聚合物基复合材料耐热性研究(7页).pdfVIP

聚合物基复合材料耐热性： 机理、表征及提高耐热性途径 仲伟虹张佐光李芙蓉宋焕成 (北京航空航天大学材料科学与工程系 100083) 摘要本文讨论了聚合物基复合材料耐热性问题．概述了聚合物基复合材料的耐热 机理，并对其耐热性的表征及相应的测试方法进行了综述．归纳了提高耐热性途径。 关键词聚合物基复合材料树脂基体耐热性 1引言 复合材料的耐热性从根本上说是基体的耐热性。作为先进复合材料的基体树脂一个 关键条件必须是耐高温树脂，以保证复合材料在高温下具有良好的性能。目前，国内外 应用较多的热固性树脂基体主要有环氧、双马来酰亚胺、聚酰亚胺三大类树脂体系。 环氧树脂由于强度和摸量高，蠕变小，化学稳定性好，与增强纤维粘结度高，以及 优异的工艺性能，至今仍占树脂基复合材料的主导地位。通常环氧基体的干态工作温度 可达177℃，但吸湿后工作温度在130C以下。为了适应先进复合材料需要，目前正在开 发耐高温的环氧体系。如法国的Bakelite公司研究的一种固化剂，可使线型酚醛环氧树脂 的t从220C提高到360℃。据悉，日本三菱化学公司开发三种耐200℃高温的环氧树脂 用作复合材料的基体树脂。 双马来酰亚胺在湿态下可工作到200U以上，高速飞机气动温度超过130c，于是双 马成了新型飞机结构用复合材料选择的主要对象。双马基体除稳定性好，最高工作温度 可达250C，还具有吸湿性较环氧树脂低、热膨胀系数小、工艺性与环氧体系接近等特点， 但其脆性大，因此以增韧型为主。我国对该类树脂的研究已取得相当的进展，如北京航 空工艺研究所的QY8911及西北工业大学研制的双马体系系列等。 为减轻飞机发动机的重量，提高发动机的性能，要求复合材料的基体必须具有优异 6 的热氧化稳定性，以承受足够高的工作温度。为此，国外开发研制出了可用于31c工作 含芳香环或杂环的耐高温树脂难溶和加工困难，给复合材料成型工艺带来一系列问题。 综上所述，热固性树脂通过不断研究和发展，正朝着综合性能优异的方向发展，并 开始在飞机复合材料主承力结构中应用。 在复合材料基体方面，由于热塑性树脂具有高的断裂韧性和耐冲击性能、良好的耐 温性和抗湿热能力、较好的耐溶剂性和屏蔽电磁干扰性能，以及加工周期短、可以重复 利用、容易修复等优点，因而在国外，热塑性树脂基复合材料的发展已在进入实用化阶 769 段。但是，由于热塑性复台材料的粘着性差、成型温度高等，给制造设备及工艺带来相 应的困难，加上使用经验不足等原因，使它的扩大应用受到丁限制。 随着现代技术的发展，对树脂基复合材料作为结构件的性能要求愈加苛刻。除增强 纤维外，基体性能是关键。美国Harey提出理想的基体应具备的条件是：_：1)容易制成 预浸料并有较长的可用贮存期。(2)工艺上容易操作和控制质量。(3)基体在加工过程 中无挥发物，固化后孔隙少。(4)在所需要的使用温度、时间内和给定环境下有良好的 力学性能。(5)性能满足200～300‘(2长期使用。(6)有可以接受的价格。 Brovimig指出，影响基体发展的主要因素是耐潮湿性、韧性，加工性和耐高温等综 合性能不理想。随着先进复高温领域应用的比率增加，对复合材料的耐热性评价问题及 耐热机理研究已成为一个重要研究课题。一种新的树脂基体或新的复合材料，其耐热性 关系到它的应用领域。因此有必要进行全面的耐热机理分析，进而对如何提离耐热性作 一系列深入细致的研究，这对于发展和应用先进复合材料具有重大意义。 2耐热机理 随着温度的升高，树脂基复合材料上于基体的粘弹性而表现出力学性能的变化，如 模量和强度降，尤其是受基体控制的力学性能，如剪切强度、弯曲强度和模量等，更是 发生较明显的下降。究其原因，可概述如下几个方面。 2．1微裂纹理论(也称缺陷理论) 微裂纹的产生有两种情况：一种是由于温度升高，纤维和基体的热膨胀系数的差异， 导致热嘘力产生，从而产生微裂纹。特别是在界面，这个微裂纹的强度依赖于复合材料 热历史和它的铺层。虽然该微裂纹对弹性常数的大小有不可察觉的影响(认为不影响)， 但它可能较大程度地降低材料的强度。 另一种