先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料簡介

先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料是以有機(jī)高分子材料為基體、高性能連續(xù)纖維為增強(qiáng)材料、通過復(fù)合工藝制備而成,具有明顯優(yōu)于原組分性能的一類新型材料[1-2]。目前廣泛應(yīng)用的先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料主要包括高性能連續(xù)纖維增強(qiáng)環(huán)氧、雙馬和聚酰亞胺復(fù)合材料。先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度和比模量、抗疲勞、耐腐蝕、可設(shè)計性強(qiáng)、便于大面積整體成型以及具有特殊電磁性能等特點(diǎn),已經(jīng)成為繼鋁合金、鈦合金和鋼之后的最重要航空結(jié)構(gòu)材料之一[3] 。先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用,可以實(shí)現(xiàn)15%～30%減重效益,這是使用其它材料所不能實(shí)現(xiàn)的。因此,先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料的用量已經(jīng)成為航空結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的表現(xiàn)。圖1 為復(fù)合樹脂模具和鋁合金、鈦合金等輕質(zhì)金屬材料的比強(qiáng)度和比模量。

圖1　先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料和輕質(zhì)金屬材料的比強(qiáng)度和比模量

玻璃纖維(GF)、碳纖維(CF)、玄武巖纖維(BF)以及芳給纖維(AF)是最常見的纖維品種。各種增強(qiáng)纖維各有優(yōu)點(diǎn),可以根據(jù)不同場合的需要選擇合適的纖維或者混雜纖維進(jìn)行增強(qiáng),賦予材料優(yōu)良的力學(xué)性能以及不同的功能。表1是各種增強(qiáng)纖維常見性能的比較。

表1 各種增強(qiáng)纖維常見性能的比較

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纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)理

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的復(fù)合不是簡單的將各種組分材料組合在一起,而是一種包括了化學(xué)的、物理的、力學(xué)的、甚至生物的相互作用的復(fù)雜結(jié)合程[4]。對于短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)理,首先要了解應(yīng)力傳遞理論。

因?yàn)閺?fù)合材料在受力時,所受載荷或外力一般都應(yīng)是直接作用在基體上,然后再過一定的方式傳遞到纖維上,使纖維承受載荷。與長纖維的增強(qiáng)相比較,短纖維所具有的末端效應(yīng)不可忽略, 如纖維各個部分受力不均,變形不均勻。

從微觀上看,基體相和纖維相的彈性模量不同。如果當(dāng)所受到的外力與纖維方向平行時,基體的變形量將大于纖維的變性量,原因是,一般的纖維的彈性模量(Ef)大于基體的彈性模量(Em) 。當(dāng)基體相與纖維相結(jié)合程度非常緊密時,纖維將抑制基體產(chǎn)生過大變形,于是,在基體與之纖維之間形成的界面層部分便出現(xiàn)了剪切應(yīng)變和剪切應(yīng)力,并且,將載荷合理分配在基體和纖維這兩種組分上。

纖維通過界面層,沿著纖維軸向的剪切應(yīng)力來傳遞載荷,這會受到比在基體中傳遞時的更大拉伸應(yīng)力,這就是纖維能達(dá)到增強(qiáng)基體的原因。在沿軸向的末端部分和中間部分,因纖維限制基體的過度變形條件不相同,所以基體的各部分變形呈現(xiàn)不同的狀態(tài),不存在長纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在受力時的等應(yīng)變條件,因此,界面處的剪切應(yīng)力,在沿纖維方向各處呈現(xiàn)出大小不一。

增強(qiáng)相材料一般具有強(qiáng)結(jié)合鍵。對于硬質(zhì)材料,如陶瓷、玻璃等,因其內(nèi)部常含裂紋,易斷裂,脆性較強(qiáng),所以,不能較好的發(fā)揮結(jié)合鍵較強(qiáng)的特點(diǎn)。如果把這些硬質(zhì)材料制成具有一定長度的、細(xì)長的纖維,則裂紋的出現(xiàn)幾率及其長度,都會因纖維具有較小的尺寸而有所下降,而且,脆性和強(qiáng)度都會因此而改善。

另外,增強(qiáng)纖維的表面會因有基體的保護(hù),而不易損傷,甚至在受載時,裂紋也較難產(chǎn)生,所以復(fù)合材料的承載能力會得到明顯提高。當(dāng)受到較大應(yīng)力作用時,復(fù)合材料中某些已有裂紋產(chǎn)生的纖維可能會因此而斷裂,但對于朝性或塑性較好的基體材料,裂紋的發(fā)展可以被防止。復(fù)合材料在受力發(fā)生斷裂后,其斷裂面常常并不處在同一平面,因此,若使復(fù)合材料發(fā)生斷裂,則須將大量纖維絲從基體中拔出才可, 這就需克服掉纖維與基體間的粘結(jié)力,即界面結(jié)合力。所以,復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度明顯被增強(qiáng)。

特定工程工業(yè)對材料的目標(biāo)要求,可以通過選擇正確的復(fù)合材料的組分和生產(chǎn)制備工藝來設(shè)計制備所需要的復(fù)合材料。目前航空航天領(lǐng)域復(fù)合樹脂模具主要成型工藝包括:熱壓罐成型技術(shù)、RTM成形技術(shù)、纏繞成型技術(shù)、拉擠成型技術(shù)、熱壓成型技術(shù)、自動鋪放技術(shù)等。本文將詳細(xì)介紹RTM成型技術(shù)。