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材料科学前沿
先进树脂基复合材料介绍及研究状况
先进树脂基复合材料具有比强度和比刚度高,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便于大面积整体成形的独特优点,还有特殊的电磁性能和吸波隐身作用,充分体现了集结构承载和功能于一身的鲜明特点。自60年代中期问世以来,已广泛用于各种武器装备,对促进武器装备的轻量化、小型化和高性能化起到了至关重要的作用。将其用于飞机结构上可相应减重23%~30%,这是其他先进技术无法达到的效果。此外,通过复合材料结构/材料/工艺综合研究和材料/工艺/设计/电子/气动等学科交叉,深层次开发复合材料结构与功能可设计性潜力,在先进战斗机中使用结构/隐身气弹剪裁等一体化技术,,继铝、钢、钛之后,已迅速发展成为四大航空结构材料之一,其用量已成为飞机先进性的一个重要标志。
先进树脂基复合材料除在航空航天等高科技领域得到广泛应用外,在其他国民经济领域也有相当的应用。自“冷战”结束,曾一度以军用作为主要市场的碳纤维增强树脂基复合材料的应用一度走入低谷,但随着先进树脂基复合材料在民用市场的发展,碳纤维增强先进树脂基复合材料的应用从1994年开始又快速回升,到目前为止,碳纤维增强树脂基复合材料的民用比例已上升到70%以上(以消耗的碳纤维计算)
1、先进树脂基复合材料的发展现状
国外先进树脂基复合材料技术的发展现状
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。目前关于碳纤维的研究主要是提高模量和强度,降低生产成本。使用的纤维先驱体仍然主要是PAN和沥青纤维,二者的用量比例约为6:,PAN基碳纤维能提供高强度,而沥青基碳纤维提供高模量。但通过控制微观结构缺陷、结晶取向、杂质和改善工艺条件,利用PAN或沥青纤维,均可获得高强/高模纤维。但事实上到目前为止,要稳定生产模量>700GPa和强度>,仍然是非常困难的。碳纤维的压缩强度较低,离子注入技术可改善碳纤维的压缩强度,但这种工艺成本很高。
高性能有机纤维包括柔性链结构的超高强度聚乙烯纤维(UHTPE)、芳纶纤维(PTAA)和刚性链结构的聚苯并双纤维(PBO)。UHTPE密度低,拉伸强度和模量极高。随着采用等离子处理方法解决了它和基体粘结差的问题,UHTPE纤维的应用越来越多。然而UHTPE纤维在150℃熔融和在室温下会出现蠕变这一缺点,严重阻碍了它作为结构材料的应用。
~200GPa,断裂强度达2~4GPa,~。PTAA纤维的最大缺点是压缩和横向拉伸性能差。复合材料生产中的热收缩应力可能导致纤维劈裂,水分会沿着劈裂的纤维进入复合材料而加速复合材料的失效。
PBO纤维具有高结晶度、低密度、高的拉伸强度和模量,目前已成为研究的一个热点。
PBO纤维的缺点是压缩性能和横向拉伸强度低,为了改善压缩强度采用。采用PVD方法在PBO纤维表面沉积高模量陶瓷涂层并取得了一定的效果。但到目前为止还没有达到实际应用水平。此外,PVD法沉积陶瓷涂层成本很高。PBO纤维除了具有高的拉伸性能外,还具有极好的阻燃性能以及