復(fù)合材料論文

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Abstract:TheresearchprogressandvarietyapplicationsofMatrixforCompositesweresummarizedandreviewedingeneral.Detailsonsomeexperimentalaswellasindustrialachievementswerelistedincategories.ThroughconsideringtheshortcomingsofcurrentmaterielsusedasMatrix,bringoutthebasicassumptionforfuturedevelopmentinthisfield.

Keywords:Composites;Matrix

前言

復(fù)合材料(Compositematerials)，是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，

通過物理或化學(xué)的方法組成的具有新性能的材料。各種材料在性能上相互取長補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿意各種不同的要求。隨著人們對于高性能材料的要求日益簡單和嚴(yán)格，開發(fā)新型的先進(jìn)的復(fù)合材料成為了人們的討論重點(diǎn)。因此總結(jié)和了解現(xiàn)代基體材料的進(jìn)展對于以后的討論有著至關(guān)重要的作用。

復(fù)合材料依據(jù)基體種類可分為樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、水泥基復(fù)合材料等。本文將集中探討樹脂基復(fù)合材料。

樹脂基復(fù)合材料是最先開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化推廣的，因此應(yīng)用面最廣、產(chǎn)業(yè)化程度最高。依據(jù)基體的受熱行為可分為熱塑性復(fù)合材料和熱固性復(fù)合材料。而熱塑性

復(fù)合材料是進(jìn)展較晚的，其中包含許多的新型較先進(jìn)的材料，下面將重點(diǎn)探討熱塑性復(fù)合材料的討論進(jìn)展。

正文

1.樹脂基復(fù)合材料概述

1.1熱固性樹脂基復(fù)合材料

熱固性樹脂基復(fù)合材料是指以熱固性樹脂如不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基酯樹脂等為基體，以玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等為增加材料制成的復(fù)合材料。

中國樹脂基復(fù)合材料始于1958年，通過大量引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)展相當(dāng)迅猛。在建筑、防腐、輕工、交通運(yùn)輸、造船等工業(yè)領(lǐng)域以及建筑，石油化工，交通運(yùn)輸，航空航天及軍事領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。

熱固性樹脂基復(fù)合材料的基體材料主要有環(huán)氧樹脂，聚酯，聚酰亞胺，酚醛樹脂四類。其中，環(huán)氧樹脂體系是先進(jìn)基體材料中應(yīng)用最為廣泛的一種樹脂體系，現(xiàn)代軍隊(duì)及航空航天領(lǐng)域的很多產(chǎn)品多用它的增加材料來做。下文中將會對一些針對環(huán)氧樹脂的改性討論及應(yīng)用進(jìn)行具體陳述。而酚醛樹脂是開發(fā)始于1910年的歷史最長的合成樹脂[1]。而聚酰亞胺則是另一種非常重要的集體材料，非常出名的雙馬來酰胺（BMI）即是一種特別的API體系（熱固性聚酰亞胺），而通過在聚酰亞胺主鏈上加入側(cè)基或柔性鍵，則可以制得熱塑性聚酰亞胺（TPI）。

1.2.熱塑性樹脂基復(fù)合材料

中國的熱塑性樹脂基復(fù)合材料開頭于20世紀(jì)80年月末期，近十年來取得了快速進(jìn)展，2000年產(chǎn)量達(dá)到12萬噸，約占樹脂基復(fù)合材料總產(chǎn)量的17%，與發(fā)達(dá)國家尚有差距。[2]過去基體材料主要以PA及PP為主，慢慢地作為熱塑性復(fù)合材料的基體材料越來越多，如今，新型的，或者說應(yīng)用于先進(jìn)復(fù)合材料中的基體材料主要有亞芳基聚合物，聚苯硫醚（PPS），聚醚醚酮（PEEK），聚酰胺亞胺（PAI），熱塑性聚酰亞胺（TPI），聚苯醚（PPE），以及聚硫醚砜，液晶聚合物，聚醚腈等。下文將就先進(jìn)復(fù)合材料基體樹脂材料進(jìn)行具體的探討。

2.先進(jìn)復(fù)合材料基體材料

下面將針對聚苯硫醚（PPS），聚醚醚酮（PEEK），聚酰胺亞胺（PAI），熱塑性聚酰亞胺（TPI），聚苯醚（PPE），以及聚硫醚砜，液晶聚合物，聚醚腈每種基體材料在近些年的進(jìn)展以及應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行逐一總結(jié)概括。

2.1聚醚醚酮（PEEK）

2.1.1聚醚醚酮(PEEK)優(yōu)勢與性能

聚醚醚酮(PEEK)是一種半結(jié)晶性的芳香族線性熱塑性工程塑料,由于它兼具芳香族熱固性塑料的耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性,及熱塑性塑料的易加工性的特點(diǎn)，且具有無毒、重量輕和拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度、抗蠕變性、抗疲憊性、耐磨損性、阻燃性、耐輻照性、電絕緣性等綜合性能優(yōu)良的特點(diǎn)，是一種被廣泛使用的高性基體材料。通過將不同品種和比例的補(bǔ)強(qiáng)填料和幫助原料,如玻璃纖維、碳纖維、碳納米管、碳粉、碳化硅、氮化硅、石墨、二硫化鉬等經(jīng)過特別處理,與聚醚醚酮相復(fù)合而得到的聚醚醚酮復(fù)合材料經(jīng)常具有優(yōu)秀的性能。

2.1.2聚醚醚酮(PEEK)復(fù)合材料的應(yīng)用

目前，此種復(fù)合材料,產(chǎn)品已在壓力容器、壓縮機(jī)、水泵、閥門等通用機(jī)械中漸漸應(yīng)用,有的產(chǎn)品已批量生產(chǎn)。比如高溫用PEEK復(fù)合材料生產(chǎn)的三瓣密封環(huán),用在氫氣壓縮機(jī)上,該壓縮機(jī)的工況條件惡劣,壓力為60MPa,溫度為260℃,含有催化劑硬質(zhì)顆粒等雜質(zhì)。[3]另外，用PEEK復(fù)合材料生產(chǎn)的水泵導(dǎo)軸承、隔板、徑向軸承、推力盤等產(chǎn)品,用在艦船水泵上。這些討論開發(fā)所得到的PEEK復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、自潤滑性能好、耐磨損、長壽命等優(yōu)點(diǎn),在汽車零部件、通用機(jī)械、工程機(jī)械、煉油、化工、宇航、軍工等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用前景,是許多高強(qiáng)度、低磨損、長壽命零部件和產(chǎn)品的替代材料。

2.1.3聚醚醚酮(PEEK)的改性討論進(jìn)展

自2000年以來，單一的聚醚醚酮樹脂越來越難以滿意人們的要求，于是國內(nèi)外將討論的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向?qū)τ诰勖衙淹獦渲母男杂懻?，而聚醚醚酮的改性主要有以下幾種手段：

2.1.3.1無機(jī)填料填充改性

用于填充的無機(jī)填料一般都是微米、納米級無機(jī)顆粒，如Al2O3、CuO、CaCO3、

SiN、Si3N4、ZrO2等。納米粒子化學(xué)反應(yīng)活性高，并且可以與聚合物界面相互作用，因此，被廣泛用于PEEK和其他聚合物的改性。

2022年山東東營石油高校機(jī)電學(xué)院的彭旭東，馬紅玉等人以納米TiO2及聚四氟乙烯(PTFE)作為復(fù)合填料,利用熱壓成型方法制備了納米TiO2-PTFE填充聚

醚醚酮(PEEK)復(fù)合材料，采納銷-盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)考察了納米微粒對復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響，并用掃描電子顯微鏡觀看分析了復(fù)合材料磨損表面形貌.得出了填充適量TiO2有利于PEEK/PTFE復(fù)合材料的耐磨性能的提高。[4]2022年

國外的R.K.Goyal等將PEEK粉末和Al2O3在酒精中通過磁力攪拌分散勻稱,干燥

后熱壓成型制得復(fù)合材料試樣，并討論了其耐磨性能。[5]

2.1.3.2連續(xù)纖維增加改性

連續(xù)纖維增加一般是采納PEEK樹脂與長纖維在特定的設(shè)備與工藝條件下充分浸漬制得。增加纖維為玻璃纖維、芳綸纖維、碳纖維、麻纖維等。由于改性后的PEEK樹脂具有優(yōu)良的力學(xué)性能、沖擊性能、耐高溫性能而成為高分子復(fù)合材料研發(fā)與應(yīng)用的熱點(diǎn)領(lǐng)域。

2022年J.PauloDavim等分別以30%碳纖維和30%玻璃纖維為增加材料，通過擠出成型制得PEEK復(fù)合材料，討論了復(fù)合材料的耐磨性能和摩擦系數(shù)，并與純PEEK進(jìn)行對比，得出這種長纖維的添加對于PEEK增加樹脂的耐磨性能改善顯著，其中玻璃長纖維效果最好。[6]我國西北工業(yè)高校的吳新明,齊暑華,賀捷,理莎莎等人于同年12月對長玻纖增加注塑聚醚醚酮復(fù)合材料的加工工藝與力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)討論，以含30%的長玻璃纖維增加聚醚醚酮為原材料,采納注塑成型的方法討論了聚醚醚酮復(fù)合材料的加工工藝參數(shù)包括冷卻速率、成型壓力、成型溫度及模具溫度與力學(xué)性能的關(guān)系,并對模具溫度為180℃時PEEK復(fù)合材料的微觀形貌進(jìn)行分析,得出綜合性能最佳時的參數(shù)。[7]

2.1.3.3短纖維增加改性

短切纖維增加的高分子材料的突出優(yōu)點(diǎn)是易加工成型，擠出、模壓、注塑等常規(guī)加工方法均適用，短切玻璃纖維和碳纖維具有較高的強(qiáng)度和模量，與PEEK的親和性好，可起到較好的增加效果。G.Zhang等以短碳纖維、石墨和聚四氟乙

烯PTFE）為填料，在400℃下熱壓成型制得PEEK復(fù)合材料，發(fā)覺填充后的PEEK

[8]耐磨性提高。2022年，我國四川綿陽中國工程物理討論院化工材料討論所唐明

靜等人通過熔融共混法制備了聚醚醚酮/碳纖維(PEEK/CF)復(fù)合材料。采納差示掃描量熱分析法(DSC)、掃描電子顯微鏡(SEM)、動態(tài)熱機(jī)械分析儀(DMA)、微歐計、高阻計等考察了復(fù)合材料的熱性能和電性能。[9]該文通過討論聚醚醚酮/碳纖維復(fù)合材料的熱性能和電性能,得出了有利于拓寬高性能聚合物復(fù)合材料在航天、航空和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用的討論結(jié)果。

2.1.3.4晶須增加改性

晶須是指高純度單晶生長而成的直徑幾微米、長度幾十微米的單晶纖維。機(jī)械強(qiáng)度近似等于原子間價鍵力的理論強(qiáng)度，是一類力學(xué)性能優(yōu)異的新型復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)增韌材料。

2022年我國李志方以CaCO3晶須為填料，通過熱壓成型工藝制得PEEK基復(fù)

合材料，討論發(fā)覺：在干摩擦條件下，填充CaCO3可明顯降低PEEK基復(fù)合材料

的摩擦系數(shù)。[10]

2022年林有希等人同樣以CaCO3晶須為填料，利用熱壓成型方法制備含0%～

50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))碳酸鈣晶須增加聚醚醚酮(PEEK)復(fù)合材料,采納MM2200型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)討論碳酸鈣晶須含量對復(fù)合材料與45#鋼環(huán)配副的摩擦磨損性能

的影響,利用掃描電子顯微鏡觀看復(fù)合材料和鋼環(huán)磨損表面形貌并分析其磨損機(jī)理.同樣證明白碳酸鈣晶須改善聚醚醚酮復(fù)合材料的作用。[11]

2.1.3.5聚合物共混改