1、先进树脂基复合材料先进树脂基复合材料材料科学与工程学院2011年 9月材料学课程内容 前言1. 先进增强材料2. 高性能树脂基体3. 先进制造工艺4. 先进复合材料应用前 言 先进复合材料（ ACM） :由高性能的基体 (聚合物、金属或陶瓷等 )与高性能纤维材料，通过特定的成型工艺复合而成的复合材料。 ACM特性： 比强度和比刚度高、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适于大面积整体成形的独特优点。 应用： 已成为支撑航空、航天和国防尖端技术领域的最重要的结构材料。NASA最早成立 ACM研究机构，并开展相关材料技术的研究。ACM的发展和应用是现代产业活动中成长最快的，对
2、促进世界各国军用和民用领域的高科技现代化，起到了至关重要的作用。我国发展现状 始于 1969年，研究应用主要集中于国防以及航空和航天工业。开始系统、完整、有计划地开展 ACM研究是从 “六五 ”计划期间开始。经过 20多年的努力，国家通过中长期科技发展规划的指导以及各种科研计划的支持，使我国 ACM的研究取得了长足的进展。 ACM技术及发展 先进的增强材料； 高性能树脂基体； 成型工艺技术； ACM在各个领域中的应用。1 先进增强材料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。碳纤维 (CF)的研究： 主要是如何提高模量和强度、降低生产成本。高性能有机纤维开发： 包括柔性链
3、结构的超高分子量聚乙烯纤维 (UHMPE )、芳纶纤维（Kevlar）、刚性链结构的 PBO纤维等。改性： 各种纤维都有自身的优势，但也存在不足和缺点，需要改性。2 高性能树脂基体树脂基体的研究：主要围绕着 改善耐湿热性能 、 提高韧性 和 工作温度 。环氧树脂（ EP）： 具有工艺性能好、综合力学性能好和价格便宜等一系列优点，但 耐湿热性能较差 。氰酸酯树脂（ AC）： 吸湿率低、韧性好、介电性能好。是未来结构 /功能一体化的优良材料，氰酸酯树脂一般需要 较高的后处理温度 ，这给使用带来不便。双马来酰亚胺 (BMI)： 耐湿热性能和耐热性均优于环氧树脂。 BMI可以和多种化合物共聚以改善其韧
4、性。耐高温聚酰亚胺（ PMR）： 更高耐温等级，可在350 以上长期使用 。3 先进树脂基复合材料的成型技术 ACM制造成本 在产品中占用很大的比重，而目前影响 ACM广泛使用的最大障碍是价格问题。因此如何发展新的制造技术，降低先进树脂基复合材料的制造成本，是当前先进树脂基复合材料研究的重点。先进成型技术 热压罐成型技术： 是 ACM的主要成型技术，其 优点 是成型的复合材料性能高，质量稳定并适合大型复杂外形复合材料构件的成型，缺点 是设备投资大，能耗高，制造成本高。 预成型体 /液体成型工艺技术 (LCM)： 是先进树脂基复合材料 低成本制造技术 的一个重要方向，已获得成功的有 RTM和 R
5、FI等。 纤维缠绕技术： 多自由度准确、自动化、异形结构缠绕技术，近年来也得到了相当快的发展。 纤维铺放技术： 大型结构的自动化铺放成型设备及控制技术。 先进固化技术：l 电子束固化技术： 利用电子加速器产生的高能电子束引发树脂聚合和交联的电子束固化技术，可节约制造成本 20%-60% 。l 光固化技术、微波固化技术： 由液态的单体或预聚物受紫外或可见光、微波的照射经聚合反应转化为固化聚合物的过程。l 固化过程实时监控技术： 利用神经网络智能系统，实时监测固化过程，并通过智能反馈系统实现实时进行控制。4 先进树脂基复合材料的发展方向 高性能纤维和高韧性树脂的应用可提高 ACM的各种综合性能和放
6、宽设计许用值，从而可将减重效率由目前的20%-25% 提高到 30% 或更高。(1) 提高组分性能 纤维： 向高性能化、轻量化方向发展。 碳纤维由 T300、 AS4转向 T800、 IM7，如 F-22、 EF2000、 B777等均用T800，与 T300相比其性能可提高 30%40% 。 树脂： 选用改性双马 BMI和改性环氧，如 F-22主承力结构用 5250-4BMI树脂，耐温达 200 。 B777采用 3900-2高韧性环氧树脂。第四代韧性双马树脂 5260，耐温 230，较适合于民航机采用。(2) 重视制造技术研究和综合配套技术协调发展除继续采用成熟的热压罐成型技术外，还应对编织/RTM、 缝编 /RTM、 缠绕、拉挤、注塑等。(3) 重点开发低成本制造技术降低成本应从设计、材料、制造、使用、维护等多方面综合考虑，应推广大丝束纤维 (48-320K)、 RTM工艺、固化自动监控、整体成型和真空辅助成型等技术的应用。美国准备通过低成本技术研究，设想在 10-15年的时间内实现先进战斗机主要复合材料结构件制造成本降低一个数量级的目标。(4) 发展 ACM结构 /功能一体化的综合技术ACM技术正向着技术综合化、功能多样化（隐身、防热）和智能化方向发展。
