陈平等:高性能热塑性树脂基复合材料的研究进展 在国内,长春应化所和吉林大学等单位在聚醚砜的耐热性以及良好的回弹性、耐化学腐蚀性,因此 (PES)、聚醚酮(PK)等的主链上引入侧基,开发出玻璃纤维在军工、民用、火箭发动机壳体、飞机以及 了可溶性酚酞侧基聚醚砜(PES-C)、酚酞侧基聚醚耐腐蚀性装置中应用较多。表2为几种玻璃纤维的 酮(PEK-O);大连理工大学高分子材料系在/八#性能比较。 五、九#五0期间研制开发出一系列新型高性能工程 塑料,如聚芳醚砜酮(PESK)、聚芳醚酮酮(PPE 表2玻璃纤维性能比较(常温) KK)n等。表1列出了常用的高性能树脂的热性 E·玻璃C玻璃S-玻璃石英 能及力学性能。 抗张强度(Ca) 复合材料中的热塑性树脂除了要有良好的机械 抗张模量(a) 81.3 性能、高稳定性、耐化学腐蚀性,选择树脂的另一关 伸长度(%) 484.85.7) 键在于其加工性能。对于高性能的热塑性树脂,一 热膨胀系数(10k)546.32.80.5 般都是难溶难融甚至不溶不融的,这就给复合材料 比重(gPum3) 255 的树脂浸渍和成型加工造成了困难,加工温度越高, 导热系数(Wnk) 生产过程中树脂越容易热氧化、降解,因此要选择合 比热(kgK) 0.8250.7870.770.% 适的树脂,避免生产时提高对设备的要求不利于降 低成本 增强用碳纤维在六十年代末首次投入市场,历 史不长,但其独特的性能))高比强度、高比模量、 表1一些高性能热塑性树脂基体性能 耐磨、导电性、长期受力不发生蠕变和疲劳、ⅹ射线 抗张模量抗张强度延伸率 透过性、尺寸稳定性、热膨胀系数小、耐腐蚀、耐高温 基体(e) ( MPa) (%) 等等,使其成为性能最广、用途最多的增强纤维,可 PEKK 3.79 413 用于宇航、卫星、精密仪器、民用、火箭、飞机、X)射 线装置、医学等各个部门。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 215 维先驱体仍然主要是PNN和沥青纤维,二者的用量 比例约为6B1。一般来说,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 135 PN或沥青纤维,均可获得高强高模复合材料。表 PES- C 3所列为部分高性能碳纤维的有关性能“町 cK- C 2 PPESK l1.2 表3高性能碳纤维的有关性能 类型伸长率(%)抗张强度(Ma)抗张模量(GPa) 2.2增强纤维 2900 T700s 增强纤维作为复合材料的另一组成部分决定了 复合材料最终的机械性能,增强纤维本质上是具有 r1000G 高性能的材料,即高强度、高模量,但如今作为增强 材料,还要求有优异的热稳定性和耐高温性能。目 前玻璃纤维、碳纤维和高性能的有机纤维仍是制造 高性能FRTP的主要纤维品种 玻璃纤维是商业中最成功、也是应用最多的 种增强纤维,根据组成成份的差异,可以分为E) 玻璃纤维、C)玻璃纤维、S)玻璃纤维和D)玻璃纤 维。用于复合材料生产的玻璃纤维绝大部分是钙铝 硼硅酸盐E)玻璃纤维,90%的连续玻璃纤维均是 高性能有机纤维包括柔性链结构的超高强度聚 E)玻璃成份,某些特殊场合下也常用S)玻璃。玻乙烯纤维(UHIP)、芳纶纤维(鬥AA)和刚性链结构 璃纤维具有很高的强度、合理的模量、高熔点、优良的聚对苯撑苯并二恶唑纤维(PBO)。UHPE纤维密在国内, 长春应化所和吉林大学等单位在聚醚砜 (PES)、聚醚酮( PEK) 等的主链上引入侧基, 开发出 了可溶性酚酞侧基聚醚砜( PES- C)、酚酞侧基聚醚 酮( PEK- C) ; 大连理工大学高分子材料系在/ 八# 五、九#五0期间研制开发出一系列新型高性能工程 塑料, 如聚芳醚砜酮( PPESK)、聚芳醚酮酮( PPE2 KK) [ 3- 7] 等。表 1 列出了常用的高性能树脂的热性 能及力学性能。 复合材料中的热塑性树脂除了要有良好的机械 性能、高稳定性、耐化学腐蚀性, 选择树脂的另一关 键在于其加工性能。对于高性能的热塑性树脂, 一 般都是难溶难融甚至不溶不融的, 这就给复合材料 的树脂浸渍和成型加工造成了困难, 加工温度越高, 生产过程中树脂越容易热氧化、降解, 因此要选择合 适的树脂, 避免生产时提高对设备的要求, 不利于降 低成本。 表 1 一些高性能热塑性树脂基体性能 树脂 基体 Tg ( e ) 抗张模量 ( GPa) 抗张强度 (MPa) 延伸率 ( % ) PEKK 156 4. 50 102 4 PEEK 144 3. 79 103 11 HTX 205 2. 48 86 13 PAS- 2 215 3. 28 101 8 PPS 85 3. 91 80 3 PEI 217 2. 96 104 60 PES 260 2. 41 76 7 PAI 283 3. 30 135 25 PES- C 260 3. 2 89 3 PEK- C 228 3. 5 103 3. 3 PPESK 284 1. 41 90. 7 11. 2 2. 2 增强纤维 增强纤维作为复合材料的另一组成部分决定了 复合材料最终的机械性能, 增强纤维本质上是具有 高性能的材料, 即高强度、高模量, 但如今作为增强 材料, 还要求有优异的热稳定性和耐高温性能。目 前玻璃纤维、碳纤维和高性能的有机纤维仍是制造 高性能FRTP 的主要纤维品种。 玻璃纤维是商业中最成功、也是应用最多的一 种增强纤维, 根据组成成份的差异, 可以分为: E ) 玻璃纤维、C ) 玻璃纤维、S ) 玻璃纤维和 D) 玻璃纤 维。用于复合材料生产的玻璃纤维绝大部分是钙铝 硼硅酸盐 E ) 玻璃纤维, 90% 的连续玻璃纤维均是 E ) 玻璃成份, 某些特殊场合下也常用 S) 玻璃。玻 璃纤维具有很高的强度、合理的模量、高熔点、优良 的耐热性以及良好的回弹性、耐化学腐蚀性, 因此, 玻璃纤维在军工、民用、火箭发动机壳体、飞机以及 耐腐蚀性装置中应用较多。表 2 为几种玻璃纤维的 性能比较。 表 2 玻璃纤维性能比较( 常温) E- 玻璃 C- 玻璃 S- 玻璃 石英 抗张强度( GPa) 3. 44 3. 31 4. 58 3. 4 抗张模量( GPa) 81. 3 ) 86. 8 69 伸长度( % ) 4. 8 4. 8 5. 7 ) 热膨胀系数( 10 - 1PK) 5. 4 6. 3 2. 8 0. 5 比重( gPcm3 ) 2. 55 2. 56 2. 5 2. 2 导热系数( WPmk) 0. 87 ) ) ) 比热( kJPkg# K) 0. 825 0. 787 0. 737 0. 96 增强用碳纤维在六十年代末首次投入市场, 历 史不长, 但其独特的性能))) 高比强度、高比模量、 耐磨、导电性、长期受力不发生蠕变和疲劳、X 射线 透过性、尺寸稳定性、热膨胀系数小、耐腐蚀、耐高温 等等, 使其成为性能最广、用途最多的增强纤维, 可 用于宇航、卫星、精密仪器、民用、火箭、飞机、X) 射 线装置、医学等各个部门。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 6B1。一般来说, 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P高模复合材料。表 3 所列为部分高性能碳纤维的有关性能 [ 8- 10] 。 表 3 高性能碳纤维的有关性能 类型 伸长率(% ) 抗张强度(MPa) 抗张模量(GPa) T300 1. 7 2900 230 T700S 2. 1 4900 230 T800H 1. 9 5490 294 T1000G 2. 2 6370 294 M50J 0. 8 4120 475 M55J 0. 8 4020 540 M60J 0. 7 3920 588 IM400 1. 5 4510 295 IM600 2. 0 5690 285 UM40 1. 2 4900 380 UM55 0. 7 4020 540 UM68 0. 5 3300 650 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 的聚对苯撑苯并二恶唑纤维( PBO)。UHTPE 纤维密 2 期 陈 平等: 高性能热塑性树脂基复合材料的研究进展 53