树脂基复合材料研究进展

先进树脂基复合材料研究进展摘要：本文介绍了颗粒增强、无机盐晶须增强、光固化等类型的树脂基复合材料，亦指出热固性、环氧树脂基复合材料，并简述了制备方法和新技术的应用。

关键词：树脂基复合材料，颗粒增强，无机盐晶须增强，光固化，制备方法，新技术ADVANCE THE RESEARCH OF POLYMER MATRIX COMPOSITESABSTRACT: The particulate reinforced、inorganic salt whisker, light-cured of resin matrix composites were introduced in this paper,the thermosetting and thermoplastic resin matrix composites was also show in the paper.This paper also discussed the application of new preparation method and technology.Keywords: resin matrix composites,particulate reinforced,inorganic salt whisker, light-cured,preparation method,new technology先进树脂基复合材料是以有机高分子材料为基体、高性能连续纤维为增强材料、通过复合工艺制备而成，并具有明显优于原组分性能的一类新型材料。

目前航空航天领域广泛应用的先进树脂基复合材料主要包括高性能连续纤维增强环氧、双马和聚酞亚胺基复合材料[1]。

树脂基复合材料具有比强度高、比模量高、力学性能可设计性强等一系列优点，是轻质高效结构设计最理想的材料[2]。

用复合材料设计的航空结构可实现20％一30％的结构减重；复合材料优异的抗疲劳和耐腐蚀性，能提高飞机结构的使用寿命，降低飞机结构的全寿命成本；复合材料结构有利于整体设计和制造，可在提高飞机结构效率和可靠性的同时，采用低成本整体制造工艺降低制造成本。

可见复合材料的应用和发展是大幅提高飞机安全性、经济性等市场竞争指标的重要保证，复合材料的用量已成为衡量飞机先进性和市场竞争力的重要标志。

纤维增强树脂基复合材料是在树脂基体中嵌人高性能纤维，比如碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维和芳纶纤维等所制得的材料[3]。

树脂基体可以分为热塑性树脂和热固性树脂两种，常用的热塑性树脂有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)等;常用的热固性树脂有酚醛树脂、环氧树脂和聚醋树脂等。

由于纤维增强复合材料具有高强度、高模量、低密度等一系列优良特性，其在航空航天、汽车、建筑、防护、运动器材和包装等领域已有广泛的应用。

然而新材料新技术的发展使人们对纤维增强复合材料的性能有了更高的期望，所以高性能纤维增强树脂基复合材料依然是近年来的研究热点。

1 先进树脂基复合材料体系1.1 纤维增强纤维增强树脂基复合材料由纤维和树脂基体两部分组成，纤维起承担载荷的作用，树脂均匀传递应力，界面在应力传递的过程中起到关键的作用，是纤维与树脂问应力传递的纽带．随着对复合材料界面性能研究的不断的深入，人们发现纤维的浸润性能、纤维与树脂间的键台及纤维与树脂间的机械嵌合作用等因素对复合材料的性能影响显著，并以此设计出一系列提高界面粘接强度的方法，有效地提高了纤维复合材料的界面性能[4]．1.1.1碳纤维(CF)增强树脂基复合材料碳纤维以热碳化方式由聚丙烯睛、沥青或粘胶加工而成，具有高强度、高模量、优异的耐酸碱性和抗蠕变性[4J。

对碳纤维增强树脂基复合材料的研究主要集中在对纤维进行改性、对树脂基体进行改性和改善纤维和树脂基体的粘接性能这几个方面。

1.1.2超高强度聚乙烯纤维(uHMPE)，超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)是1975年由荷兰DSM公司采用凝胶纺丝一超拉伸技术研制成功并实现工业化生产的高强高模纤维。

UHMWPE纤维中大分子具有很高的取向度和结晶程度，纤维大分子几乎处于完全伸直的状态，赋予最终纤维高强度、高模量、低密度、耐酸碱等优异性能，但是其低表面能、耐热性差等缺点影响了它的应用。

对纤维进行接枝、辐照、涂层处理增强纤维和树脂的界面粘接作用，对树脂基体进行改性是UHMWPE纤维增强树脂基复合材料的主要研究方向。

1.1.3芳纶纤维(PPTA)芳纶作为一种高强、高模、耐高温型高性能有机纤维，在增强复合材料方面有重要应用，这些复合材料广泛应用于航空航天、国防军工、电子通讯、交通运输、土木建筑等领域。

由于芳纶本身结构的特点，使得芳纶表面皇现较大的惰性，不利于芳纶与树脂粘接，导致芳纶与基体之间形成界面缺陷，限制了复合材料性能的提高。

对芳纶纤维和树脂基体进行改性以提高芳纶纤维增强树脂基复合材料成为近年来研究方向。

1.1.4刚性链结构的PBO纤维。

PBO(聚对苯撑苯并二嗯哇)纤维具有优异的力学性能，其强度、模量均比Kevlar纤维高1倍以上。

PBO纤维的分子链、晶体和微原纤均沿纤维轴向呈现几乎完全取向的排列，具有极高的取向度。

这种结构在赋予PBO纤维上述优异性能的同时，也导致纤维表面非常光滑且活性低，几乎与所有树脂基体不能良好地浸润，致使PBO纤维与树脂基体结合的界面粘接性能差，限制了PBO纤维在先进复合材料领域中的应用。

对PBO纤维和树脂基体进行改性以提高PBO 纤维增强树脂基复合材料成为近年来研究热点。

1.2无机盐晶须增强树脂基复合材料研究进展无机盐晶须作为一种新型的增强材料，具有粉体填料和纤维不可比拟的特殊功能，作为复合材料的增强与改性成分，已制成的多种耐热、耐磨、耐腐蚀、高强度的新型高性能材料被应用于机械、电子、汽车等工业领域[5]。

鉴于晶须本身所要求的特殊的制备工艺，在复合材料的制备过程中需保持合适的长径比，提高晶须在聚合物中的均匀分散程度，提高晶须和聚合物的界面结合能力，以保持复合材料的机械物理性能。

1.2.1碳酸钙晶须近年来所研究的碳酸钙晶须是一种新型的低成本针状材料，属文石型结构。

目前制备文石型碳酸钙晶须的方法主要有碳酸化法、复分解合成法，但这些方法都有各自的缺点。

碳酸化法需要较严格的温度和较长的反应时间，才能获得含量较高的文石型晶须，否则混有较多的ca(OH) ；复分解合成法则由于溶液浓度、温度的不均一而影响晶须的纯度和均匀性。

而通过加热Ca(HCO ) 溶液，控制反应温度和反应时间，使ca(HCO ) 分解，可以制备出纯度99．53％和平均长径比24．1的CaCO3 晶须，一定程度上克服了碳酸化法和复分解合成法的缺陷。

1.2.2硫酸钙晶须CaS2晶须是无水硫酸钙的纤维状单晶体，其尺寸稳定，平均长径比约为80，具有和橡胶、塑料等聚合物的亲和力强的优点。

其制备方法主要有水压热法和常压酸化法。

水压热法是将质量分数小于2％的二水石膏悬浮液加到水压热容器中处理，在饱和蒸汽压作用下和晶型稳定化处理后，得到半水硫酸钙晶须。

常压酸化法是指在一定温度下，高浓度二水硫酸钙悬浮液在酸性溶液中转变成针状或纤维状半水硫酸钙晶须。

与水压热法相比，此方法不需要压力容器，且原料质量分数大大提高，成本大幅降低，易于工业化生产。

另也有专利报道利用氨碱厂废液与卤水制造硫酸钙晶须的方法。

1.2.3碱式硫酸镁晶须碱式硫酸镁晶须是一种白色针状单晶纤维，尺寸十分细小，具有十分优异的力学性能，如强度高、模量高、电气性能好。

文献报道的碱式硫酸镁晶须一般是在严格控制反应温度和合适的反应物物质的量比值的条件下，以氢氧化镁、氧化镁或氢氧化钠和硫酸盐(主要是硫酸钠和硫酸镁)为原料，经过水热合成反应得到。

但也有利用卤水(或盐湖氯化镁)、硫酸和氨水，按照一定的比例配合，在水热情况下制得长径比大于100的碱式硫酸镁晶须的报道。

1.2.4氢氧化镁晶须氢氧化镁晶须是一种极细的纤维状单晶，以针状晶形存在的碱式镁盐或针状结晶的氢氧化镁在900 o C以上烧结而制得。

晶须直径0．5～5 μm，长200～2 000 μm，热传导率是氧化铝的3倍。

由于氢氧化镁晶须具有晶须性能的共性和自身特点，常被用作各种复合材料的增强材料。

例如与聚氯乙烯树脂配合使用时，可提高制品的机械强度和热稳定性；与水泥配合使用时，可提高制品的抗弯曲强度、热稳定性和抗冲击强度；还可作为耐火砖的原料，也用作吸附剂、绝热材料、耐腐蚀材料、阻燃材料，以及不饱和聚酯的增稠剂和补强剂。

1.2.5 MgO·Mg(OH)2晶须镁盐产品中的MgO·Mg(OH) 晶须具有良好的阻燃性能，但是普通的MgO·Mg(OH) 晶须比表面积大，微粒易趋向于二次凝聚，在树脂中分散性差。

因此MgO·Mg(OH)：晶须用作复合材料填料时，对复合材料的性能的影响主要是冲击强度、延伸率下降，加工性能恶化，使其应用受到一定的限制。

由此有文献对比了颗粒与晶须对复合材料性能的影响，发现采用表面改性有利于提高复合材料的机械性能，但是对工艺的要求相对较高。

采用晶须增强的复合材料可以同样满足性能要求，而且与普通镁盐产品相比，品须还具有更高的模量和强度，因而在作为增强材料的研究时，需要综合考虑各项性能。

例如在利用其阻燃性能的同时，亦应考虑其对材料的强度、韧性等性能的影响，以及经济效益的影响。

1.3光固化树脂基复合材料光固化技术由德国Bayer公司1968年率先应用于紫外光(uV)固化涂料。

当时光固化树脂体系主要由不饱和聚酯树脂、苯乙烯及光敏引发剂等组成。

由于其性能上的局限性，几乎只用在木工制品方面。

但它作为良好的开端，为当今世界的光固化和电子束固化取得的突破性进展奠定了基础[6]。

光固化树脂基体与其它树脂基体一样，需要与纤维表面有良好的结合，与纤维有相匹配的弹性模量和断裂伸长率，同时工艺性要好。

除此以外，光固化树脂基体还要求自身透明，并具有与纤维相匹配的折射率，从而得到满意的固化程度。

作为光固化树脂，应是带有可聚合基团的聚合物(一般称作预聚体)，其分子量一般为1o0o一5o0o，它们是制备光固化树脂基复合材料的基础。

目前，国外已商品化的光聚合性预聚物有不饱和聚酯和丙烯酸型树脂两种。

丙烯酸型树脂是随着光固化树脂应用范围不断扩大而发展起来的第二代光固化树脂，现已开发了多种。

如丙烯酸聚氨酯树脂、丙烯酸环氧树脂、丙烯酸聚酯树脂、丙烯酸聚醚树脂等，此外还有硫醇／烯类体系、阴离子固化环氧体系以及氨基塑料等。

1.4 热固性树脂基复合材料：1.4.1酚醛树脂基复合材料的研究进展[7]酚醛树脂原料易得，价格低廉，生产工艺和设备简单，并且产品具有优异的力学性、耐热耐寒性、电绝缘性、成型加工性、阻燃性及低烟雾性等性质，是工业部门不可缺少的材料。