【双马篇】先进战斗机用复合材料树脂基体.pdf

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1、第二十五卷 第二期年月高科技仟稚与应用一先进战斗机用复合材料树脂基体赵渠森中国航空制造工程研究所,北京摘要树脂基体在复合材料结构中起着重要作用,本文介绍当前用于先进战斗机复合材料结构的树脂基体,包括它们的基本性能与应用特点。关键词先进复合材料树脂基体双马来酞亚胺环氧树月旨基体材料基体材料的分类作为先进复合材 料的基体材料,品种甚多,其分类方法可参见表 所列。对基体材料的基本要求表先进复合材料基体的分类分类型式总体分类树脂基分类热固性树脂分类热塑性树脂分类树脂基金属基陶瓷基碳基玻璃基热固性树脂热塑性树脂环氧树脂聚酞亚胺乙烯基醋双马来酞亚胺酚醛树脂高性能芳香族热塑性传统热塑性功效分类固化温度分类结

2、构用基体内部装饰用基体耐烧蚀性基体高温固体基体,固化温度以上中温固化基体,固化温度基体在 复合材料中起着重要 的作用支持纤维并使它们成为一个整体,以剪切力形式顺利 向纤维传递载荷,保护纤维以免受外界环境的侵蚀,以及调整由基体材料控制的力学与物理性能。对基体的要求也视使用部位、使用对象与环境条件而定,其基本要求主要是结合性。与纤维表面或上了浆的纤维表面有良好 的结合力,以构成一个完整的界面。纤维表面通常具有拨基、梭基和经基等活性基团。为此,树脂基体应有与此相 反应的、或相适应的基团,从 而形成 化 学 键或范德 华键。匹配性。与纤维有相匹配的弹性模量和断裂伸长率,在复合材料中主要承载者虽然是纤维

3、,但是复合材料的横 向拉伸和纵 向压缩的承载能力受基体的性能影响甚大。所以,可用纵向压缩强度作为树脂基体性质的评估方 法之一。断裂伸长率的匹配对于发挥纤维的性能尤为重要。如果说基 体的 断裂伸长率 高于纤维,则才有可能使断裂发生在纤维或纤维与树脂基体的界面上,从而获得较高的承载能力以及高的韧性特性。耐湿热性。对于大多数军用 飞机构件而言,驻点温度都在以下,在这样温度范围 内,复合材料构件的耐热性主要取决于树脂基体的耐热 性,从使用角度 显然要求基体有较高的耐热性。飞机结构对于湿热环境下的性 能收稿日期高科技仟谁与应用第二十五卷退化和耐久性更受到人们的注目,因为它关系到结构的结构效率和使用安全可

4、靠性,为此要求基体,包括固化剂在湿热环境下仍能有效地工作。耐环境性。复合材料的抗腐蚀性,抗外来物的冲击性均与基体材料性质、基体材料与增强材料的结合界面密切相关,因此应对基体材料的表面特征、反应性和网络结构提出明确要求。工艺性。主要指 树脂各组分 的混溶性、树脂体系的成膜性、一 定温度下 的粘度流动性、对纤维 的浸润性、制成预浸料后 的铺覆性以及室温存放安全性等等。因此它是一个涉及诸 多因素 实用性的考核指标,同时又应适合共固化要求。树脂基体主品种迄今为止,先进复合材料仍以树脂基为主,树脂基材料和碳基材料几乎 占领着极大 多数复合材料结构与功 能应用领域。在树脂基体中又以热 固性树脂为主。用作先

5、进复合材料基体的热固化树脂,在飞机结构上则是双马来酞亚胺和环氧树脂。双马来酞亚胺树脂双马来酞亚胺是聚酞亚胺的一种,是加成型聚酞亚胺,它 的主要特征是反应过程没有水逸出可在类似环氧 的固化温度与压力条件下进行交联固化化学 结构赋于其有良好耐热性与刚性性质双马来酞亚胺两端的活泼双键,为其与其他化学结构反应,获得某一特定性能提供了可能双马来酞亚胺自身的多品种就有可能研发出多品种 双马来酞亚胺树脂乃至多品种双马来酞亚胺树脂复合材料。双马来酞亚胺是以丁烯二酸配 和芳香或脂肪二胺合成而得,也可用降冰片烯封端或乙炔封端。它们的共同特点是端部带有不饱和基团的低相对分子质量聚酞亚胺,通过不饱和端基进行加成聚合,

6、可以均聚,也可以共聚。市售双马来酞亚胺预聚体的品种有这是一种由二苯甲烷双马来酞亚胺与二苯甲烷二胺按克分子量共聚产品。它有较好的高温性 能却 呈现较低的抗冲击能 力,受溶剂侵入的抵抗力也较低。因而它 多半与玻璃布结合制成玻璃纤维复合材料,用作绝缘材料。这是由脂肪族三甲基六甲撑 双马来 酞亚胺、基香族甲苯双马来酞亚胺和二苯甲烷双马来酞亚胺混合物,熔点一,时融熔粘度。低熔点和低 融熔粘度是 它 的主要特点,使它在较低的温度下有较好储存稳定性,但它 的固化温度较高,达一。高 的交联密度使它有较好耐 热性与耐老化性,热分解温度为中,因而由它制成的碳纤维复合材料在下有相 当高的强度保持率见表。但与一样,脆

7、性较大。一一是由二苯甲烷双马来酞亚胺与二烯丙基双酚组成的低共熔混合物。在高温下 经历双马来酞亚胺 中的双键与烯丙基 中双键的双烯加成和酞亚胺环 中的双键与双烯加成物的一反应,随后 生成具有梯形结构高交联密度的阴离子酞亚胺齐聚物。因而该体系表现如下特点在,较长时间如内,粘度在一范围不变一下,一即可凝胶有两个突出的放热峰,一个在,一个在,表明反应按两步进行玻璃化温度随后处理温度升高,推荐规范是调节两组份比例可获得多种体系,不同配比其性能不同。表体系中双马来酞亚胺与烯丙基双酚之比为,为,第二期赵渠森先进战斗机用复合材料树脂基体表记碳纤维复合材料力学性能一项目纤维体积含量密度留亩拉伸强度拉伸模量弯曲强

8、度弯曲模量层间剪切表双马来酞亚胺与烯丙基双酚配比体系及其性能,。体系体系体系性能体系体系体系拉拉伸强度断裂伸长率拉拉伸模量弯曲强度弯曲模量,压压缩强度压压缩模量干 态压压缩屈服率湿态注湿态为、湿度下浸泡 周固化工艺为,为。在上述三 种 配比中通常推荐,即过量,这是由于烯丙烯化合物,即这是由美国公司开发的双马来酞使在有引发剂存在时也难于自聚亚胺树脂,它由二异氰酸醋与环氧树脂改性 的与一复合后其复合材料有良好力学性一种双马来酞亚胺,由于 引入较多量环氧故其能,高温性能、老化性能都十分优越,见表操作工艺性较好,后处理也仅左右,但其表为 降低后处理温度的浇注料性能。耐热性低于其他商品牌号,玻璃化转变温

9、度仅高科技仟谁与应用第二十五卷表一一复合材料性能一浇注料性能性能体系体系表性能体系体系层间剪切强度拉伸强度,匀拉伸模量、湿老化老化弯曲强度湿一弯曲模量,湿注、湿度下放置 周老化固化条件一。一,因而只能限于以下温度 使用。纯树脂性能见表。碳纤维复断裂伸长率法注固化工艺,。合材料 的压缩性能,见表 所列。碳纤维复合材料的其他性能,诸如弯曲强度、弯 曲模量、层间剪切强度和面内剪切强度见表。碳 纤维复合材料韧性性能数据见表。纯树脂性能项目密度热 变形温度表数一千态湿态吸湿量无缺口冲击应 变 能释放率凝胶时间士项目拉伸强度拉伸模量伸长率冷弯曲强度室温弯曲模量室温数值干态,湿态干态,湿态干态,湿态干 态,

10、湿 态干 态,湿态干态,湿态第二期赵渠森先进战斗机用复合材料树脂基体表项目试验温度碳纤维复合材料的压缩性能纤维一一一压缩强度室温压缩模量口皿,洲二乙上口皿洲门工鉴压缩 应 变飞口门 了旧浦盈,山,一门湿态压缩强度湿态压缩模量系列在公司研制的双马来酞亚胺树脂系 列中,以颇受重视。一被美国一战斗机即原型机所选用。一正式被一战 斗机型号接纳。占一飞机结构的先进复合材料结构,包括几乎所有的外部蒙皮和某些框、梁和骨架,其基体材料是一双马来酞亚胺树脂,并以一一体系为主,对要求高抗损伤的少数部位则采用一一体系。一是 一种耐湿、抗冲击、耐高温的一种优质基体树脂,其刚性和湿热性能均优于。与其他树脂体系一样,许

11、多复合材料的力学性能、冲击韧性与成型 固化条件有关。表是开孔压缩强度随固化规范的变化,其中第一栏为一儿飞机结构复合材料件实际成型所采用的规范,所测数据均为吸湿后状态,吸湿条件是在水 中浸泡周,并于高科技仟谁与应用第二十五卷表碳纤维复合材料的其他性能项目试验温度纤维一一一月曰叼刁层间剪切强度,山,湿态层间剪切强度弯曲强度一室温一室温一室温一室温一室温弯曲模量纵横剪切强度纵横剪切模量一匀湿态纵横剪切强度湿态纵横剪切模量第二期赵渠森先进战斗机用复合材料树脂基体表碳纤维复合材料韧性性能项目试验温度纤维一一一开孔拉伸强度开孔压缩强度继稣表开孔压缩强度随固化规范的变化固化规范试验条件纤维铺层开孔压缩强度湿

12、态准备向同性湿态准备向同性湿态准备向同性湿态准备向同性湿态准备向同性下测定。为表为 固化规范对抗损伤能力的影 响,碳一纯树脂性能见表。表中树 脂纤维复合材料系一一层压板为 由层的固化条件是和 随后 的的准备 向同性取 向铺迭而成,采用能量后 固化,从表中可见经上述规范处理的树脂其落锤冲击,随后压缩直至破坏,试样与试验按弹性模量高,刚性较好,热变型温度高、耐温波音标准一进行。表中第,一栏性好。一复合材料的主 要性能见表,从的固化条件为一复合材料结构件实际采用的表中可见,它的高温性能非常突出。固化规范,相对应的冲击压缩强度值一碳纤维复合材料在湿态环境下仍有表固化规范对杭损伤 能力的影响固化温度冲击后压缩强度”八,玄勺高科技仟稚与应用第二十五卷表一纯树脂性能项项目数值项目数值值拉拉伸强度弯曲应变拉拉伸模量热变形温度断断裂应 变玻璃化转变温度弯弯曲强度表一复合材料的主要性能项目测试状态纤维一一一弯曲强度层剪强度室温湿湿室温湿湿室温湿湿室温湿湿一一点弯曲值一开孔压缩强度士剪切模高的压缩强度,以相同纤维层数层,相同纤维取向准各向同性,相近纤维体积分数一与和四官能 团环氧相比较,见图。未完待续豹豹豹膨常温黔湿态湿态二侧燃块噢一注图一和树脂湿态压缩性能比较