰(zhàn)艦的防護裝甲以及聲納導流罩等制造戰(zhàn)艦的防護裝甲以及聲納導流罩等,是一種極有前是一種極有前途的重要的航空材料。途的重要的航空材料。1.3 有機雜環(huán)類纖維有機雜環(huán)類纖維kevlar纖維弱點：纖維弱點：分子鏈中存在易熱氧化、易水解的分子鏈中存在易熱氧化、易水解的酰胺鍵，其環(huán)境穩(wěn)定性差，因而不能完全滿足現(xiàn)代航酰胺鍵，其環(huán)境穩(wěn)定性差，因而不能完全滿足現(xiàn)代航天、航空等高技術(shù)領(lǐng)域的要求。天、航空等高技術(shù)領(lǐng)域的要求。近代理

18、論和實踐表明，合成棒狀芳雜環(huán)聚合物，并在近代理論和實踐表明，合成棒狀芳雜環(huán)聚合物，并在液晶相溶液狀態(tài)下紡絲所獲得的纖維，不但纖維的力液晶相溶液狀態(tài)下紡絲所獲得的纖維，不但纖維的力學性能較學性能較Kevlar纖維有所提高，其熱穩(wěn)定性也更接近纖維有所提高，其熱穩(wěn)定性也更接近于有機聚合物晶體的理論極限值。于有機聚合物晶體的理論極限值。有機雜環(huán)類纖維：有機雜環(huán)類纖維：在高分子主鏈中含有苯并雙雜環(huán)的在高分子主鏈中含有苯并雙雜環(huán)的對位芳香聚合物如聚苯并惡唑（對位芳香聚合物如聚苯并惡唑（PBO），聚苯并噻唑），聚苯并噻唑（PBT），聚苯并咪唑（），聚苯并咪唑（PBI）為代表的有機雜環(huán)類纖）為代表的有機雜環(huán)類

19、纖維，被認為是新一代新型高分子材料（高強度、高模維，被認為是新一代新型高分子材料（高強度、高模量及耐高溫）纖維的代表。其纖維在量及耐高溫）纖維的代表。其纖維在21世紀產(chǎn)業(yè)化。世紀產(chǎn)業(yè)化。1.3.1 聚苯并二惡唑（聚苯并二惡唑（PBO）纖維）纖維PBO纖維的結(jié)構(gòu)：纖維的結(jié)構(gòu)：在主鏈中含有苯環(huán)及芳雜環(huán)組成的在主鏈中含有苯環(huán)及芳雜環(huán)組成的剛性棒狀分子結(jié)構(gòu)，以及鏈在液晶態(tài)紡絲形成的高度剛性棒狀分子結(jié)構(gòu)，以及鏈在液晶態(tài)紡絲形成的高度取向的有序結(jié)構(gòu)。取向的有序結(jié)構(gòu)。性能：性能：拉伸強度為拉伸強度為4.86.2GPa，斷裂伸長率為斷裂伸長率為2.4%，彈性模量為彈性模量為280406GPa，相對密度為相對密

20、度為1.56，吸濕率，吸濕率1%，分解溫度分解溫度670，具有蠕變小、耐磨性極好、高溫下不熔融等特性。該具有蠕變小、耐磨性極好、高溫下不熔融等特性。該纖維手感好，非常纖細，可制備不同的形式如連續(xù)纖纖維手感好，非常纖細，可制備不同的形式如連續(xù)纖維、精紡細紗、布、縫合織物、短切纖維、漿粕等。維、精紡細紗、布、縫合織物、短切纖維、漿粕等。表表1-4 PBO纖維與其他品種纖維性能對比纖維與其他品種纖維性能對比 PBO纖維最突出的性能：纖維最突出的性能：是拉伸強度和彈性模量高，是拉伸強度和彈性模量高，約是約是kevlar纖維的纖維的2倍，倍，LOI值高值高2.6倍。倍。 主要應用：主要應用： 高強繩索以

21、及高性能帆布；高強繩索以及高性能帆布； 高強復合材料：高強復合材料：PBO纖維可以同時滿足輕質(zhì)高強度、高模纖維可以同時滿足輕質(zhì)高強度、高模量、耐高溫要求，因此在特種壓力容器、高級體育運動競技用量、耐高溫要求，因此在特種壓力容器、高級體育運動競技用品等方面具有巨大的應用潛力；品等方面具有巨大的應用潛力； 防彈抗沖擊材料：防彈抗沖擊材料：PBO纖維復合材料抗沖擊性能極為優(yōu)秀。纖維復合材料抗沖擊性能極為優(yōu)秀。因此在防彈抗沖擊吸能材料領(lǐng)域已經(jīng)得到應用，如制造飛機機因此在防彈抗沖擊吸能材料領(lǐng)域已經(jīng)得到應用，如制造飛機機身、防彈衣、頭盔等；身、防彈衣、頭盔等； 其他特種防護材料：其他特種防護材料：以其優(yōu)越

22、的耐熱性、阻燃性、耐剪、以其優(yōu)越的耐熱性、阻燃性、耐剪、耐磨等特性可制造輕質(zhì)、柔軟的光纜保護外套材料、安全手套、耐磨等特性可制造輕質(zhì)、柔軟的光纜保護外套材料、安全手套、耐熱氈、特種傳送帶、滅火皮帶、防火服和鞋類等。耐熱氈、特種傳送帶、滅火皮帶、防火服和鞋類等。 不足之處：不足之處： 壓縮性能差：壓縮性能差：PBO自身分子結(jié)構(gòu)決定的；自身分子結(jié)構(gòu)決定的； 界面粘接性差：界面粘接性差：PBO纖維與聚合物基體的粘結(jié)性能比芳綸還纖維與聚合物基體的粘結(jié)性能比芳綸還低，限制了低，限制了PBO纖維在高性能復合材料中的應用，通常需要對纖維在高性能復合材料中的應用，通常需要對纖維進行表面處理。纖維進行表面處理。

23、生產(chǎn)現(xiàn)狀：生產(chǎn)現(xiàn)狀：PBO產(chǎn)品有美國和日本東洋紡織公司生產(chǎn)的產(chǎn)品有美國和日本東洋紡織公司生產(chǎn)的PBOAS，日本東，日本東洋紡織公司開發(fā)出名為洋紡織公司開發(fā)出名為Zylon和和PBOHM的高性能的高性能PBO纖維，還有荷蘭阿纖維，還有荷蘭阿克蘇的克蘇的PBOM5，杜邦公司的，杜邦公司的PBO等九種牌號。等九種牌號。1.3.2 聚苯并噻唑（聚苯并噻唑（PBT）纖維）纖維PBT：在高分子主鏈中含有苯并噻唑重復單元的耐高在高分子主鏈中含有苯并噻唑重復單元的耐高溫、高模量芳雜環(huán)聚合物，簡稱溫、高模量芳雜環(huán)聚合物，簡稱PBT。性能見表。性能見表1-4.具有高性能原因：具有高性能原因：除了必要的芳雜環(huán)化學結(jié)

24、構(gòu)外，還除了必要的芳雜環(huán)化學結(jié)構(gòu)外，還有其分子鏈在軸向方向的高度取向。有其分子鏈在軸向方向的高度取向。應用：應用：PBT纖維可用于石棉替代物和纜繩，是高性能纖維可用于石棉替代物和纜繩，是高性能復合材料的新型增強體?？椢镉糜诜缽椃⒑教祛I(lǐng)域復合材料的新型增強體。織物用于防彈服、航天領(lǐng)域中的火箭發(fā)動機殼體、太陽能陣列、壓力閥和空間結(jié)中的火箭發(fā)動機殼體、太陽能陣列、壓力閥和空間結(jié)構(gòu)架，是未來的宇航材料。構(gòu)架，是未來的宇航材料。中國：中國：曾進行合成工藝的基礎(chǔ)研究和工藝與性能的研曾進行合成工藝的基礎(chǔ)研究和工藝與性能的研究，由于合成工藝復雜，溶劑成本高，限制了究，由于合成工藝復雜，溶劑成本高，限制了PB

25、T纖纖維的發(fā)展和應用。維的發(fā)展和應用。1.3.3 剛性高性能纖維剛性高性能纖維M5M5：一種剛性的聚合物纖維，商品名為，一種剛性的聚合物纖維，商品名為，縮寫為縮寫為 PIPD。分子結(jié)構(gòu)：分子結(jié)構(gòu)：它與一些雜環(huán)的高性能纖維聚合物它與一些雜環(huán)的高性能纖維聚合物有一定的相似性，如有一定的相似性，如 PBO、PBT（見下圖），（見下圖），但但 PIPD 具備二維結(jié)構(gòu)，因此具有優(yōu)越的性能。具備二維結(jié)構(gòu)，因此具有優(yōu)越的性能。1.3.3.1 M5的力學性能的力學性能 性能：性能：抗拉強度：抗拉強度： PPTACFM5 PBO；模量：模量： PPTACFPBOM5= 350 GPa；壓縮強度：壓縮強度：PPT

26、APBOM5CF，歸因，歸因于于 M5 的二維分子結(jié)構(gòu)。的二維分子結(jié)構(gòu)。M5、PBT 和和 PBO 纖維的拉伸曲線纖維的拉伸曲線 表表1-5 4種高性能纖維的一些性質(zhì)種高性能纖維的一些性質(zhì) 高模量高模量1.3.3.2 5的應用前景的應用前景 應用：應用：M5 可以作為可以作為ACM的增強材料在航空航天等領(lǐng)域大有的增強材料在航空航天等領(lǐng)域大有用武之地；用武之地；作為防護材料使用，如防彈材料、軍車外殼等。作為防護材料使用，如防彈材料、軍車外殼等。目前目前 M5 纖維還未真正應用，但由于其優(yōu)越的性能，纖維還未真正應用，但由于其優(yōu)越的性能，可望在原子能工業(yè)、空間環(huán)境、救險需要、航空航天、可望在原子能工

27、業(yè)、空間環(huán)境、救險需要、航空航天、國防建設(shè)、新型建筑、高速交通工具、海洋開發(fā)、體國防建設(shè)、新型建筑、高速交通工具、海洋開發(fā)、體育器械、新能源、環(huán)境產(chǎn)業(yè)及防護用具等許多高技術(shù)育器械、新能源、環(huán)境產(chǎn)業(yè)及防護用具等許多高技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應用。領(lǐng)域得到廣泛的應用。 1.4 超高分子量聚乙烯纖維超高分子量聚乙烯纖維- UHMWPE20世紀世紀80年代年代荷蘭荷蘭DSM公司開發(fā)公司開發(fā)了了UHMWPE纖維，其彈性模量達到纖維，其彈性模量達到120GPa，拉伸強度達，拉伸強度達到到4GPa左右，而且密度左右，而且密度1.0g/cm3。由于其原。由于其原料價廉，對發(fā)展高比強度、高比模量、廉價的料價廉，對發(fā)展

28、高比強度、高比模量、廉價的新型復合材料具有很大優(yōu)勢，國外很快實現(xiàn)了新型復合材料具有很大優(yōu)勢，國外很快實現(xiàn)了工業(yè)化。工業(yè)化。表表1-6 UHMWPE纖維與其他高性能纖維的性能比較。纖維與其他高性能纖維的性能比較。 表表1-6 UHMWPE纖維與其他高性能纖維性能比較纖維與其他高性能纖維性能比較 最輕最輕很高很高 性能特點：性能特點：密度小：密度?。?.97g/cm3，是，是Keavlar纖維的纖維的2/3，是高模量，是高模量CF的的1/2，是高性能纖維中密度最小的一種。其中，是高性能纖維中密度最小的一種。其中Spectra1000纖維的纖維的比強度比強度是芳綸和是芳綸和GF的的135%，比，比C

29、F高高50%左右；左右；比模量比模量是芳綸的是芳綸的2.5倍。倍。介電常數(shù)和介電損耗小：介電常數(shù)和介電損耗?。浩鋸秃喜牧蠈﹄姶挪ǖ耐高^其復合材料對電磁波的透過率大于率大于GFRP，幾乎全透過，是制造雷達天線罩、光，幾乎全透過，是制造雷達天線罩、光纖電纜加強芯最優(yōu)的新材料。纖電纜加強芯最優(yōu)的新材料。高沖擊強度高沖擊強度:在所有的高性能纖維中，在所有的高性能纖維中，UHMWPE纖維纖維具有最高的沖擊強度，如下表。具有最高的沖擊強度，如下表。比吸收能：單位重量所吸收的能量比吸收能：單位重量所吸收的能量價格低：價格低：如美國如美國Spectra纖維起始售價為纖維起始售價為4961/kg，最近由于對凝膠

30、紡絲理論的重大突破，生產(chǎn)效率成千最近由于對凝膠紡絲理論的重大突破，生產(chǎn)效率成千倍的提高。日本東洋紡織公司預測其將來生產(chǎn)的倍的提高。日本東洋紡織公司預測其將來生產(chǎn)的UHMWPE纖維的價格僅為纖維的價格僅為700800日元日元/kg。這為擴。這為擴大其應用范圍是一個十分有利的條件。大其應用范圍是一個十分有利的條件。應用：應用：表表1-8 UHMWPE纖維的應用領(lǐng)域纖維的應用領(lǐng)域 UHMWPE纖維不足纖維不足耐溫性差：耐溫性差：一般聚乙烯纖維的熔點為一般聚乙烯纖維的熔點為134左右，高度左右，高度取向的取向的UHMWPE纖維的熔點比纖維的熔點比Spectra900纖維高出纖維高出1020。當溫度。當

31、溫度100時，時，UHMWPE纖維的強度纖維的強度高于芳綸纖維，但當高于芳綸纖維，但當100時，強度迅速下降。所以時，強度迅速下降。所以UHMWPE不適用于不適用于90100長時間施加較大負荷的長時間施加較大負荷的場合，使用溫度場合，使用溫度KF，穿著的舒適感不如芳，穿著的舒適感不如芳綸防火服。如果綸防火服。如果 CBF 與其它纖維混紡可制成阻燃面料，用與其它纖維混紡可制成阻燃面料，用于部隊的相關(guān)裝備顯然是有明顯優(yōu)勢。于部隊的相關(guān)裝備顯然是有明顯優(yōu)勢。防彈材料防彈材料： UHMWPE纖維被用作柔性防彈材料的首選原纖維被用作柔性防彈材料的首選原材料，但是用它制成無緯布作柔性防彈材料時發(fā)現(xiàn)外表面材

32、料，但是用它制成無緯布作柔性防彈材料時發(fā)現(xiàn)外表面幾層明顯有彈頭擊穿的熔灼現(xiàn)象，因為幾層明顯有彈頭擊穿的熔灼現(xiàn)象，因為UHMWPE纖維的耐纖維的耐熱性能低。熱性能低。CBF的耐高溫特性，用作坦克、裝甲車、防爆的耐高溫特性，用作坦克、裝甲車、防爆車、防爆毯、炮彈箱、軍事工事的坑道門等，有廣闊的應車、防爆毯、炮彈箱、軍事工事的坑道門等，有廣闊的應用前景。用前景。 絕熱隔音：絕熱隔音：CBF 在船舶工業(yè)中可大量用于船殼體、機艙絕在船舶工業(yè)中可大量用于船殼體、機艙絕熱隔音和上層建筑。熱隔音和上層建筑。阻燃材料：阻燃材料：用用 CBF 蜂窩板可制成火車車廂板，既減輕了車蜂窩板可制成火車車廂板，既減輕了車廂

33、的質(zhì)量，又是一種良好的阻燃材料。據(jù)悉美國通過福特、廂的質(zhì)量，又是一種良好的阻燃材料。據(jù)悉美國通過福特、通用等正在著手起草制訂采用通用等正在著手起草制訂采用 CBF 替代替代CF作增強材料的工作增強材料的工業(yè)標準。德國在業(yè)標準。德國在 CBF 這方面的應用研究也已開展了多年。這方面的應用研究也已開展了多年。我國的汽車工業(yè)應該關(guān)注這一新材料應用的發(fā)展動向。我國的汽車工業(yè)應該關(guān)注這一新材料應用的發(fā)展動向。第二章、第二章、ACM的基體的基體 2.1 雙馬來酰亞胺樹脂基體雙馬來酰亞胺樹脂基體BMI 2.1.1 引引 言言 雙馬來酰亞胺（簡稱雙馬來酰亞胺（簡稱BMI或雙馬）是以馬來?；螂p馬）是以馬來酰亞胺

34、為活性端基的雙官能團化合物，其通式如下式亞胺為活性端基的雙官能團化合物，其通式如下式所示。所示。 特點：特點：BMI樹脂具有與典型的熱固性樹脂相似的樹脂具有與典型的熱固性樹脂相似的流動流動性性，可用與環(huán)氧樹脂類同的工藝方法進行加工成形；，可用與環(huán)氧樹脂類同的工藝方法進行加工成形；同時，同時，BMI樹脂具有良好的樹脂具有良好的耐高溫、耐高溫、耐輻射、耐濕熱、耐輻射、耐濕熱、吸濕率低和線脹系數(shù)小等優(yōu)良特性，克服了環(huán)氧樹脂吸濕率低和線脹系數(shù)小等優(yōu)良特性，克服了環(huán)氧樹脂耐熱性相對較低和耐高溫聚酰亞胺樹脂成形溫度高壓耐熱性相對較低和耐高溫聚酰亞胺樹脂成形溫度高壓力大的缺點，因此，近力大的缺點，因此，近2

35、0年來，年來，BMI樹脂得到了迅速樹脂得到了迅速發(fā)展和廣泛的應用。發(fā)展和廣泛的應用。國外：國外：20世紀世紀60年代末期，法國羅納年代末期，法國羅納-普朗克公司首先普朗克公司首先制出制出M-33BMI樹脂及其復合材料。從此，由樹脂及其復合材料。從此，由BMI單體單體制備的制備的BMI樹脂開始引起了愈來愈多人的重視。樹脂開始引起了愈來愈多人的重視。我國：我國：20世紀世紀80年代后，國內(nèi)開始了對先進年代后，國內(nèi)開始了對先進BMI復合復合材料樹脂基體的研究，獲得了一定的科研成果，已商材料樹脂基體的研究，獲得了一定的科研成果，已商品化的品化的BMI樹脂主要有樹脂主要有QY8911、QY9511、54

36、05、5428、5429和和4501等。等。主要缺點：主要缺點：韌性差韌性差 。2.1.2 BMI的改性方法的改性方法 2.1.2.1 熱塑性樹脂改性熱塑性樹脂改性BMI 可以在基本上不降低基體樹脂耐熱性和力學性能的前可以在基本上不降低基體樹脂耐熱性和力學性能的前提下實現(xiàn)增韌。目前常用提下實現(xiàn)增韌。目前常用TP樹脂主要有聚苯并咪唑樹脂主要有聚苯并咪唑（PBI）、聚醚砜（）、聚醚砜（PES）、聚醚酰亞胺（）、聚醚酰亞胺（PEI）和聚）和聚海因（海因（PH）、改性聚醚酮（）、改性聚醚酮（PEK-C）和改性聚醚砜）和改性聚醚砜（PES-C）等。）等。2.1.2.2 環(huán)氧改性環(huán)氧改性BMI 開發(fā)較早且

37、比較成熟的一種方法，環(huán)氧主要改性開發(fā)較早且比較成熟的一種方法，環(huán)氧主要改性BMI體系的工藝性和增強材料之間的界面粘結(jié)，也可改善體系的工藝性和增強材料之間的界面粘結(jié)，也可改善BMI樹脂體系的韌性。樹脂體系的韌性。2.1.2.3 氰酸酯改性氰酸酯改性BMI 利用環(huán)氧改性利用環(huán)氧改性BMI是以犧牲是以犧牲BMI樹脂的耐熱性為代價；樹脂的耐熱性為代價；采用采用TP樹脂增韌樹脂增韌BMI，是以體系，是以體系粘度粘度大幅增加為代價。大幅增加為代價。若以氰酸酯（若以氰酸酯（CE）改性）改性BMI樹脂體系可克服上述缺點。樹脂體系可克服上述缺點。 2.1.3 BMI樹脂及其復合材料的應用樹脂及其復合材料的應用1

38、）絕緣材料：）絕緣材料： 主要用作高溫預浸漆、層合板、覆銅板及主要用作高溫預浸漆、層合板、覆銅板及模壓塑料等。具有優(yōu)異的耐老化性能、耐熱性能、粘接模壓塑料等。具有優(yōu)異的耐老化性能、耐熱性能、粘接力及化學腐蝕性能。力及化學腐蝕性能。 2）耐磨材料：）耐磨材料： 用作金剛石砂輪、重負荷砂輪、剎車片和用作金剛石砂輪、重負荷砂輪、剎車片和耐高溫軸承黏合劑等。耐高溫軸承黏合劑等。3）航空航天結(jié)構(gòu)材料：）航空航天結(jié)構(gòu)材料： 主要與碳纖維層合主要與碳纖維層合,制備連續(xù)纖維制備連續(xù)纖維增強復合材料增強復合材料, 用作軍機或民機或宇航器件的承力構(gòu)件用作軍機或民機或宇航器件的承力構(gòu)件,如用作機翼蒙皮、尾翼、垂尾、

39、機身和骨架等。如用作機翼蒙皮、尾翼、垂尾、機身和骨架等。 表表2-1 高性能高性能BMI復合材料在航空工業(yè)中的應用復合材料在航空工業(yè)中的應用。 表表2-1 幾種主要幾種主要BMI樹脂在航空領(lǐng)域內(nèi)的應用樹脂在航空領(lǐng)域內(nèi)的應用 2.2 氰酸酯樹脂基體（氰酸酯樹脂基體（CE） 定義：定義：含有兩個或者兩個以上氰酸酯官能團的酚含有兩個或者兩個以上氰酸酯官能團的酚衍生物，它在熱和催化劑作用下發(fā)生三環(huán)反應，衍生物，它在熱和催化劑作用下發(fā)生三環(huán)反應，生成含有三嗪環(huán)的高交聯(lián)密度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的大分子。生成含有三嗪環(huán)的高交聯(lián)密度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的大分子。特點：特點：高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（240290），），低收

40、縮低收縮率，低吸濕率（率，低吸濕率（1.5%），優(yōu)良的力學性能和粘），優(yōu)良的力學性能和粘結(jié)性能等，而且它具有與環(huán)氧樹脂相似的結(jié)性能等，而且它具有與環(huán)氧樹脂相似的加工工加工工藝性，藝性，可在可在177下固化，并在固化過程中揮發(fā)性下固化，并在固化過程中揮發(fā)性小分子產(chǎn)生。小分子產(chǎn)生。主要應用主要應用：高速數(shù)字及高頻用印制電路板，高性：高速數(shù)字及高頻用印制電路板，高性能透波結(jié)構(gòu)材料和航空航天用高性能結(jié)構(gòu)復合材能透波結(jié)構(gòu)材料和航空航天用高性能結(jié)構(gòu)復合材料樹脂基體。料樹脂基體。2.2.1 改性氰酸酯改性氰酸酯 目的：目的：雖然氰酸酯樹脂有較好的抗沖擊性能，但其雖然氰酸酯樹脂有較好的抗沖擊性能，但其韌韌性性

41、仍不能滿足高性能航空結(jié)構(gòu)材料的要求。增韌改性仍不能滿足高性能航空結(jié)構(gòu)材料的要求。增韌改性的方法主要有：的方法主要有：與單官能度氰酸酯共聚，以降低網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)密度。與單官能度氰酸酯共聚，以降低網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)密度。與橡膠彈性體共混改性。與橡膠彈性體共混改性。與熱塑性塑料共混共固化形成半互穿網(wǎng)絡(luò)（與熱塑性塑料共混共固化形成半互穿網(wǎng)絡(luò)（SIPN）。）。橡膠增韌方法：一種新型橡膠增韌的氰酸酯樹脂體系橡膠增韌方法：一種新型橡膠增韌的氰酸酯樹脂體系是核是核-殼橡膠粒子增韌的殼橡膠粒子增韌的Xu-71787.02L樹脂體系，核樹脂體系，核-殼殼橡膠粒子增韌不會影響氰酸酯樹脂的耐熱性，而且它橡膠粒子增韌不會影響氰酸酯

42、樹脂的耐熱性，而且它對樹脂體系的流變性能影響也較小。少量的核對樹脂體系的流變性能影響也較小。少量的核-殼橡膠殼橡膠即可產(chǎn)生顯著的增韌效果。即可產(chǎn)生顯著的增韌效果。表表2-2 2-2 核核- -殼橡膠殼橡膠/Xu-71787/Xu-71787共混性能體系的性能共混性能體系的性能表表2-2 核核-殼橡膠殼橡膠/Xu-71787共混性能體系的性能共混性能體系的性能2.2.2 氰酸酯樹脂基復合材料的性能與應用氰酸酯樹脂基復合材料的性能與應用1）氰酸酯樹脂基復合材料的性能）氰酸酯樹脂基復合材料的性能 氰酸酯樹脂基復合材料具有氰酸酯樹脂基復合材料具有優(yōu)異的耐熱性、耐濕熱、優(yōu)異的耐熱性、耐濕熱、高抗沖擊和介

43、電性能等。高抗沖擊和介電性能等。石英纖維、無堿玻璃纖維和石英纖維、無堿玻璃纖維和Kevlar等纖維增強的氰酸酯樹脂基復合材料，它的溫等纖維增強的氰酸酯樹脂基復合材料，它的溫度范圍和頻率帶都很寬。度范圍和頻率帶都很寬。2）氰酸酯樹脂基復合材料的應用）氰酸酯樹脂基復合材料的應用廣泛應用于高速數(shù)字和高頻印制電路板、高性能透波廣泛應用于高速數(shù)字和高頻印制電路板、高性能透波材料和航空結(jié)構(gòu)材料。材料和航空結(jié)構(gòu)材料。具有良好的電性能和力學性能，它用于高性能飛機雷具有良好的電性能和力學性能，它用于高性能飛機雷達天線罩和機敏結(jié)構(gòu)蒙皮。達天線罩和機敏結(jié)構(gòu)蒙皮。由于其寬頻帶特征，并具有低而穩(wěn)定的介電常數(shù)和介由于其寬

44、頻帶特征，并具有低而穩(wěn)定的介電常數(shù)和介電損耗角正切，因而也是制造隱身飛行器的材料之一。電損耗角正切，因而也是制造隱身飛行器的材料之一。2.3 熱固性聚酰亞胺樹脂基體熱固性聚酰亞胺樹脂基體 熱固性聚酰亞胺依據(jù)其活性封端基可分為三種熱固性聚酰亞胺依據(jù)其活性封端基可分為三種主要類型：主要類型：PMR聚酰亞胺：主要指聚酰亞胺：主要指Nadic酸酐封端的一類酸酐封端的一類聚酰亞胺；聚酰亞胺；乙炔封端聚酰亞胺；乙炔封端聚酰亞胺；雙馬來酰亞胺（雙馬來酰亞胺（BMI）。）。 本節(jié)主要介紹本節(jié)主要介紹PMR聚酰亞胺。聚酰亞胺。 2.3.1 PMR聚酰亞胺聚酰亞胺 PMR技術(shù)的特點：技術(shù)的特點：使用低相對分子質(zhì)量

45、、低黏度單體；使用低相對分子質(zhì)量、低黏度單體；使用低沸點溶劑；使用低沸點溶劑；由于亞胺化反應在固化交聯(lián)之前完成，最后固化階段由于亞胺化反應在固化交聯(lián)之前完成，最后固化階段沒有或很少有揮發(fā)分產(chǎn)生。沒有或很少有揮發(fā)分產(chǎn)生。PMR基復合材料制備工藝：基復合材料制備工藝：通常包括將封端基通常包括將封端基/芳香二芳香二胺胺/芳香二酸酐衍生物按一定摩爾比溶于低沸點溶劑獲芳香二酸酐衍生物按一定摩爾比溶于低沸點溶劑獲得得PMR聚酰亞胺溶液，然后濕法制備預浸料，加熱使聚酰亞胺溶液，然后濕法制備預浸料，加熱使其發(fā)生亞胺化反應，形成其發(fā)生亞胺化反應，形成MPR聚酰亞胺預聚體，最后聚酰亞胺預聚體，最后加熱加壓交聯(lián)固化

46、獲得復合材料（圖加熱加壓交聯(lián)固化獲得復合材料（圖2-1）。）。圖圖2-1 PMR聚酰亞胺復合材料制備過程示意圖聚酰亞胺復合材料制備過程示意圖 2.3.2 PMR聚酰亞胺性能特點聚酰亞胺性能特點PMR聚酰亞胺復合材料力學性能：聚酰亞胺復合材料力學性能：PMR聚酰亞胺的室聚酰亞胺的室溫拉伸和彎曲性能都和環(huán)氧復合材料相當，但溫拉伸和彎曲性能都和環(huán)氧復合材料相當，但LP-15/AS4復合材料的層間剪切強度略低。復合材料的層間剪切強度略低。 耐高溫性能：耐高溫性能：PMR聚酰亞胺交聯(lián)固化后形成高交聯(lián)密聚酰亞胺交聯(lián)固化后形成高交聯(lián)密度的熱固性聚合物，具有較度的熱固性聚合物，具有較BMI和環(huán)氧更優(yōu)異的高溫和

47、環(huán)氧更優(yōu)異的高溫力學性能，如下表力學性能，如下表2-3所示所示X5250-4：耐高溫：耐高溫BMIDK-his-BCB：聚苯并環(huán)：聚苯并環(huán)丁烯樹脂體系丁烯樹脂體系2.3.3 PMR聚酰亞胺改性聚酰亞胺改性 2.3.3.1 PMR聚酰亞胺增韌聚酰亞胺增韌目的：目的：PMR聚酰亞胺是脆性樹脂，聚酰亞胺是脆性樹脂，如如PMR-15復合材復合材料的料的GIC值僅為值僅為87J/m2。由于韌性差，因此。由于韌性差，因此PMR-15復復合材料在熱疲勞過程中容易產(chǎn)生微開裂等。合材料在熱疲勞過程中容易產(chǎn)生微開裂等。增韌方法：增韌方法：利用熱塑性聚酰亞胺共混增韌及在主鏈結(jié)利用熱塑性聚酰亞胺共混增韌及在主鏈結(jié)構(gòu)中

48、引入柔性鏈段提高韌性。構(gòu)中引入柔性鏈段提高韌性。效果：效果：增韌增韌PMR-15（La RC-RP-46）/5218聚酰亞胺聚酰亞胺復合材料彎曲強度、彎曲模量和剪切強度較未增韌聚復合材料彎曲強度、彎曲模量和剪切強度較未增韌聚酰亞胺復合材料有所下降，但增韌后復合材料的韌性酰亞胺復合材料有所下降，但增韌后復合材料的韌性有明顯的提高，見下表。有明顯的提高，見下表。表表2-4 增韌和未增韌聚酰亞胺增韌和未增韌聚酰亞胺復合材料的力學性能復合材料的力學性能 2.3.4 聚酰亞胺復合材料應用聚酰亞胺復合材料應用 聚酰亞胺復合材料具有高比強度、比模量以及聚酰亞胺復合材料具有高比強度、比模量以及優(yōu)異的熱氧化穩(wěn)定

49、性，使其成為可在優(yōu)異的熱氧化穩(wěn)定性，使其成為可在230230以以上上替代金屬材料使用的樹脂基復合材料。表替代金屬材料使用的樹脂基復合材料。表2-2-5 5為不同樹脂基復合材料的使用溫度范圍。為不同樹脂基復合材料的使用溫度范圍。 表表2-5 不同樹脂基復合材料使用溫度不同樹脂基復合材料使用溫度 聚酰亞胺復合材料應用聚酰亞胺復合材料應用 航空發(fā)動機上應用：航空發(fā)動機上應用：可明顯地減輕發(fā)動機的重量，提可明顯地減輕發(fā)動機的重量，提高發(fā)動機推重比。如聚酰亞胺復合材料在航空渦輪發(fā)高發(fā)動機推重比。如聚酰亞胺復合材料在航空渦輪發(fā)動機上具有較大的應用。包括動機上具有較大的應用。包括F404外涵道、外涵道、CF

50、6芯帽、芯帽、F100外魚鱗片，外魚鱗片，YF-120風扇靜止葉片、風扇靜止葉片、PLT-210壓氣壓氣機機匣、機機匣、F110AFT整流片等。整流片等。 B747熱防冰氣壓管道系統(tǒng)和熱防冰氣壓管道系統(tǒng)和F-15襟翼應用：襟翼應用：B747飛機原用鈦合金管道，全機防冰氣壓管道系統(tǒng)重飛機原用鈦合金管道，全機防冰氣壓管道系統(tǒng)重約約200kg。這些管道直徑多變，使用條件：。這些管道直徑多變，使用條件： 耐壓：耐壓：0.5MPa 最高使用溫度：最高使用溫度：232 最大氣流量：最大氣流量：12.4m3/s 使用期：使用期：50 000小時小時采用采用CF/PMR-15復合材料管道替代鈦合金管道后，全復

51、合材料管道替代鈦合金管道后，全機防冰氣壓管道系統(tǒng)重量下降約機防冰氣壓管道系統(tǒng)重量下降約125kg，減重效率達，減重效率達35%以上以上 第三章第三章 ACM成型工藝成型工藝傳統(tǒng)傳統(tǒng)FRPFRP成型方法：成型方法：手糊成型手糊成型模壓成型模壓成型纏繞成型纏繞成型拉擠成型拉擠成型噴射成型噴射成型液體成型（液體成型（LCMLCM）工藝）工藝纖維鋪放技術(shù)纖維鋪放技術(shù)先進固化技術(shù)先進固化技術(shù)先進成型技術(shù)：先進成型技術(shù)：3.1 復合材料復合材料液體成型（液體成型（LCM）工藝）工藝 復合材料液體成型工藝復合材料液體成型工藝LCM（Liquid Composite Molding）：指以）：指以RTM（ R

52、esin Transfer Molding）RFI（Resin Film Infusion）及）及SRIM（Structural Reaction Injection Molding）為代表的復合材料成型工藝）為代表的復合材料成型工藝技術(shù)。技術(shù)。主要原理：主要原理：首先在模腔中鋪放按性能和結(jié)構(gòu)要求設(shè)計好的增強材料預首先在模腔中鋪放按性能和結(jié)構(gòu)要求設(shè)計好的增強材料預成型體，再采用注射設(shè)備將專用樹脂體系注入閉合模腔或加熱熔化模成型體，再采用注射設(shè)備將專用樹脂體系注入閉合模腔或加熱熔化模腔內(nèi)的樹脂膜，通過樹脂流動排出模腔內(nèi)的氣體同時浸潤纖維，再經(jīng)腔內(nèi)的樹脂膜，通過樹脂流動排出模腔內(nèi)的氣體同時浸潤纖維

53、，再經(jīng)加熱固化、冷卻脫模，即可得到成型制品，圖加熱固化、冷卻脫模，即可得到成型制品，圖3-1為為LCM工藝原理圖。工藝原理圖。圖3-1 LCM工藝原理圖 LCM工藝包含工藝包含5個連續(xù)階段：個連續(xù)階段： 預成型體鋪放；預成型體鋪放； 合模；合模； 注射樹脂；注射樹脂； 樹脂固化；樹脂固化； 脫模。脫模。LCM工藝相對傳統(tǒng)工藝的優(yōu)點：工藝相對傳統(tǒng)工藝的優(yōu)點：（1）既可制造大型整體的復合材料構(gòu)件，又可制造各種）既可制造大型整體的復合材料構(gòu)件，又可制造各種精密的小型復合材料構(gòu)件；精密的小型復合材料構(gòu)件； （2）既能顯著縮短構(gòu)件生產(chǎn)周期，又可保證構(gòu)件的整體）既能顯著縮短構(gòu)件生產(chǎn)周期，又可保證構(gòu)件的整體

54、質(zhì)量；質(zhì)量；（3）強度及性能可靠性高）強度及性能可靠性高 ；（4）成型工藝簡單；）成型工藝簡單；（5）生產(chǎn)效率高；）生產(chǎn)效率高；（6）外表光滑；）外表光滑；（7）環(huán)保性能好。）環(huán)保性能好。 LCM工藝的技術(shù)難度：工藝的技術(shù)難度：（1）充模過程中，樹脂必須完全充滿模腔，充分浸潤纖）充模過程中，樹脂必須完全充滿模腔，充分浸潤纖維預成型體，應盡量避免產(chǎn)生氣泡和干斑等缺陷；維預成型體，應盡量避免產(chǎn)生氣泡和干斑等缺陷；（2）樹脂）樹脂/纖維流動浸潤過程的可控制性及可預見性較差；纖維流動浸潤過程的可控制性及可預見性較差；（3）工藝過程設(shè)計需多次實驗與反復；）工藝過程設(shè)計需多次實驗與反復；（4）工藝成本較高

55、）工藝成本較高 。3.2 纖維鋪放技術(shù)纖維鋪放技術(shù) 復合材料工業(yè)一直面臨的挑戰(zhàn)就是成本和自動化。復合材料工業(yè)一直面臨的挑戰(zhàn)就是成本和自動化。纖維纏繞纖維纏繞適于制造簡單的回轉(zhuǎn)體，如筒、罐、管、球、錐等，也可用來適于制造簡單的回轉(zhuǎn)體，如筒、罐、管、球、錐等，也可用來制備飛機機身、機翼及汽車車身等非回轉(zhuǎn)體部件。纖維纏繞成型的主要優(yōu)制備飛機機身、機翼及汽車車身等非回轉(zhuǎn)體部件。纖維纏繞成型的主要優(yōu)點是能夠按照制品的受力情況，將纖維按一定規(guī)律排布，從而能充分發(fā)揮點是能夠按照制品的受力情況，將纖維按一定規(guī)律排布，從而能充分發(fā)揮纖維的強度，獲得高的比強度；在工藝上易實現(xiàn)機械化及自動化生產(chǎn)，生纖維的強度，獲得

56、高的比強度；在工藝上易實現(xiàn)機械化及自動化生產(chǎn)，生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)效率高，制品質(zhì)量高而穩(wěn)定；產(chǎn)周期短，生產(chǎn)效率高，制品質(zhì)量高而穩(wěn)定；纏繞最大的缺點：纏繞最大的缺點：不適于制不適于制造帶凹曲表面的制件，使其適用范圍受到限制。造帶凹曲表面的制件，使其適用范圍受到限制。帶鋪放成型：帶鋪放成型：則適于制造大的、平的及等高曲面的制件則適于制造大的、平的及等高曲面的制件。 纖維鋪放技術(shù)最早于纖維鋪放技術(shù)最早于20世紀世紀80年代初在美國開始探索性研究，通過對年代初在美國開始探索性研究，通過對不同纖維纏繞和纖維鋪放的設(shè)備結(jié)構(gòu)的研究，于不同纖維纏繞和纖維鋪放的設(shè)備結(jié)構(gòu)的研究，于80年代中期后，研發(fā)出年代中期后，研

57、發(fā)出了纖維鋪放設(shè)備，如圖了纖維鋪放設(shè)備，如圖3-2、3-3所示。這套設(shè)備有七個坐標，并且由計算所示。這套設(shè)備有七個坐標，并且由計算機程序控制。機程序控制。圖圖3-2給出給出纖維鋪放頭的示意圖和必需的工藝功能纖維鋪放頭的示意圖和必需的工藝功能 圖圖3-3 纖維鋪放頭的示意圖纖維鋪放頭的示意圖由由Cincnari Milacron開發(fā)的纖維鋪放的主要特點是：開發(fā)的纖維鋪放的主要特點是：通過通過3坐標的腕關(guān)節(jié)傳輸纖維帶；坐標的腕關(guān)節(jié)傳輸纖維帶； 不同的紗束進給速度；不同的紗束進給速度； 紗束的切斷紗束的切斷-夾緊和再啟動；夾緊和再啟動； 壓實。壓實。 3.3 3.3 先進固化技術(shù)先進固化技術(shù)當前所應

58、用的樹脂基當前所應用的樹脂基ACM基本上都是采用基本上都是采用加熱固化加熱固化成型的，成型的，如熱壓罐、熱壓機等。由于熱固化成型的工藝如熱壓罐、熱壓機等。由于熱固化成型的工藝周期長周期長，從，從數(shù)小時到數(shù)十小時，造成復合材料制造成本較高，阻礙了數(shù)小時到數(shù)十小時，造成復合材料制造成本較高，阻礙了復合材料在國防工業(yè)及民用領(lǐng)域中的廣泛應用。同時，熱復合材料在國防工業(yè)及民用領(lǐng)域中的廣泛應用。同時，熱固化復合材料采用的固化復合材料采用的固化劑和有機溶劑往往是有毒固化劑和有機溶劑往往是有毒的，造的，造成對環(huán)境和操作人員的危害。成對環(huán)境和操作人員的危害。 電子束固化成型：電子束固化成型：利用高能電子束引發(fā)預

59、浸料中的樹脂基利用高能電子束引發(fā)預浸料中的樹脂基體發(fā)生交聯(lián)反應，制造高交聯(lián)密度的熱固性樹脂基復合材料體發(fā)生交聯(lián)反應，制造高交聯(lián)密度的熱固性樹脂基復合材料的方法。的方法。 3.3.1 電子束固化成型電子束固化成型 電子束固化優(yōu)點電子束固化優(yōu)點 a、更低的成本：、更低的成本：由于能夠室溫或低溫固化，使得由于能夠室溫或低溫固化，使得 材料的固化收縮率低材料的固化收縮率低，有利于構(gòu)件的尺寸控制，提高構(gòu)件，有利于構(gòu)件的尺寸控制，提高構(gòu)件的合格率；的合格率； 減小了固化復合材料的殘余應力減小了固化復合材料的殘余應力，減小復合材料的殘余應，減小復合材料的殘余應力和提高構(gòu)件的尺寸精度能降低構(gòu)件的工裝成本，同時

60、減小力和提高構(gòu)件的尺寸精度能降低構(gòu)件的工裝成本，同時減小構(gòu)件的殘余應力也能提高復合材料的熱疲勞性能；構(gòu)件的殘余應力也能提高復合材料的熱疲勞性能； 模具成本低：模具成本低：由于低的固化溫度，可以采用低成本的模具由于低的固化溫度，可以采用低成本的模具材料，如泡沫、石膏和木材等，以代替價格昂貴、加工困難材料，如泡沫、石膏和木材等，以代替價格昂貴、加工困難的鋼和復合材料等。的鋼和復合材料等。 低能耗：低能耗：復合材料電子束固化所需能量僅為熱固化的復合材料電子束固化所需能量僅為熱固化的1/201/10。 b、高效率：、高效率：固化速度快，成型周期短，例如一個固化速度快，成型周期短，例如一個1.6pj、5