低温固化高性能复合材料技术.pdf

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低温固化高性能复合材料技术低温固化高性能复合材料技术LowTemperatureCureHighPerformanceComposites陈祥宝,张宝艳,李斌太(北京航空材料研究院,北京100095)———CHENXiangbao,ZHANGBaoyan,LIBintai(BeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095,China)摘要:主要综述了低温固化高性能环氧复合材料技术和低温固化耐高温复合材料技术的发展及其应用现状。对于低温固化环氧复合材料,主要介绍了环氧复合材料的低温固化剂技术、低温固化环氧复合材料固化特性、力学性能和低温固化环氧复合材料的应用等。对于低温固化耐高温复合材料,主要介绍了可在高温环境下长期使用的低温固化聚酰亚胺复合材料。关键词:复合材料;低温固化;环氧;固化剂;聚酰亚胺中图分类号:TB332文献标识码:A———文章编号:10014381(2011)01000106—Abstract:Thedevelopmentsandapplicationsoflowtemperaturecureepoxyandhighheatresistance—compositesystemswerereviewed.Thecuringagents,curingbehavior,mechanicalpropertiesandap—plicationsoflowtemperaturecureepoxymatrixcompositeswereintroduced,andakindoflowtem—peraturecurehighheatresistancepolyimidecompositewasalsodiscussed.Keywords:composite;lowtemperaturecure;epoxy;curingagent;polyimide树脂基复合材料具有高比强度、高比刚度、耐腐蚀、抗疲劳性能好、可设计性强、便于大面积整体成型等独特优点,在航空航天、基础设施、沿海油气田、风力发电、汽车和体育用品等领域应用El广。目前树脂基复合材料存在的主要问题是成本高、制造周期长和可靠性低等,特别是复合材料的高成本,严重制约了复合材料进一步扩大应用n]。因此如何降低复合材料的成本已经成为迫切需要解决的关键问题之一。先进树脂基复合材料的成本构成主要包括三个方面:材料成本、设计和制造成本以及使用维护成本。据统计,在复合材料研制阶段,制造成本高达85以上,即使在小批量生产阶段,制造成本也高达6O~7O。因此,解决先进树脂基复合材料成本过高的关键是降低制造成本[1]。而造成复合材料制造成本过高的主要原因是由于复合材料在高温固化带来的高能耗,必须应用耐高温工装模具和耐高温成型辅助材料。通过降低复合材料的固化成型温度,可以降低复合材料固化成型的能耗,使用耐热要求低价格便宜的工装模具和成型辅助材料,从而实现明显降低复合材料的制造成本。此外,低温固化树脂基复合材料构件的尺寸精度较高,内应力低,也是复合材料提高综合性能的一个重要途径。本文主要介绍低温固化高性能环氧复合材料和低温固化耐高温复合材料技术的发展及其应用现状。1低温固化高性能环氧复合材料技术℃高性能环氧复合材料主要包括中温固化(120)℃和高温固化(180)环氧复合材料,具有优异的工艺性和力学性能,是航空航天等领域最常用的复合材料之一。低温固化高性能环氧复合材料一般是指固化温度℃低于80,但使用温度、力学性能和中高温固化环氧复合材料性能相当的一类环氧复合材料。低温固化高性能环氧复合材料目前已经初步形成系列,并已从非承力结构应用发展到承力结构应用。表1所列为国内外部分高性能低温固化环氧复合材料主要特性_1。1.1低温固化环氧复合材料固化剂技术低温固化剂是低温固化环氧复合材料技术的关键之一。一般来说,环氧复合材料的固化温度越低,预浸料在室温下的适用期就越短。由于复合材料构件制造周期较长,一般要求预浸料在室温能够有lOd左右的适用期。因此低温固化环氧复合材料首先要解决的关键是低温快速固化和室温长适用期的矛盾。这就需要℃在室温下反应活性很低,而在固化温度(80以下)具有较高反应活性的低温固化剂。2材料工程/2011年1期低温固化剂的反应活性可以通过化学改性和物理形态控制实现调控。改性咪唑类低温固化剂是常用的低温固化剂。咪唑化合物是具有两个N原子的五元环,一个N原子构成仲胺,一个N原子构成叔胺,所以咪唑类化合物和环氧树脂反应,可以通过咪唑分子的未共用电子对进攻环氧基上的c抖原子,形成氧阴离子和通过咪唑分子仲胺原子上的活泼氢与环氧基发生加成反应而进行固化反应。通过对咪唑类化合物的仲胺原子上的活泼氢采用不同取代基取代,可以改变咪唑类固化剂的电负性、碱性和增大位阻效应,实现咪唑“”“”类固化剂反应活性的钝化,同时控制钝化的咪唑固化剂形成在室温下不溶于环氧树脂固体颗粒,减小反应面积,可进一步延长树脂体系的室温适用期。酰亚胺类化合物分子结构中含有a,B不饱和酮结构,多官能度环氧树脂含有多个环氧活性基团,这两种化合物可和咪唑发生1,4加成反应,形成酰亚胺类化“”合物和多官能度环氧树脂钝化咪唑固化剂。由于酰亚胺类结构是耐热性很好的结构,多官能度环氧树脂可以提高固化物交联密度,因此酰亚胺类化合物和多“”官能度环氧树脂钝化咪唑固化剂的应用可以提高复合材料的耐热性。表2为酰亚胺类化合物和多官能度“”环氧树脂钝化咪唑固化剂的分子结构、形态和反应特性。从表2可以看到,酰亚胺类化合物和多官能度“”环氧树脂钝化咪唑固化剂可以满足室温长适用期和固化温度下快速固化的要求]。“”表2酰亚胺和环氧化合物钝化咪唑固化剂的基本性能Table2Mainpropertiesofimideandimidazolecuringagentspassivatedbyepoxy。…c。mp。un・…“““…一--CH2一cII—NI—MultifunctionCH:--O--R…m0di6ed≮一cHrH一2“““。MixedwithE51epoxy低温固化高性能复合材料技术3微胶囊技术口也开始在低温固化复合材料领域得到应用,其基本原理是用热塑性树脂将固化剂包覆起来形成微胶囊,室温下微胶囊隔绝固化体系与环氧树脂的接触,在固化温度下热塑性树脂溶解于环氧树脂而释放出活性剂实现复合材料固化。采用微胶囊技术可有效实现低温固化和室温储存稳定性。目前采用微胶囊技术制备低温固化复合材料树脂体系,主要存在的问题仍是难以制备颗粒度小(小于5/ ̄m)的微胶囊颗粒。双氰胺衍生物、硼胺络合物/有机酰肼类、有机酸酐、脂肪胺类和芳香类等都可以作为低温固化环氧树脂的固化剂使用,但也往往需要进一步改性,或添加相应的促进剂或催化剂等口。1.2低温固化环氧复合材料的固化特性和性能低温固化环氧复合材料的固化特性明显不同于常规复合材料。低温固化环氧复合材料一般在低温下固化,达到一定固化度后在自由状态下进行后处理,获得最终性能。因此了解低温固化复合材料的固化特性对于制定复合材料构件的成型工艺参数是非常重要的。—图1是LTO3低温固化复合材料树脂基体在不同固化温度下固化度随时间的变化情况。从图1可以℃发现,对于LT一03低温固化复合材料,在经历75/℃℃5h,80/3h或85/2h后,固化度可以达到o.75~o.80,复合材料具有了一定的强度和刚度,可以进行脱模操作和在自由状态下进行后处理l】]。图1不同固化温度下LT-03树脂基体固化度和时间的关系Fig.1TherelationofcuringdegreeandtimeatdifferenttemperaturesofLT一03resin图2是LT一03低温固化复合材料体系固化度和玻璃化转变温度之间的关系。从图2可以看到,LT一03低温固化复合材料固化度可达到0.75~0.8O,玻璃℃化转变温度可达到100左右。为了保证自由状态后处理时构件不变形,应该控制在后处理升温过程中其处理温度始终低于复合材料的玻璃化转变温度。图2LT03低温固化复合材料固化度和玻璃化转变温度的关系Fig.2TherelationofcuringdegreeandglasstransitiontemperatureofLT一03composite图3是在后处理过程中不同升温速率下LT一03复合材料玻璃化温度的变化。当后处理过程中升温速℃率低于0.2/rain时,LT-03低温固化复合材料的玻璃化转变温度提高的速率大于或等于后处理温度的升高速率,在这样的后处理条件下,构件在自由状态下后处理不会发生明显的变形。过快的升温速率会使后处理温度高于复合材料的玻璃化转变温度,导致在自由状态下后处理的复合材料构件发生严重变形。—图3不同升温速率下LTO3复合材料玻璃化转变温度的变化Fig.3EffectoframpingrateontheglasstransitiontemperatureofLT一03composite表3为不同低温固化环氧复合材料的主要力学性能,从表3可以看到,低温固化环氧复合材料的力学性能达到和中高温固化环氧复合材料相当的水平。复合材料构件固化变形除了和铺层结构对称性有关外,树脂和增强材料的热膨胀不匹配是引起变形的重要因素。低温固化复合材料的应用可以明显降低复合材料构件的固化变形。表4是不同固化温度下不对称铺层复合材料平板的固化变形情况,由表4可以看出,在其他条件相同的情况下,高温固化复合材料体系的变形比中温固化复合材料体系的变形大,低温固OOOOOO0OOO"HB¨m98\4材料工程/2011年I期—Note:a)LTM451resinwasdevelopedbyACG.b)5228Aand3234arehightemperatureepoxyandmiddlingtemperaturecureresinsystems,respectively.表4不同复合材料固化后的最大变形尺寸/ramTable4Distortionsizeofdifferentcomposites/mm化复合材料体系的变形最小。因此,低温固化复合材料尺寸稳定性最高,特别适宜制造大型或高尺寸精度复合材料构件。2耐高温低温固化复合材料技术耐高温复合材料在航空发动机、高超声速飞行器具有广泛的应用前景。目前得到应用的耐高温复合材料主要是PMR聚酰亚胺复合材料。耐高温聚酰亚胺℃复合材料存在的主要问题是固化温度高(300以上)、或型压力大和工艺窗口窄,因此耐高温聚酰亚胺复合材料构件成型必须在高温高压罐中进行,设备投资大、能耗高、合格率低。通过设计和合成新的分子结构降低固化温度,改善工艺性是耐高温树脂基复合材料扩大应用的关键。本文主要介绍低温固化但可在高温环境长期使用的新型聚酰亚胺复合材料。为了降低聚酰亚胺复合材料的固化温度,GulfOil公司研制了牌号为Thermid600的乙炔封端聚酰亚胺,树脂化学结构见图4。Thermid600树脂基复合材料可以在较低的温度下固化,具有较好的力学性能,长℃期使用温度达到288。存在的问题是工艺性差:树脂溶解性不好,凝胶时间短、固化工艺窗口窄。c0附图4Thermid600树脂低聚物分子结构Fig.4MolecularstructureofThermid600resinoligomer为了改善复合材料的工艺性,采取的措施之一是引入异酰亚胺结构,商业化的树脂牌号为ThermidIP一—600,分子结构如图5所示。ThermidIP一600与Thermid600树脂性能的对比分析表明,与酰亚胺结构相比,异酰亚胺结构不仅能提高树脂低聚物在溶剂中的溶解性,而且还使树脂低聚物具有更低的熔融温度和更低的熔体黏度,树脂的工艺窗口可以增加到约30min,但对于大型或复杂的复合材料制件其工艺窗口仍然不够。为了进一步改善乙炔封端聚酰亚胺树脂和复合材低温固化高性能复合材料技术5c嘞’H料的工艺性与耐热性能,设计合成了以非对称联苯二酐和非对称二胺为单体的异酰亚胺低聚物LH300,分子结构如图6所示。LH300树脂在N一甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、丙酮中都具有良好的溶解性,树脂低聚物熔℃℃融温度为120,120时的熔体黏度为2000mPa・S,℃固化温度为200,工艺性较ThermidIP一600乙炔封端聚酰亚胺有进一步的改善。图6LH300树脂低聚物分子结构Fig.6MolecularstructureofLH300resinoligomer图7是LH300树脂固化物分别在氮气和空气中的热失重试验结果,由图7可以看到树脂固化物在氮气中达到5失重时的温度在460 ̄C以上,而在空气中失重达到5的温度在450 ̄C以上,表明LH300乙炔封端聚异酰亚胺树脂体系具有良好的耐热性和高温稳定性。图7LH300树脂固化物的TGA曲线Fig.7TGAcurveofcuredLH300resin以G803和G827碳布作为增强材料,分别制备了LH3O0/G803和LH3O0/G827复合材料,复合材料在℃℃200预固化,经300后处理后玻璃化转变温度为℃358,力学性能优异(见表5)。为考察复合材料的热老化性能,测试了树脂、纤维和复合材料在300oC空气中老化loOh后的失重结果如图8所示。由图8可以看到,LH300树脂粉末在老化过程中失重呈现平缓和连续的变化,老化lOOh后失重达到4,而LH300/G803和LH300/G827两种复合材料的失重则较小,300 ̄C老化lOOh后失重分别为1.24和1.26,说明复合材料具有良好的高温稳定性。表5LH300复合材料力学性能Table5MechanicalpropertiesofLH300composite℃图8LH300复合材料及各组元在300空气中老化失重Fig.8MasslossofLH300compositeanditscomponentsat30o ̄C3低温固化复合材料在航空领域的应用[1,12,13]低温固化复合材料从20世纪8O年代开始得到了推广应用,最初主要应用于复合材料工装和汽车领域,2O世纪9O年代早期,低温固化复合材料开始应用于航空结构件。1996年,NASA和麦道公司采用LTM10低温固化复合材料制造了x一36无人战斗机蒙皮。1998年,AwV采用LTM45低温固化复合材料研制了X一34的机翼,机翼长度8.5m左右,构件面积超过20m。,质量达到680kg。SCHIEBEL公司分别采用MTM49和LTM212—低温固化复合材料制造了COMCOPTERSi00UAV的机身蒙皮和复合材料成型模具。AESIR公司使用6材料工程/2011年1期MTM28中低温固化复合材料制备该公司的ODIN,HODER和VIDAR等垂直起落(VTOL)UAV的机身。美国加州的SWIFTEngineeringInc采用LTM12低温固化复合材料制备KIIIERBEE和FIRESCOUTUAV构件。2009年6月,美国空军研究试验室和洛马公司联“”合完成了先进复合材料货运飞机(ACCA)的首次验证飞行。ACCA是基于道尼尔328J飞机经过升级改造而来,其主要变化包括采用先进低温固化复合材料制造机身尾段和垂尾。道尼尔328J原本有3000个金属零件和30000个紧固件,洛马公司在ACCA上减少了近90,只用了300个金属零件和不到4000个紧固件。如果这项计划能达到预期目标,将可能在未来10年内对航空制造业产生革命性影响。除了航空航天复合材料结构件和模具构件外,低温固化复合材料在汽车和舰船等领域也得到较广泛应用。如福特MUSTANG汽车50的外部和内部结构采用低温固化LTM26EL预浸料制造,包括引擎盖、前格栅板、前后底裙、后尾灯板、顶部侧板等。RIBA、—CQUIP公司、JEREMYROGERS游艇公司、TREND海上用品公司等多家单位应用低温固化复合材料制备了海上游艇的梯子、桅杆、壳体等多种结构,应用十分广泛,如ERICSSON3和ERICSSON4赛艇以及IRC60轻舟就是采用VTM264预浸料制备桅杆、船体和甲板。VTM267FRB已经得到许可应用于搜救工作飞行器结构中。国内低温固化复合材料同样得到一定的应用。LT一01低温固化复合材料已经用于制造大型飞机复合材料腹鳍、歼击机S型蒙皮、卫星百叶窗和反射镜等,LT一03A低温固化复合材料已经应用于直升机和无人机构件。和采用中温固化复合材料相比,低温固化复合材料腹鳍制造成本降低26,低温固化无人机复合材料副翼制造成本降低42。LT一02低温固化模具材料成功应用于高结构效率的新型复合材料模具结构,成功制备了刚度高、质量轻的无人机复合材料机翼盒段成型模具。4结束语低温固化高性能复合材料技术具有如下优点:1)制备构件时可以使用低成本工装模具;2)适于制备大尺寸复合材料构件,尤其是低温真空压力成型体系,无需使用热压罐,复合材料构件的尺寸可以不受热压罐大小的限制;3)固化温度低,复合材料构件尺寸变形小,可明显提高复合材料构件的尺寸精度;4)低能耗。由于固化温度低,尤其是低温真空压力成型复合材料,不使用热压罐,能耗降低。低温固化高性能复合材料在军民两用领域具有良好的应用前景。低温固化高性能复合材料技术进一步的发展方向:1)加强已有低温固化高性能环氧复合材料的扩大应用,充分发挥低温固化高性能环氧复合材料的性能优势和成本优势,加强其在无人机、直升机、通用飞机以及汽车和舰船领域的应用;2)除低温固化高性能环氧复合材料外,重点发展低温固化耐高温复合材料及其应用技术,扩大低温固化复合材料的应用领域,实现低温固化耐高温复合材料在航空发动机等领域的应用;3)进一步提高低温固化复合材料的性能以及发展和低成本制造技术相匹配的低温固化复合材料技术,进一步提高低温固化高性能复合材料的应用效能。参考文献[1]陈祥宝.低成本复合材料技术[M].北京:化学工业出版社,2004.—[2]CHRISRIDGARD.Affordableproductionofcompositepartsusinglowtemperaturecuringprepregs[A].45InternationalSAMPESymposium[C].LongBeach:DEStechPublications,Inc,2000.1353一l367.—[3]JACKSONK.Lowtemperaturecuringmaterials:thenextgeneration[A].43InternationalSAMPESymposium[C].LongBeach:DEStechPublications,Inc,1998.18.[4]GUOFX,1ANASR,JACKB.CycomX5215-anepoxyprepregthatcuresvoidfreeoutofautoclaveatlowtemperature[A].43InternationalSAMPESymposium[C].LongBeach:DEStecbPublications,Inc,1998.719.—[5]FRANKL.From491toHX1567developmentofalowenergycornpositerepairsystem[A].35InternationalSAMPESymposium[C].LongBeach:DEStechPublications,Inc,1990.22022215.[6]刘天舒.低温固化复合材料技术基础研究[D].北京:北京航空材料研究院,2004.[7]潘煜怡.咪唑类环氧树脂固化剂的改性方法及其应用[J].热固性树脂,2001,16(4):2l24.[8]陈连喜,张惠玲,雷加珩.环氧树脂潜伏性固化剂研究进展[J].—化工新型材料,2004,32(7):2932.[9]徐武,王煊军,刘祥萱.潜伏性环氧固化剂研究进展[J].粘结,—2006,27(6):2628,52.[i0]CHENCS,EIIMP.Theborontrifluoridemonoethylaminecomplexcuredepoxyresins[J].JournalofAppliedPolymerSci—ence,1989,37:11051124.[11]陈平,刘胜平.环氧树脂[M].北京:化学工业出版社,1997.[12]AdvancedCompositeGroup.GeneralProductSelectGuide[R].[13]AdvancedCompositeGroup.Technologycentrereport[R].Derbyshirle:AdvancedCompositeGroup,2009.———收稿日期:20100625;修订日期:2010-1018作者简介:陈祥宝(1956),男,研究员,研究方向为树脂基复合材料,—联系地址:北京市81号信箱3O分箱(100095),Email:xiangbao.chen@biam.ac.cn
周大爷
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