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碳纖維增強樹脂基復合材料最大的功臣竟是它?

碳纖維增強樹脂基復合材料最大的功臣竟是它?

2019-11-28 14:53:28

由于突出的熱穩定性,聚酰亞胺常用于制備碳材料和石墨材料,如高度結晶的石墨薄膜,碳納米纖維,納孔碳膜,碳泡沫等。因此在航天、航空、空間、微電子、精密機械、醫療器械等許多高新技術領域具有廣闊的應用前景和巨大的商業價值。

聚酰亞胺(Polyimide, PI)是指主鏈上含有酰亞胺環(-CO-NH-CO-)的一類聚合物。聚酰亞胺具有優異的性能。芳香族聚酰亞胺材料具有優異的耐高溫、耐低溫、高強高模、高抗蠕變、高尺寸穩定、低熱膨脹系數、高電絕緣、低介電常數與損耗、耐輻射、耐腐蝕等優點, 同時具有真空揮發份低、揮發可凝物少等空間材料的特點, 可加工成聚酰亞胺薄膜、耐高溫工程塑料、復合材料用基體樹脂、耐高溫粘結劑、纖維和泡沫等多種材料形式。

聚酰亞胺樹脂、環氧樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂被認為是碳纖維增強樹脂基結構復合材料的三大樹脂基體, 是目前耐熱等級(長期使用溫度>300 , 短期使用溫度>500 )最高的樹脂基體(環氧樹脂:<200 ;雙馬來酰亞胺樹脂:<250 ), 與碳纖維復合制備的碳纖維/聚酰亞胺樹脂復合材料具有輕質(比重<1.8g/cm3)、高比強度、高比模量、耐高溫、耐低溫等特點, 在航天航空等高技術領域具有重要的應用價值。但是, 聚酰亞胺樹脂由于化學結構的高度剛性,存在著既難溶又難熔, 不易加工成型等缺點;因此, 從材料的結構設計開始, 通過調控材料的化學結構, 實現材料既具有高耐溫、高強韌等優異的綜合性能, 又具有優良的成型工藝性能, 一直是聚酰亞胺樹脂領域的研究熱點。

現如今耐高溫聚酰亞胺樹脂大致分為三代:

第一代耐316 (600 )的聚酰亞胺樹脂基體是一種熱固性PMR 型聚酰亞胺樹脂, 由芳香族二酸二酯、芳香族二胺與反應性封端劑在低沸點醇類溶劑中反應而成的高固體含量、低粘度的溶液樹脂, 與多種碳纖維(T-300 、T-700 、C6000 、IM5 、UT500 )具有優良的浸漬性能, 可制備高品質的KH-304/碳纖維預浸料。KH-304/碳纖維預浸料可以采用反應性熱模壓成型工藝或反應性熱壓罐成型工藝制備耐高溫碳纖維增強聚酰亞胺樹脂基復合材料層壓板或制件。

第二代耐371 (700 )的聚酰亞胺樹脂基體在國家“九五”計劃支持下, 研制成功耐371 (700 )聚酰亞胺樹脂基體, 主要包括KH-370系列產品型號。KH-370 樹脂具有優良的綜合性能, 樹脂產品的標準固體含量為50 ±2 %, 25 ℃的旋轉粘度為200 250mPa·s , 室溫下的儲存期為2 個月, 0 4 ℃下為6 個月。與多種碳纖維(T-300 、T-700 、C6000 、IM5 、U T500 )具有良好的浸漬性能, 可以制備成高品質的碳纖維預浸料。

第三代耐426 (800 )聚酰亞胺樹脂基體為滿足航天、航空飛行器超音速化、輕量化、高機動化對復合材料提出的高溫、高強、高韌的迫切需求, 在耐371 (700 )聚酰亞胺樹脂基體的基礎上, 近年來開展了耐426 (800)基體樹脂的研制工作, 取得了令人滿意的結果。研制的耐427 ℃聚酰亞胺樹脂基體(KH-400系列)對碳纖維具有良好的浸潤性, 可以制成高品質的碳纖維預浸料(帶或布)。經反應性熱模壓成型工藝制備的KH-400/碳纖維層壓復合材料室溫下復合材料在室溫下的彎曲模量>1400MPa , 彎曲模量>100GPa ;450 ℃高溫下的彎曲強度>800MPa , 彎曲模量>80GPa。

耐高溫聚酰亞胺材料由于其具有可調節性強,因此最有可能在未來產生突破。其中乙炔基、苯乙炔基封端的聚酰亞胺樹脂由于其熱穩定性好、加工窗口寬以及沒有小分子逸出等優點,近年來受到廣大研究者的青睞,期望研制出耐更高溫度的聚酰亞胺樹脂及其復合材料。

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