先进树脂基复合材料的发展
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摘要：材料是人类赖以生存和发展的物质基础，也是社会现代化和高新技术发展的先导，在材料这个大家庭中，先进树脂基复合材料是一颗璀璨的明珠。由于有机高分子材料在性能、成型方法及灵活的可设计性等方面具有无可比拟的优势，使得以高分子树脂为基体的复合材料（也称树脂基复合材料、聚合物基复合材料）发展十分迅速，已在民用、军用上获得了广泛的应用。综述了树脂基复合材料的发展、性能、成型工艺及应用情况，分析了树脂基复合材料的发展方向。
关键词：树脂 复合材料 航空材料
1、引言：
树脂基复合材料是由以有机聚合物为基体的纤维增强材料，通常使用玻璃纤维、碳纤维或者芳纶的等有机纤维。树脂基复合材料具有较高的比强度及比刚度，可设计性强，抗疲劳断裂性能好，耐腐蚀，结构尺寸稳定性好以及便于大面积成型的独特优点，充分体现了集结构承载和功能于一身的鲜明特点。自上世纪60年代以来，树脂基复合材料在航空、武器装备、汽车、海洋工业等方面获得了日益广泛的应用。
2、树脂基复合材料的发展
1940年，二战时期，由于战争资源的需要，第一个纤维增强合成材料而成的复合材料应时代而生：以手糊成型方法制成了玻璃纤维增强不饱和聚酯的军用飞机雷达罩。 1944年，玻璃纤维增强树脂作为机身和机翼材料的飞机试飞成功。随着生产工艺的发展，材料性能的逐步提高，复合材料在航空器中的地位越来越重要。怎样减少飞机结构重量以提高飞机的装载效率是百年来飞机发展所一直追求的目标。飞机结构从 20世纪初的木、布结构，到 30年代轻合金的全金属结构， 30年代－60年代虽然金属材料的性能有很大提高，但是单依靠提高金属材料性能来进一步降低飞机结构重量系数（即飞机结构重量与飞机起飞重量的比值）已达到极限。为此，飞机设计师们不得不寻求新的途径，于是找到了高比强度（材料强度与密度的比值）、高比刚度（材料模量与密度的比值）纤维增强树脂基复合材料。随后，具有更高比强度、比刚度，同时兼具更高剪切强度、剪切模量以及耐热性的第二代现代复合材料应运而生，主要以硼纤维、碳纤维、芳纶纤维为增强材料，以聚酰亚胺等高性能树脂为基体，同时包括铝、镁、钛等金属基体，金属间化合物，碳化硅、氮化硅等陶瓷基体。而性能更高的氧化铝纤维、碳化硅纤维、晶须等增强材料的出现，更引发了具有多功能、高韧性、耐热的第三代高性能复合材料的发展。 1980年以后，先进复合材料在航空、航天等领域已经得到了较为广泛的应用。
先进树脂基复合材料常用的增强纤维包括碳纤维和其他高性能有机纤维。目前对碳纤维的研究, 主要集中于提高模量和强度、降低生产成本。使用的纤维先驱体主要仍然是聚丙烯腈( PAN) 和沥青纤维, 二者的用量比例约为6:1[1]。
近年来先进树脂基复合材料树脂基体的研究主要围绕着改善耐湿热性能、提高韧性和工作温度。目前常用的树脂基体有高温固化的多功能环氧树脂基体、氰酸酯树脂、BMI 树脂、耐高温聚酰亚胺。[2]
3、树脂基复合材料的种类和性能特点
树脂基复合材料作为一种复合材料，是由两个或两个以上的独立物理相，包含基体材料（树脂）和增强材料所组成的一种固体产物。树脂基复合材料具有如下的特点：1）各向异性（短纤维复合材料等显各向同性）；2）不均质（或结构组织质地的不连续性）；3）成粘弹性行为；4）纤维（或树脂）的体积含量不同，材料的物理性能差异；5）影响质量因素多，材料性能多呈分散性。
树脂基复合材料包括热塑性树脂基复合材料和热固性树脂基复合材料，热塑性树脂基复合材料是20世纪80年代发展起来的，主要有长纤维增强粒料(LFP)、连续纤维增强预浸带(MITT)和玻璃纤维毡增强型热塑性复合材料(GMT)。根据使用要求不同，树脂基体主要有PP、PE、PA、PBT、PEI、PC、PES、PEEK、PI、PAI等热塑性工程塑料，纤维种类包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和硼纤维等一切可能的纤维品种。
目前用于高性能复合材料的玻璃纤维主要有高强度玻璃纤维、石英玻璃纤维和高硅氧玻璃纤维等。高强度玻璃纤维复合材料不仅应用在军用方面，近年来民用产品也有广泛应用，如防弹头盔、防弹服、直升飞机机翼、预警机雷达罩、各种高压压力容器、民用飞机直板、体育用品、各类耐高温制品以及近期报道的性能优异的轮胎帘子线等。石英玻璃纤维及高硅氧玻璃纤维属于耐高温的玻璃纤维，是比较理想的耐热防火材料，用其增强酚醛树脂可制成各种结构的耐高温、耐烧蚀的复合材料部件，大量应用于火箭、导弹的防热材料。
碳纤维具有强度高、模量高、耐高温、导电等一系列性能，首先在航空航天领域得到广泛应用，近年来在运动器具和体育用品方面也广泛采用。
芳纶纤维比强度、比模量较高，因此被广泛应用于航空航天领域的高性能复合材料零部件（如火箭发动机壳体、飞机发动机舱、整流罩、方向舵等）、舰船（如航空母舰、核潜艇、游艇、救生艇等）、汽车（如轮胎帘子线、高压软管、摩擦材料、高压气瓶等）以及耐热运输带、体育运动器材等。
超高分子量聚乙烯纤维的比强度在各种纤维中位居第一，尤其是它的抗化学试剂侵蚀性能和抗老化性能优良。它还具有优良的高频声纳透过性和耐海水腐蚀性，许多国家已用它来制造舰艇的高频声纳导流罩，大大提高了舰艇的探雷、扫雷能力。除在军事领域，在汽车制造、船舶制造、医疗器械、体育运动器材等领域超高分子量聚乙烯纤维也有广阔的应用前景。该纤维一经问世就引起了世界发达国家的极大兴趣和重视。
1971年以前我国的热固性树脂基复合材料工业主要是军工产品，70年代后开始转向民用。热固性树脂基复合材料产品主要用于建筑、防腐、轻工、交通运输、造船等工业领域。
4、树脂基复合材料的成型工艺[3]
树脂基复合材料的成型工艺主要有复合材料低温固化技术、树脂传递模塑（RTM）成型技术、自动缠绕与铺放技术、电子束固化技术。
4.1复合材料低温固化技术
复合料低温固化技术通常指固化温度小于 100℃，可以在自由状态下进行高温后处理的复合材料相关制造技术。发展复合材料构件的低温固化技术，可以大大降低由昂贵模具、高能耗设备以及高性能工艺辅料等带来的高费用。此外，低温固化复合材料构件的尺寸精度高，固化残余应力低，适于制备大型和形状复杂的复合材料构件，也可用于复合材料工装材料以及复合材料结构件的修补等。复合材料低温固化技术是低成本制造技术的重要组成部分。
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