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行业分析

超铝追钛 挑战树脂基复合材料耐热极限
来源:中国航空报  2015-08-13 17:06:48
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原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=12&news_id=1933       树脂基复合材料具有高比强度比模量、可设计性强、疲劳性能好、耐腐蚀、复合效应、多功能兼容、可整体成型等特点,在航空航天领域应用日益广泛,是最重要的航空航天结构材料之一。但是,在公众的意识中,通常认为树脂基复合材料的耐热性能不及钢、铝、钛等金属材料。事实上,航空航天树脂基复合材料包括了酚醛树脂、环氧树脂、氰酸酯树脂、双马来酰亚胺树脂和聚酰亚胺树脂等多种类型的复合材料,它们各具特色。在树脂基复合材料的大家族中,聚酰亚胺树脂基复合材料因其优异的耐热性能而登上耐高温有机材料排行榜的前列,其长期耐热温度通常达到300℃以上,超过了铝合金的耐热水平。正是由于聚酰亚胺树脂基复合材料优异的耐热性能,在航空发动机冷端部件、飞机高温区机体结构、高超音速飞行器及导弹主承力结构以及高速航天飞行器中得到广泛应用。

       国外聚酰亚胺树脂基复合材料经过近40年的发展,使用温度等级不断提升,已经由第一代的耐280℃提升到第三代的耐430℃聚酰亚胺,并突破了耐温高达430℃以上的第四代聚酰亚胺复合材料关键技术。

       最早的聚酰亚胺树脂基复合材料是源于20世纪70年代的PMR型聚酰亚胺复合材料,NASA研制的PMR-15是PMR型聚酰亚胺树脂中最成功的产品,是第一代聚酰亚胺树脂复合材料中的佼佼者,在航空航天装备中得到广泛应用。在PMR-15聚酰亚胺复合材料的技术基础上,各国研究人员研发了比PMR-15耐温更高的第二代(PMR-Ⅱ、AFR-700、RP-46等)和第三代(DMBZ-15等)降冰片烯封端聚酰亚胺复合材料。

       尽管降冰片烯封端的PMR型聚酰亚胺复合材料获得广泛应用,但仍然存在诸多问题,如成型压力大、内部质量可控性差、热氧化稳定性不足等,影响了聚酰亚胺复合材料在高温环境下的使用寿命和长期使用的可靠性,导致此类聚酰亚胺复合材料综合制造成本居高不下。针对这些问题,20世纪90年代,开发了以苯乙炔基封端的以AFRPE-4为代表的PETI型聚酰亚胺复合材料体系,使聚酰亚胺复合材料的工艺性及热氧化稳定性显著改善,可以说这在聚酰亚胺复合材料的发展史上迈出了重要的一步。

       根据PEPA封端聚酰亚胺的性能特点,NASA通过对分子结构的调整,开发了一系列的适用于液态成型工艺的聚酰亚胺树脂PETI-298、PETI-330、PETI-375等。目前,国外液态成型聚酰亚胺树脂及工艺技术成熟,主要产品为PETI-330或与之结构相似的聚酰亚胺复合材料。

       近年来,美国成功研制了第四代有机无机杂化聚酰亚胺复合材料树脂基体,其玻璃化温度高达489℃(tanδ),可在450℃下长期使用,使聚酰亚胺复合材料耐温能力逼近了钛合金。

       国内在耐高温聚酰亚胺树脂及其复合材料研究起步于20世纪90年代初,主要研究单位包括中航工业复材、中国科学院化学研究所、中国科学院长春应用化学研究所等。目前,中航工业复材已形成了三个代次耐温等级、涵盖热压和液态成型工艺的聚酰亚胺树脂及其复合材料,第一代降冰片烯聚酰亚胺复合材料实现了批应用,第二代聚酰亚胺实现了工艺验证,第三代聚酰亚胺复合材料关键技术已经突破,正在开展第四代聚酰亚胺复合材料的关键技术攻关。

       以降冰片烯封端的PMR型BMP316聚酰亚胺复合材料在航空发动机外涵机匣实现了批量应用,是国内用量最大、技术最成熟的第一代聚酰亚胺复合材料,形成了成套的聚酰亚胺复合材料制造与应用技术体系;LP-15是国内最早开发的非MDA型的PMR型聚酰亚胺树脂,其复合材料分流环通过装机考核,实现减重40%以上。第二、三代热压成型降冰片烯封端封端聚酰亚胺复合材料的材料关键技术已经获得突破,并实现了地面考核验证。

       针对降冰片烯封端聚酰亚胺复合材料存在问题,中航工业复材密切跟踪国外聚酰亚胺复合材料发展趋势,突破了系列PEPA封端聚酰亚胺树脂基体合成及其复合材料制备关键技术,尤其是创造性地突破了聚酰亚胺预浸料的连续热熔制备关键技术,国内外首次实现了热熔聚酰亚胺预浸料的连续批量稳定制备与生产,并为聚酰亚胺复合材料结构的自动化制造奠定了材料基础。

       为了降低聚酰亚胺复合材料综合制造成本,在PEPA封端聚酰亚胺树脂技术基础上,中航工业复材研制了液态成型HT-350RTM聚酰亚胺复合材料,突破了树脂及高温定型剂合成、预定型织物连续批量制备和高温RTM聚酰亚胺复合材料成型工艺等全套关键技术。与美国NASA研制的RTM聚酰亚胺树脂PETI-330相比,HT-350RTM具有更宽的成型温度范围和更低的树脂黏度,更优异的工艺性能和耐热性能。HT-350RTM聚酰亚胺复合材料在高温天线罩、导弹复合材料连接环、中介机匣外环(缩比)异形复杂结构中均得到了验证。

       聚酰亚胺树脂基复合材料虽已形成了独特的技术体系,但是其耐温能力尚不能满足装备发展的新需求,因此研究更高耐温的聚酰亚胺复合材料是未来发展的重要方向之一,但是长期耐温430℃已经接近单纯有机高分子材料的耐温极限,为了提高聚酰亚胺复合材料的耐温能力至450℃以上,必须采用有机无机杂化的聚酰亚胺分子结构,提高聚酰亚胺的耐热性和高温热氧化稳定性,最终实现树脂基复合材料耐热500℃以上,以期达到钛合金的耐热水平。聚酰亚胺复合材料的应用范围越来越广泛,其抗冲击损伤能力不足的问题也日益突出,因此在提高其高耐温性的同时,高韧性聚酰亚胺复合材料研究也是重要方向之一。在工艺技术方面,聚酰亚胺复合材料的制造仍以非自动化工艺为主,产品可靠性不高,制造成本居高不下。因此,实现自动化制造和液态成型等低成本制造也是高温聚酰亚胺复合材料的重要发展趋势。

       中航工业复材正以优势技术力量,以多年的雄厚技术积淀为基础,瞄准聚酰亚胺复合材料前沿技术方向,系统开展聚酰亚胺复合材料的基础、应用基础及应用研究,驱动高温聚酰亚胺复合材料跨越发展,不断挑战树脂基复合材料的耐热极限。 文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=12&news_id=1933