先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料

1、先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料,材料科學(xué)與工程學(xué)院,2011年9月,材料學(xué),課程內(nèi)容,前言1. 先進(jìn)增強(qiáng)材料2. 高性能樹(shù)脂基體3. 先進(jìn)制造工藝4. 先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)用,前 言,先進(jìn)復(fù)合材料（ACM）:由高性能的基體(聚合物、金屬或陶瓷等)與高性能纖維材料，通過(guò)特定的成型工藝復(fù)合而成的復(fù)合材料。ACM特性：比強(qiáng)度和比剛度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、抗疲勞斷裂性能好、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好以及適于大面積整體成形的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用：已成為支撐航

2、空、航天和國(guó)防尖端技術(shù)領(lǐng)域的最重要的結(jié)構(gòu)材料。NASA最早成立ACM研究機(jī)構(gòu)，并開(kāi)展相關(guān)材料技術(shù)的研究。ACM的發(fā)展和應(yīng)用是現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)活動(dòng)中成長(zhǎng)最快的，對(duì)促進(jìn)世界各國(guó)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。,我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀,始于1969年，研究應(yīng)用主要集中于國(guó)防以及航空和航天工業(yè)。開(kāi)始系統(tǒng)、完整、有計(jì)劃地開(kāi)展ACM研究是從“六五”計(jì)劃期間開(kāi)始。經(jīng)過(guò)20多年的努力，國(guó)家通過(guò)中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃的指導(dǎo)以及各種科研計(jì)劃的支持，使我國(guó)

3、ACM的研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。 ACM技術(shù)及發(fā)展先進(jìn)的增強(qiáng)材料；高性能樹(shù)脂基體；成型工藝技術(shù)；ACM在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。,1 先進(jìn)增強(qiáng)材料,先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料常用的增強(qiáng)纖維包括碳纖維和其他高性能有機(jī)纖維。 碳纖維(CF)的研究：主要是如何提高模量和強(qiáng)度、降低生產(chǎn)成本。 高性能有機(jī)纖維開(kāi)發(fā)：包括柔性鏈結(jié)構(gòu)的超高分子量聚乙烯纖維(UHMPE )、芳綸纖維（Kevlar）、剛性鏈結(jié)構(gòu)的PBO纖維等。 改性：各種

4、纖維都有自身的優(yōu)勢(shì)，但也存在不足和缺點(diǎn)，需要改性。,2 高性能樹(shù)脂基體,樹(shù)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。環(huán)氧樹(shù)脂（EP）：具有工藝性能好、綜合力學(xué)性能好和價(jià)格便宜等一系列優(yōu)點(diǎn)，但耐濕熱性能較差。氰酸酯樹(shù)脂（AC）：吸濕率低、韌性好、介電性能好。是未來(lái)結(jié)構(gòu)/功能一體化的優(yōu)良材料，氰酸酯樹(shù)脂一般需要較高的后處理溫度，這給使用帶來(lái)不便。雙馬來(lái)酰亞胺 (BMI)：耐濕熱性能和耐熱性均優(yōu)于環(huán)氧樹(shù)脂。BM

5、I可以和多種化合物共聚以改善其韌性。 耐高溫聚酰亞胺（PMR）：更高耐溫等級(jí)，可在350℃以上長(zhǎng)期使用。,3 先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料的成型技術(shù),ACM制造成本在產(chǎn)品中占用很大的比重，而目前影響ACM廣泛使用的最大障礙是價(jià)格問(wèn)題。因此如何發(fā)展新的制造技術(shù)，降低先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料的制造成本，是當(dāng)前先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料研究的重點(diǎn)。,先進(jìn)成型技術(shù),熱壓罐成型技術(shù)：是ACM的主要成型技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是成型的復(fù)合材料性能高，質(zhì)量穩(wěn)定并適合大型復(fù)雜外形復(fù)

6、合材料構(gòu)件的成型，缺點(diǎn)是設(shè)備投資大，能耗高，制造成本高。預(yù)成型體/液體成型工藝技術(shù)(LCM)：是先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料低成本制造技術(shù)的一個(gè)重要方向，已獲得成功的有RTM和RFI等。纖維纏繞技術(shù)：多自由度準(zhǔn)確、自動(dòng)化、異形結(jié)構(gòu)纏繞技術(shù)，近年來(lái)也得到了相當(dāng)快的發(fā)展。纖維鋪放技術(shù)：大型結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化鋪放成型設(shè)備及控制技術(shù)。先進(jìn)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(shù)脂聚合和交聯(lián)的電子束固化技術(shù)，可節(jié)約制造成本20%-

7、60%。光固化技術(shù)、微波固化技術(shù)：由液態(tài)的單體或預(yù)聚物受紫外或可見(jiàn)光、微波的照射經(jīng)聚合反應(yīng)轉(zhuǎn)化為固化聚合物的過(guò)程。固化過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)：利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)固化過(guò)程，并通過(guò)智能反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)進(jìn)行控制。,4　先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料的發(fā)展方向,高性能纖維和高韌性樹(shù)脂的應(yīng)用可提高ACM的各種綜合性能和放寬設(shè)計(jì)許用值，從而可將減重效率由目前的20%-25%提高到30%或更高。(1) 提高組分性能纖維： 向高性能化、輕量化方向發(fā)展

8、。 碳纖維由T300、AS4轉(zhuǎn)向T800、IM7，如F-22、EF2000、B777等均用T800，與T300相比其性能可提高30%~40%。樹(shù)脂：選用改性雙馬BMI和改性環(huán)氧，如F-22主承力結(jié)構(gòu)用5250-4BMI樹(shù)脂，耐溫達(dá)200℃。B777采用3900-2高韌性環(huán)氧樹(shù)脂。第四代韌性雙馬樹(shù)脂5260，耐溫230℃，較適合于民航機(jī)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 除繼續(xù)采用成熟的熱壓罐成型技術(shù)外，還應(yīng)對(duì)編

9、織/RTM、縫編/RTM、纏繞、拉擠、注塑等。(3) 重點(diǎn)開(kāi)發(fā)低成本制造技術(shù) 降低成本應(yīng)從設(shè)計(jì)、材料、制造、使用、維護(hù)等多方面綜合考慮，應(yīng)推廣大絲束纖維(48-320K)、RTM工藝、固化自動(dòng)監(jiān)控、整體成型和真空輔助成型等技術(shù)的應(yīng)用。美國(guó)準(zhǔn)備通過(guò)低成本技術(shù)研究，設(shè)想在10-15年的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)主要復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造成本降低一個(gè)數(shù)量級(jí)的目標(biāo)。(4) 發(fā)展ACM結(jié)構(gòu)/功能一體化的綜合技術(shù) ACM技術(shù)正向著技術(shù)綜合

10、化、功能多樣化（隱身、防熱）和智能化方向發(fā)展。,第一章 ACM中的高性能先進(jìn)增強(qiáng)材料,1.1 碳纖維,按力學(xué)性能分類 :高強(qiáng)型（HT）、超高強(qiáng)型（UHT）、高模量型（HM）、超高模量型（UHM）,按制造先驅(qū)體來(lái)分類:聚丙烯腈基（PAN）碳纖維、瀝青基碳纖維和人造絲（粘膠絲）碳纖維,表1-1 日本東麗公司碳纖維及其特性,,,,高強(qiáng)度,高模量,低密度,表1-2 碳纖維復(fù)合材料在工業(yè)中的應(yīng)用和特性,比強(qiáng)度、比模量高,低

11、線膨脹系數(shù),阻尼性好,生物相容性好,抗疲勞性能好,導(dǎo)電性,,,,,,,,1.2 聚芳酰胺纖維（Kevlar）,聚芳酰胺纖維：是芳香族酰胺纖維的總稱 。聚芳酰胺纖維在20世紀(jì)70年代由杜邦公司率先產(chǎn)業(yè)化,注冊(cè)商標(biāo)為Kevlar系列。 品種：Kevlar纖維為對(duì)位芳酰胺纖維。第一代產(chǎn)品：RI型、29型和49型；第二代產(chǎn)品KevlarHX系列：高粘接型Ha、高強(qiáng)型Ht（129）、原液著色型Hc（100）、高性能中模型Hp（68）、

12、高模型Hm（149）和高伸長(zhǎng)型He（119）。典型的物理性能表1-3。,表1-3各種Kevlar纖維的物理性能,,,,較高強(qiáng)度,低密度,較高耐溫,中國(guó)芳綸纖維的研究：從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，某些小試產(chǎn)品性能已達(dá)到Kevlar49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。芳綸纖維主要應(yīng)用：在航天、航空、石油、建材、交通、運(yùn)輸和公安部門(mén)，特別在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、防彈衣、輪胎、纜索和石棉代用品等方面。殼體容器：由

13、于芳綸纖維的比強(qiáng)度、比模量明顯優(yōu)于高強(qiáng)GF，芳綸發(fā)動(dòng)機(jī)殼體比GF/EP的殼體容器特性系數(shù)pV/W（p為容器爆破壓力，V為容器容積，W為容器質(zhì)量）提高30%以上。使固體發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵指標(biāo)質(zhì)量比突破0.92，大幅度增加導(dǎo)彈的射程。大量應(yīng)用于制造先進(jìn)的飛機(jī)：其應(yīng)用部位有發(fā)動(dòng)機(jī)艙、中央發(fā)動(dòng)機(jī)整流罩、機(jī)翼與機(jī)身整流罩等飛機(jī)部件。此外，飛機(jī)高壓輪油膠管也大量使用芳綸纖維。船舶：制造戰(zhàn)艦的防護(hù)裝甲以及聲納導(dǎo)流罩等,是一種極有前途的重要的航空材料。,

14、1.3 有機(jī)雜環(huán)類纖維,kevlar纖維弱點(diǎn)：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)代航天、航空等高技術(shù)領(lǐng)域的要求。近代理論和實(shí)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，不但纖維的力學(xué)性能較Kevlar纖維有所提高，其熱穩(wěn)定性也更接近于有機(jī)聚合物晶體的理論極限值。有機(jī)雜環(huán)類纖維：在高分子主鏈中含有苯并雙雜環(huán)的對(duì)位芳香聚合物如聚苯并惡唑（PBO），聚苯并噻唑（PBT），聚

15、苯并咪唑（PBI）為代表的有機(jī)雜環(huán)類纖維，被認(rèn)為是新一代新型高分子材料（高強(qiáng)度、高模量及耐高溫）纖維的代表。其纖維在21世紀(jì)產(chǎn)業(yè)化。,1.3.1 聚苯并二惡唑（PBO）纖維,PBO纖維的結(jié)構(gòu)：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)紡絲形成的高度取向的有序結(jié)構(gòu)。性能：拉伸強(qiáng)度為4.8~6.2GPa，斷裂伸長(zhǎng)率為2.4%，彈性模量為280~406GPa，相對(duì)密度為1.56，吸濕率＜1%，分解溫度670℃

16、，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(xì)，可制備不同的形式如連續(xù)纖維、精紡細(xì)紗、布、縫合織物、短切纖維、漿粕等。,表1-4 PBO纖維與其他品種纖維性能對(duì)比,PBO纖維最突出的性能：是拉伸強(qiáng)度和彈性模量高，約是kevlar纖維的2倍，LOI值高2.6倍。,,,主要應(yīng)用： ①高強(qiáng)繩索以及高性能帆布； ②高強(qiáng)復(fù)合材料：PBO纖維可以同時(shí)滿足輕質(zhì)高強(qiáng)度、高模量、耐高溫要求，因此在特種壓

17、力容器、高級(jí)體育運(yùn)動(dòng)競(jìng)技用品等方面具有巨大的應(yīng)用潛力； ③防彈抗沖擊材料：PBO纖維復(fù)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(yīng)用，如制造飛機(jī)機(jī)身、防彈衣、頭盔等； ④其他特種防護(hù)材料：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(hù)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。不足之處： ①壓縮性能差：PBO自身分子結(jié)構(gòu)決定的；

18、 ②界面粘接性差：PBO纖維與聚合物基體的粘結(jié)性能比芳綸還低，限制了PBO纖維在高性能復(fù)合材料中的應(yīng)用，通常需要對(duì)纖維進(jìn)行表面處理。,生產(chǎn)現(xiàn)狀：PBO產(chǎn)品有美國(guó)和日本東洋紡織公司生產(chǎn)的PBO—AS，日本東洋紡織公司開(kāi)發(fā)出名為Zylon和PBO—HM的高性能PBO纖維，還有荷蘭阿克蘇的PBO—M5，杜邦公司的PBO等九種牌號(hào)。,1.3.2 聚苯并噻唑（PBT）纖維,PBT：在高分子主鏈中含有苯并噻唑重復(fù)單元的耐高溫、高模量芳雜環(huán)聚合

19、物，簡(jiǎn)稱PBT。性能見(jiàn)表1-4.具有高性能原因：除了必要的芳雜環(huán)化學(xué)結(jié)構(gòu)外，還有其分子鏈在軸向方向的高度取向。應(yīng)用：PBT纖維可用于石棉替代物和纜繩，是高性能復(fù)合材料的新型增強(qiáng)體?？椢镉糜诜缽椃⒑教祛I(lǐng)域中的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、太陽(yáng)能陣列、壓力閥和空間結(jié)構(gòu)架，是未來(lái)的宇航材料。中國(guó)：曾進(jìn)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(fù)雜，溶劑成本高，限制了PBT纖維的發(fā)展和應(yīng)用。,1.3.3 剛性高性能纖維—M5,M5：一

20、種剛性的聚合物纖維，商品名為Ｍ５，縮寫(xiě)為 PIPD。分子結(jié)構(gòu)：它與一些雜環(huán)的高性能纖維聚合物有一定的相似性，如 PBO、PBT（見(jiàn)下圖），但 PIPD 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(xué)性能,性能：抗拉強(qiáng)度： PPTA<CF<M5< PBO；模量： PPTA<CF<PBO<M5= 350 GPa；壓縮強(qiáng)度：PPTA<PBO<M5<CF，

21、歸因于 M5 的二維分子結(jié)構(gòu)。,M5、PBT 和 PBO 纖維的拉伸曲線,,表1-5 4種高性能纖維的一些性質(zhì),,高模量,1.3.3.2 Ｍ5的應(yīng)用前景,應(yīng)用：M5 可以作為ACM的增強(qiáng)材料在航空航天等領(lǐng)域大有用武之地；作為防護(hù)材料使用，如防彈材料、軍車外殼等。目前 M5 纖維還未真正應(yīng)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(xiǎn)需要、航空航天、國(guó)防建設(shè)、新型建筑、高速交通工具、海洋開(kāi)發(fā)、體育器械、新能源、

22、環(huán)境產(chǎn)業(yè)及防護(hù)用具等許多高技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。,1.4 超高分子量聚乙烯纖維- UHMWPE,20世紀(jì)80年代荷蘭DSM公司開(kāi)發(fā)了UHMWPE纖維，其彈性模量達(dá)到120GPa，拉伸強(qiáng)度達(dá)到4GPa左右，而且密度<1.0g/cm3。由于其原料價(jià)廉，對(duì)發(fā)展高比強(qiáng)度、高比模量、廉價(jià)的新型復(fù)合材料具有很大優(yōu)勢(shì)，國(guó)外很快實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。表1-6 UHMWPE纖維與其他高性能纖維的性能比較。,表1-6 UHMWPE纖維與其他高性能纖

23、維性能比較,,,最輕,很高,性能特點(diǎn)：密度?。?lt;0.97g/cm3，是Keavlar纖維的2/3，是高模量CF的1/2，是高性能纖維中密度最小的一種。其中Spectra1000纖維的比強(qiáng)度是芳綸和GF的135%，比CF高50%左右；比模量是芳綸的2.5倍。介電常數(shù)和介電損耗?。浩鋸?fù)合材料對(duì)電磁波的透過(guò)率大于GFRP，幾乎全透過(guò)，是制造雷達(dá)天線罩、光纖電纜加強(qiáng)芯最優(yōu)的新材料。高沖擊強(qiáng)度:在所有的高性能纖維中，UHMWPE纖維具

24、有最高的沖擊強(qiáng)度，如下表。,比吸收能：?jiǎn)挝恢亓克盏哪芰?,價(jià)格低：如美國(guó)Spectra纖維起始售價(jià)為49~61＄/kg，最近由于對(duì)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(yù)測(cè)其將來(lái)生產(chǎn)的UHMWPE纖維的價(jià)格僅為700~800日元/kg。這為擴(kuò)大其應(yīng)用范圍是一個(gè)十分有利的條件。應(yīng)用：,表1-8 UHMWPE纖維的應(yīng)用領(lǐng)域,UHMWPE纖維不足耐溫性差：一般聚乙烯纖維的熔點(diǎn)為134℃左右，高度取向的UHM

25、WPE纖維的熔點(diǎn)比Spectra900纖維高出10~20℃。當(dāng)溫度＜100℃時(shí)，UHMWPE纖維的強(qiáng)度高于芳綸纖維，但當(dāng)＞100℃時(shí)，強(qiáng)度迅速下降。所以UHMWPE不適用于90~100℃長(zhǎng)時(shí)間施加較大負(fù)荷的場(chǎng)合，使用溫度<70 ℃ 。界面粘接性差：UHMWPE纖維與PE的粘接性很差，加之蠕變等缺陷，必須對(duì)其表面進(jìn)行改性以改善纖維與基體的粘接性能。生產(chǎn)現(xiàn)狀： 荷蘭DSM公司、日本三井石油公司、美國(guó)Allied公司、日本東洋紡織株

26、式會(huì)社具有生產(chǎn)線。中國(guó)：于2000年建成400t/年的試生產(chǎn)線，稱之為強(qiáng)綸牌高模聚乙烯纖維。,,1.5 連續(xù)玄武巖纖維,連續(xù)玄武巖纖維（簡(jiǎn)稱 CBF）：是前蘇聯(lián)經(jīng)過(guò)了 30 多年的研究開(kāi)發(fā)。由于它性價(jià)比高，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，極具發(fā)展前景，尤其是最近幾年，中國(guó)也有了 CBF 的批量生產(chǎn)。生產(chǎn)方法：CBF 是以天然的火山噴出巖作為原料，將其破碎后加入熔窯中，在 1 450～1 500 ℃ 熔融后，通過(guò)鉑銠合金拉絲漏板制成的連續(xù)纖維。

27、 性能特點(diǎn)：它其它高科技纖維相比，具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如力學(xué)性能佳，耐高溫性能好，耐酸耐堿，抗紫外線性能強(qiáng)，吸濕性低，有更好的耐環(huán)境性能，此外，還有絕緣性能好，抗輻射、透波性能好等優(yōu)點(diǎn)。近幾年來(lái)，由于 CBF 良好的綜合性能和性價(jià)比，故 CBF 被譽(yù)為21 世紀(jì)的新材料。,,1.5.1 CBF的優(yōu)異性能,突出的耐溫性能：CBF 的使用溫度范圍為-269～700 ℃（軟化點(diǎn)為 960 ℃），在 600 ℃ 下工作時(shí)，其斷后強(qiáng)

28、度仍能夠保持 80 % 的原始強(qiáng)度；如果預(yù)先在 780～820 ℃ 下進(jìn)行處理，還能在 860 ℃ 下工作而不出現(xiàn)收縮。而CF在 300 ℃ 有CO和CO2產(chǎn)生； GF使用溫度為 -60～450 ℃； KF最高使用溫度也只有 250℃。突出的抗拉強(qiáng)度：CBF 的抗拉強(qiáng)度為 3.8～4.8 GPa，比大絲束CF、芳綸、PBI纖維、鋼纖維、硼纖維、氧化鋁纖維都要高，與 S 玻維相當(dāng)。表1-9 CBF主要性能及和其它纖維的對(duì)比,,很高,

29、,密度大,與硅酸鹽的天然相容性 CBF 在飽和 Ca(OH)2 溶液以及在水泥等堿性介質(zhì)中耐久性好，能保持高度的穩(wěn)定性，可代替鋼筋用作混凝土建筑結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)材料。利用 CBF 較高的抗拉強(qiáng)度和抗剪切強(qiáng)度這一特性，加上 CBF 具有天性的與水泥、混凝土的親和力和耐堿性，在建筑增強(qiáng)領(lǐng)域的應(yīng)用已顯示出它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿?。突出的化學(xué)穩(wěn)定性 CBF 含有的 K2O、MgO 和 TiO2 等成分對(duì)提高纖維耐化學(xué)腐蝕

30、及防水性能起到重要的作用。CBF 與 E 玻纖在 3 h 沸煮后纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)損失只有E-玻纖的1/4；在NaOH 的溶液里兩者分 別為 0.0275 和 0.06；在 HCl 中 CBF 僅損失 0.022，而 E -玻纖則損失 0.389。,顯著的抗熱振穩(wěn)定性 CBF 在 500 ℃ 下的抗熱振穩(wěn)定性仍然不變，原始質(zhì)量分?jǐn)?shù)損失不到 0.02；900 ℃ 時(shí)也僅損失 0.03。良好的介電性能

31、它的體積電阻率比 E 玻纖高一個(gè)數(shù)量級(jí)；玄武巖中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)不到 0.2 的導(dǎo)電氧化物。經(jīng)過(guò)用專門(mén)浸潤(rùn)劑處理的 CBF，其介電損失角正切比玻纖低 50 %，可用于制造新型耐熱介電材料。優(yōu)良的透波性能和一定的吸波性能 有人曾用 CBF 增強(qiáng)樹(shù)脂，在 8～18 GHz 下進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該材料未加任何其它吸波隱身材料而具有一定的吸波性能。據(jù)分析 CBF 中具有 0.2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的金屬氧化物，可能是氧化鐵、氧化鈦成分

32、，使其具有了一定的吸波性能。如果進(jìn)一步調(diào)整成分、樹(shù)脂體系內(nèi)再加上吸收劑或吸波涂層，可能會(huì)有更好的吸波性能。,1.5.2 CBF在軍工及民用領(lǐng)域的主要應(yīng)用,美國(guó)德州的 CBF 工業(yè)聯(lián)盟指出：“CBF 是CF的低價(jià)替代品，具有一系列優(yōu)異性能，尤為重要的是，由于它取自天然礦石而無(wú)添加劑，是目前唯一的無(wú)環(huán)境污染的不致癌的綠色健康玻璃質(zhì)纖維產(chǎn)品。美國(guó)作為世界保護(hù)環(huán)境的倡導(dǎo)者，將全力發(fā)展無(wú)污染的綠色工業(yè)材料，所以 CBF 在復(fù)合材料的增強(qiáng)材料領(lǐng)域

33、的應(yīng)用，已引起廣泛的重視并將快速發(fā)展”。CBF就是繼CF、芳綸、 UHMWPE纖維之后的第四大高技術(shù)纖維。它是 21世紀(jì)在國(guó)防軍工領(lǐng)域有著非常重要應(yīng)用的一種高技術(shù)纖維，是體現(xiàn)國(guó)防科技戰(zhàn)略布局的一種新材料。應(yīng)用：以 CBF 為增強(qiáng)體可制成各種性能優(yōu)異的復(fù)合材料，在航空航天、火箭、導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機(jī)、核潛艇等軍艦、坦克等武器裝備的國(guó)防軍工領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用?？稍谀承╊I(lǐng)域替代碳纖維，節(jié)約相關(guān)武器裝備的制造成本；可形成新的軍民兩用技術(shù)，寓軍于民，有

34、力地推動(dòng)我國(guó)未來(lái)這一重大高科技產(chǎn)業(yè)的形成。,CBF 用于防火服：由于其起本身的特性，用于防火服領(lǐng)域有較大的優(yōu)勢(shì)。CBF 是無(wú)機(jī)纖維，具有不燃性、耐溫性、無(wú)毒氣體排出、絕熱性好、無(wú)熔融或滴落、強(qiáng)度高、無(wú)熱收縮現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是密度>KF，穿著的舒適感不如芳綸防火服。如果 CBF 與其它纖維混紡可制成阻燃面料，用于部隊(duì)的相關(guān)裝備顯然是有明顯優(yōu)勢(shì)。防彈材料： UHMWPE纖維被用作柔性防彈材料的首選原材料，但是用它制成無(wú)緯布作柔性防彈

35、材料時(shí)發(fā)現(xiàn)外表面幾層明顯有彈頭擊穿的熔灼現(xiàn)象，因?yàn)閁HMWPE纖維的耐熱性能低。CBF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(mén)等，有廣闊的應(yīng)用前景。 絕熱隔音：CBF 在船舶工業(yè)中可大量用于船殼體、機(jī)艙絕熱隔音和上層建筑。阻燃材料：用 CBF 蜂窩板可制成火車車廂板，既減輕了車廂的質(zhì)量，又是一種良好的阻燃材料。據(jù)悉美國(guó)通過(guò)福特、通用等正在著手起草制訂采用 CBF 替代CF作增強(qiáng)材料的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。德國(guó)在

36、CBF 這方面的應(yīng)用研究也已開(kāi)展了多年。我國(guó)的汽車工業(yè)應(yīng)該關(guān)注這一新材料應(yīng)用的發(fā)展動(dòng)向。,第二章、ACM的基體,2.1 雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂基體——BMI,2.1.1 引 言 雙馬來(lái)酰亞胺（簡(jiǎn)稱BMI或雙馬）是以馬來(lái)酰亞胺為活性端基的雙官能團(tuán)化合物，其通式如下式所示。,特點(diǎn)：BMI樹(shù)脂具有與典型的熱固性樹(shù)脂相似的流動(dòng)性，可用與環(huán)氧樹(shù)脂類同的工藝方法進(jìn)行加工成形；同時(shí)，BMI樹(shù)脂具有良好的耐高溫、耐輻射、耐濕熱、吸濕

37、率低和線脹系數(shù)小等優(yōu)良特性，克服了環(huán)氧樹(shù)脂耐熱性相對(duì)較低和耐高溫聚酰亞胺樹(shù)脂成形溫度高壓力大的缺點(diǎn)，因此，近20年來(lái)，BMI樹(shù)脂得到了迅速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。國(guó)外：20世紀(jì)60年代末期，法國(guó)羅納-普朗克公司首先制出M-33BMI樹(shù)脂及其復(fù)合材料。從此，由BMI單體制備的BMI樹(shù)脂開(kāi)始引起了愈來(lái)愈多人的重視。我國(guó)：20世紀(jì)80年代后，國(guó)內(nèi)開(kāi)始了對(duì)先進(jìn)BMI復(fù)合材料樹(shù)脂基體的研究，獲得了一定的科研成果，已商品化的BMI樹(shù)脂主要有QY891

38、1、QY9511、5405、5428、5429和4501等。主要缺點(diǎn)：韌性差 。,2.1.2 BMI的改性方法,2.1.2.1 熱塑性樹(shù)脂改性BMI 可以在基本上不降低基體樹(shù)脂耐熱性和力學(xué)性能的前提下實(shí)現(xiàn)增韌。目前常用TP樹(shù)脂主要有聚苯并咪唑（PBI）、聚醚砜（PES）、聚醚酰亞胺（PEI）和聚海因（PH）、改性聚醚酮（PEK-C）和改性聚醚砜（PES-C）等。2.1.2.2 環(huán)氧改性BMI 開(kāi)發(fā)較早且比

39、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(qiáng)材料之間的界面粘結(jié)，也可改善BMI樹(shù)脂體系的韌性。2.1.2.3 氰酸酯改性BMI 利用環(huán)氧改性BMI是以犧牲BMI樹(shù)脂的耐熱性為代價(jià)；采用TP樹(shù)脂增韌BMI，是以體系粘度大幅增加為代價(jià)。若以氰酸酯（CE）改性BMI樹(shù)脂體系可克服上述缺點(diǎn)。,2.1.3 BMI樹(shù)脂及其復(fù)合材料的應(yīng)用,1）絕緣材料： 主要用作高溫預(yù)浸漆、層合板、覆銅板及模壓塑料等。具有優(yōu)異的耐老化

40、性能、耐熱性能、粘接力及化學(xué)腐蝕性能。 2）耐磨材料： 用作金剛石砂輪、重負(fù)荷砂輪、剎車片和耐高溫軸承黏合劑等。3）航空航天結(jié)構(gòu)材料： 主要與碳纖維層合,制備連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料, 用作軍機(jī)或民機(jī)或宇航器件的承力構(gòu)件,如用作機(jī)翼蒙皮、尾翼、垂尾、機(jī)身和骨架等。 表2-1 高性能BMI復(fù)合材料在航空工業(yè)中的應(yīng)用。,表2-1 幾種主要BMI樹(shù)脂在航空領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用,2.2 氰酸酯樹(shù)脂基體（CE）,定義：含有兩個(gè)或者兩個(gè)以上

41、氰酸酯官能團(tuán)的酚衍生物，它在熱和催化劑作用下發(fā)生三環(huán)反應(yīng)，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(diǎn)：高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（240~290℃），低收縮率，低吸濕率（＜1.5%），優(yōu)良的力學(xué)性能和粘結(jié)性能等，而且它具有與環(huán)氧樹(shù)脂相似的加工工藝性，可在177℃下固化，并在固化過(guò)程中揮發(fā)性小分子產(chǎn)生。主要應(yīng)用：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(fù)合材料樹(shù)脂基體。,,2.2.1 改性氰酸酯目的：雖然氰酸

42、酯樹(shù)脂有較好的抗沖擊性能，但其韌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：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(shù)脂體系是核-殼橡膠粒子增韌的Xu-71787.02L樹(shù)脂體系，核-殼橡膠粒子增韌不會(huì)影響氰酸酯樹(shù)脂的耐熱性，而且它對(duì)樹(shù)脂體系的流變性能影響也較小。少量的核-殼橡膠即可產(chǎn)生顯著的增韌效果

43、。表2-2 核-殼橡膠/Xu-71787共混性能體系的性能,表2-2 核-殼橡膠/Xu-71787共混性能體系的性能,2.2.2 氰酸酯樹(shù)脂基復(fù)合材料的性能與應(yīng)用,1）氰酸酯樹(shù)脂基復(fù)合材料的性能 氰酸酯樹(shù)脂基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐熱性、耐濕熱、高抗沖擊和介電性能等。石英纖維、無(wú)堿玻璃纖維和Kevlar等纖維增強(qiáng)的氰酸酯樹(shù)脂基復(fù)合材料，它的溫度范圍和頻率帶都很寬。2）氰酸酯樹(shù)脂基復(fù)合材料的應(yīng)用廣泛應(yīng)用于高速數(shù)字和高頻印制電

44、路板、高性能透波材料和航空結(jié)構(gòu)材料。具有良好的電性能和力學(xué)性能，它用于高性能飛機(jī)雷達(dá)天線罩和機(jī)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(shù)脂基體,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：PMR聚酰亞胺：主要指Nadic酸酐封端的一類聚酰亞胺；乙炔封端聚酰亞胺；雙馬來(lái)酰亞胺（BMI）。 本節(jié)主要介紹PMR聚酰亞胺。,2

45、.3.1 PMR聚酰亞胺,PMR技術(shù)的特點(diǎn)：使用低相對(duì)分子質(zhì)量、低黏度單體；使用低沸點(diǎn)溶劑；由于亞胺化反應(yīng)在固化交聯(lián)之前完成，最后固化階段沒(méi)有或很少有揮發(fā)分產(chǎn)生。PMR基復(fù)合材料制備工藝：通常包括將封端基/芳香二胺/芳香二酸酐衍生物按一定摩爾比溶于低沸點(diǎn)溶劑獲得PMR聚酰亞胺溶液，然后濕法制備預(yù)浸料，加熱使其發(fā)生亞胺化反應(yīng)，形成MPR聚酰亞胺預(yù)聚體，最后加熱加壓交聯(lián)固化獲得復(fù)合材料（圖2-1）。,,圖2-1 PMR聚酰亞胺復(fù)合

46、材料制備過(guò)程示意圖,2.3.2 PMR聚酰亞胺性能特點(diǎn),PMR聚酰亞胺復(fù)合材料力學(xué)性能：PMR聚酰亞胺的室溫拉伸和彎曲性能都和環(huán)氧復(fù)合材料相當(dāng)，但LP-15/AS4復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度略低。 耐高溫性能：PMR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BMI和環(huán)氧更優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，如下表2-3所示,,X5250-4：耐高溫BMIDK-his-BCB：聚苯并環(huán)丁烯樹(shù)脂體系,,,2.3.3 PMR聚酰亞胺改性,2.

47、3.3.1 PMR聚酰亞胺增韌目的：PMR聚酰亞胺是脆性樹(shù)脂，如PMR-15復(fù)合材料的GIC值僅為87J/m2。由于韌性差，因此PMR-15復(fù)合材料在熱疲勞過(guò)程中容易產(chǎn)生微開(kāi)裂等。增韌方法：利用熱塑性聚酰亞胺共混增韌及在主鏈結(jié)構(gòu)中引入柔性鏈段提高韌性。效果：增韌PMR-15（La RC-RP-46）/5218聚酰亞胺復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和剪切強(qiáng)度較未增韌聚酰亞胺復(fù)合材料有所下降，但增韌后復(fù)合材料的韌性有明顯的提高，見(jiàn)下表。,

48、表2-4 增韌和未增韌聚酰亞胺復(fù)合材料的力學(xué)性能,,,2.3.4 聚酰亞胺復(fù)合材料應(yīng)用,聚酰亞胺復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、比模量以及優(yōu)異的熱氧化穩(wěn)定性，使其成為可在230℃以上替代金屬材料使用的樹(shù)脂基復(fù)合材料。表2-5為不同樹(shù)脂基復(fù)合材料的使用溫度范圍。,表2-5 不同樹(shù)脂基復(fù)合材料使用溫度,,聚酰亞胺復(fù)合材料應(yīng)用,航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用：可明顯地減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比。如聚酰亞胺復(fù)合材料在航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上具有較大的應(yīng)用。包括F40

49、4外涵道、CF6芯帽、F100外魚(yú)鱗片，YF-120風(fēng)扇靜止葉片、PLT-210壓氣機(jī)機(jī)匣、F110AFT整流片等。。B747熱防冰氣壓管道系統(tǒng)和F-15襟翼應(yīng)用：B747飛機(jī)原用鈦合金管道，全機(jī)防冰氣壓管道系統(tǒng)重約200kg。這些管道直徑多變，使用條件： 耐壓：0.5MPa 最高使用溫度：23

50、2℃ 最大氣流量：12.4m3/s 使用期：50 000小時(shí)采用CF/PMR-15復(fù)合材料管道替代鈦合金管道后，全機(jī)防冰氣壓管道系統(tǒng)重量下降約125kg，減重效率達(dá)35%以上,第三章 ACM成型工藝,傳統(tǒng)FRP成型方法：手糊成型模壓成型纏繞成型拉擠成型噴射成型,,液體成型（LCM）工藝

51、纖維鋪放技術(shù)先進(jìn)固化技術(shù),先進(jìn)成型技術(shù)：,3.1 復(fù)合材料液體成型（LCM）工藝,復(fù)合材料液體成型工藝LCM（Liquid Composite Molding）：指以RTM（ Resin Transfer Molding）RFI（Resin Film Infusion）及SRIM（Structural Reaction Injection Molding）為代表的復(fù)合材料成型工藝技術(shù)。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(jì)好

52、的增強(qiáng)材料預(yù)成型體，再采用注射設(shè)備將專用樹(shù)脂體系注入閉合模腔或加熱熔化模腔內(nèi)的樹(shù)脂膜，通過(guò)樹(shù)脂流動(dòng)排出模腔內(nèi)的氣體同時(shí)浸潤(rùn)纖維，再經(jīng)加熱固化、冷卻脫模，即可得到成型制品，圖3-1為L(zhǎng)CM工藝原理圖。,圖3-1 LCM工藝原理圖,LCM工藝包含5個(gè)連續(xù)階段：,⑴ 預(yù)成型體鋪放； ⑵ 合模； ⑶ 注射樹(shù)脂； ⑷ 樹(shù)脂固化； ⑸ 脫模。,LCM工藝相對(duì)傳統(tǒng)工藝的優(yōu)點(diǎn)：,（1）既可制造大型整體的復(fù)合材料構(gòu)件，又可制造各種精密的小

53、型復(fù)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)件的整體質(zhì)量；（3）強(qiáng)度及性能可靠性高 ；（4）成型工藝簡(jiǎn)單；（5）生產(chǎn)效率高；（6）外表光滑；（7）環(huán)保性能好。,LCM工藝的技術(shù)難度：,（1）充模過(guò)程中，樹(shù)脂必須完全充滿模腔，充分浸潤(rùn)纖維預(yù)成型體，應(yīng)盡量避免產(chǎn)生氣泡和干斑等缺陷；（2）樹(shù)脂/纖維流動(dòng)浸潤(rùn)過(guò)程的可控制性及可預(yù)見(jiàn)性較差；（3）工藝過(guò)程設(shè)計(jì)需多次實(shí)驗(yàn)與反復(fù)；（4）工藝成本較高 。,3.2 纖維鋪

54、放技術(shù),復(fù)合材料工業(yè)一直面臨的挑戰(zhàn)就是成本和自動(dòng)化。纖維纏繞適于制造簡(jiǎn)單的回轉(zhuǎn)體，如筒、罐、管、球、錐等，也可用來(lái)制備飛機(jī)機(jī)身、機(jī)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(diǎn)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(qiáng)度，獲得高的比強(qiáng)度；在工藝上易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化及自動(dòng)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；纏繞最大的缺點(diǎn)：不適于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：則適于制造大

55、的、平的及等高曲面的制件。,纖維鋪放技術(shù)最早于20世紀(jì)80年代初在美國(guó)開(kāi)始探索性研究，通過(guò)對(duì)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)出了纖維鋪放設(shè)備，如圖3-2、3-3所示。這套設(shè)備有七個(gè)坐標(biāo)，并且由計(jì)算機(jī)程序控制。,,圖3-2給出纖維鋪放頭的示意圖和必需的工藝功能,,圖3-3 纖維鋪放頭的示意圖,由Cincnari Milacron開(kāi)發(fā)的纖維鋪放的主要特點(diǎn)是：①　通過(guò)3坐標(biāo)的腕關(guān)節(jié)傳輸纖維帶； ②　不同的紗束

56、進(jìn)給速度； ③　紗束的切斷-夾緊和再啟動(dòng)； ④　壓實(shí)。,,3.3 先進(jìn)固化技術(shù)當(dāng)前所應(yīng)用的樹(shù)脂基ACM基本上都是采用加熱固化成型的，如熱壓罐、熱壓機(jī)等。由于熱固化成型的工藝周期長(zhǎng)，從數(shù)小時(shí)到數(shù)十小時(shí)，造成復(fù)合材料制造成本較高，阻礙了復(fù)合材料在國(guó)防工業(yè)及民用領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用。同時(shí)，熱固化復(fù)合材料采用的固化劑和有機(jī)溶劑往往是有毒的，造成對(duì)環(huán)境和操作人員的危害。,電子束固化成型：利用高能電子束引發(fā)預(yù)浸料中的樹(shù)脂基體發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，制造高交

57、聯(lián)密度的熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料的方法。,3.3.1 電子束固化成型,電子束固化優(yōu)點(diǎn),,a、更低的成本：由于能夠室溫或低溫固化，使得 材料的固化收縮率低，有利于構(gòu)件的尺寸控制，提高構(gòu)件的合格率； 減小了固化復(fù)合材料的殘余應(yīng)力，減小復(fù)合材料的殘余應(yīng)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(shí)減小構(gòu)件的殘余應(yīng)力也能提高復(fù)合材料的熱疲勞性能； 模具成本低：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(jià)格昂貴、

58、加工困難的鋼和復(fù)合材料等。 低能耗：復(fù)合材料電子束固化所需能量?jī)H為熱固化的1/20~1/10。,,b、高效率：固化速度快，成型周期短，例如一個(gè)1.6pj、50kW的電子加速器每小時(shí)能生產(chǎn)1800kg復(fù)合材料，熱壓罐固化速度的若干倍。法國(guó)Unipolis公司采用電子束固化成型技術(shù)8小時(shí)固化一個(gè)復(fù)合材料構(gòu)件，利用熱壓罐固化至少需要100小時(shí)。電子束固化工藝便于實(shí)現(xiàn)連續(xù)化操作，它可以與樹(shù)脂傳遞模塑、編織、纏繞、纖維鋪放和拉擠等成型工藝結(jié)合起

59、來(lái)，進(jìn)一步降低復(fù)合材料的制造成本，提高效率。,,c、低污染：電子束固化樹(shù)脂體系一般不用或者少用易揮發(fā)的有毒有機(jī)溶劑以及有毒和致癌的固化劑，對(duì)環(huán)境和人體的危害也隨之降低。,,d、可選擇局部固化： 熱固化工藝提供的是一個(gè)球形工藝溫度場(chǎng)，而電子束工藝所實(shí)施的是一個(gè)“瞄準(zhǔn)線”固化區(qū)。因此，電子束工藝可以在構(gòu)件上選擇需要固化的區(qū)域進(jìn)行電子束輻射固化，而不必對(duì)整個(gè)構(gòu)件進(jìn)行固化處理，這有利于減少制造成本。該工藝特別適合于復(fù)合材料修補(bǔ)。同時(shí)，便攜式電子

60、加速器的研制成功使電子束固化技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料構(gòu)件的外場(chǎng)修補(bǔ)成為可能。由于電子束固化材料的收縮率低，殘余應(yīng)力小，因此它也適合于對(duì)不同材料進(jìn)行共固化或者共粘接。,,e、適于制造大型構(gòu)件： 只要電子加速器的屏蔽室允許，可以固化很大的復(fù)合材料構(gòu)件。目前，最大的電子束固化設(shè)備在法國(guó)的Aerospatial，它可以制造5m×10m的復(fù)合材料構(gòu)件。而要建造一個(gè)如此大的熱壓罐是非常困難的。,,f、工藝性好：電子束固化樹(shù)脂體系一般不用或者少用

61、易揮發(fā)的有毒有機(jī)溶劑以及有毒和致癌的固化劑，對(duì)環(huán)境和人體的危害也隨之降低。,缺點(diǎn)：電子束及其產(chǎn)生的X射線需要防護(hù)設(shè)施加以隔離，以免對(duì)人造成傷害；固化過(guò)程中加壓困難。,光聚合的特點(diǎn)：與化學(xué)引發(fā)的聚合相比，光聚合的特點(diǎn)是聚合反應(yīng)所需的活化能低，因此它可以在很大的溫度范圍內(nèi)發(fā)生，特別是易于進(jìn)行低溫聚合。光聚合反應(yīng)條件：要求聚合體系中的某一組分必須能吸收某一波長(zhǎng)范圍的光能，并能進(jìn)一步分解或與其他分子相互作用而生成初級(jí)活性種。同時(shí)還要求在整個(gè)聚

62、合過(guò)種中所生成的大分子的化學(xué)鍵應(yīng)是能經(jīng)受光輻射的。因此，選擇適當(dāng)能量的光輻射使之能產(chǎn)生引發(fā)聚合的活性種是十分重要的。 措施：由于大多數(shù)單體、低聚物和預(yù)聚物通常在光照射下不能產(chǎn)生具有足夠量子效率的引發(fā)劑原核，所以，在使用時(shí)必須引入被稱為光引發(fā)劑或光敏劑的低分子量有機(jī)分子，提高介質(zhì)光吸收效率，引發(fā)聚合反應(yīng)進(jìn)行。 現(xiàn)狀：研制出了許多新穎的可光固化的預(yù)聚體、單體、活性稀釋劑及光引發(fā)劑、光敏劑品種，如膨脹性單體、元素有機(jī)類含硫、含磷的化合物、

63、用于可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍用的光引發(fā)劑/光敏劑、水性（兩親性）光引發(fā)劑/光敏劑等。,3.3.2 光固化技術(shù),光固化：是指由液態(tài)的單體或預(yù)聚物受紫外或可見(jiàn)光的照射經(jīng)聚合反應(yīng)轉(zhuǎn)化為固化聚合物的過(guò)程。,3.3.3 微波固化技術(shù),（一）、微波固化的原理,微波是頻率為109-1011Hz的電磁波。目前,傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為微波固化加速反應(yīng)主要是由于微波的“致熱效應(yīng)”,其固化機(jī)理是極性物質(zhì)在外加電磁場(chǎng)的作用下,內(nèi)部介質(zhì)極化產(chǎn)生的極化強(qiáng)度矢量落后于電場(chǎng)一個(gè)角度,導(dǎo)致

64、與電場(chǎng)相同的電流產(chǎn)生,構(gòu)成物質(zhì)內(nèi)部功率耗散,從而將微波能轉(zhuǎn)化為熱能,致使固化體系快速均勻升溫而加速反應(yīng)。,（二）、研究及應(yīng)用展望,微波固化作為一門(mén)新興的交叉學(xué)科,還有很問(wèn)題亟待進(jìn)一步的研究。從目前的研究現(xiàn)狀及微波固化應(yīng)用要求來(lái)看,對(duì)于環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料微波固化的研究,今后應(yīng)重點(diǎn)開(kāi)展以下幾方面的工作:,(1)微波固化作用機(jī)理的研究； (2)環(huán)氧樹(shù)脂微波固化體系的優(yōu)化。,第四章復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用,航空航天器的結(jié)構(gòu)體常常

65、把輕量化放在第一位，特別是從20世紀(jì)60年代后期開(kāi)始開(kāi)發(fā)了碳纖維后，其優(yōu)異的比強(qiáng)度、比剛性對(duì)機(jī)體的輕量化帶來(lái)了可能。70 年代，為了追求極限的運(yùn)動(dòng)性能，首先在要求迫切的戰(zhàn)斗機(jī)上采用復(fù)合材料，而在民用飛機(jī)上，70年代發(fā)生的石油危機(jī)成了采用復(fù)合材料的重大契機(jī)。 在采用復(fù)合材料初期，成本是第二位的，如何較多地減輕重量是關(guān)心的焦點(diǎn)，但是最近復(fù)合材料應(yīng)用擴(kuò)大的最大障礙已是成本問(wèn)題。因此，只有同時(shí)滿足輕量化和低成本的要求，才能使復(fù)

66、合材料構(gòu)件代替金屬構(gòu)件。,4.1 在航空飛機(jī)上的應(yīng)用,飛機(jī)用 ACM （Advance Composite Material）經(jīng)過(guò)近 40 年的發(fā)展，已經(jīng)從最初的非承力構(gòu)件發(fā)展到應(yīng)用于次承力和主承力構(gòu)件，可獲得減輕質(zhì)量 20 %～30 % 的顯著效果。目前已進(jìn)入成熟應(yīng)用期，對(duì)提高飛機(jī)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)水平的貢獻(xiàn)、可靠性、耐久性和維護(hù)性已無(wú)可置疑，其設(shè)計(jì)、制造和使用經(jīng)驗(yàn)已日趨豐富。,以典型的第四代戰(zhàn)斗機(jī) F/A22 為例，ACM 用量為 24.2

67、%，其中熱固性復(fù)合材料占 23.8 %，熱塑性復(fù)合材料占 0.4 % 左右。熱固性復(fù)合材料的 70 % 左右為雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂（BMI，簡(jiǎn)稱雙馬）基復(fù)合材料，生產(chǎn) 200 多種復(fù)雜零件，其它主要為環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料，此外還有氰酸酯和熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料等。主要應(yīng)用部位為機(jī)翼、中機(jī)身蒙皮和隔框、尾翼等。世界各國(guó)先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)ACM用量見(jiàn)表 5-1。,,表4-1 世界各國(guó)先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)ACM用量（%）,,“臺(tái)風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)（EF—2000）由德國(guó)、英國(guó)

68、、意大利和西班牙４國(guó)共同研制。機(jī)長(zhǎng)15.96米，翼展10.95米，空重10995公斤，最大起飛重量23000公斤，最高速度２馬赫，升限16765米，作戰(zhàn)半徑3700公里。機(jī)身用碳素纖維復(fù)合材料、玻璃纖維增強(qiáng)塑料、鋁鋰合金、鈦鋁合金等材料制造，由于復(fù)合材料占全機(jī)比例約40％，可有效減輕自重，增大武器掛載。設(shè)計(jì)中采用低雷達(dá)輻射面和被動(dòng)傳感器等先進(jìn)技術(shù)，大大提高了隱身性能。表5-2、5-3列出了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)在飛機(jī)上的應(yīng)用簡(jiǎn)況與未來(lái)應(yīng)用目標(biāo)

69、。,,圖4-1 “臺(tái)風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)（EF—2000）,,,表4-2 復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)況,,表4-3 先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)復(fù)合材料DFM和DFA目標(biāo),低成本復(fù)合材料技術(shù)是目前復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)研究的重點(diǎn)。美國(guó)空軍以JSF戰(zhàn)斗機(jī)為背景組織進(jìn)行實(shí)施“買得起”復(fù)合材料創(chuàng)新計(jì)劃,即CAI(Composite Affordable Initiative)計(jì)劃, 目標(biāo)是用10～15年的時(shí)間使先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)主要復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制造成本降低一個(gè)數(shù)量級(jí); 技術(shù)途徑是