科普 | 数目繁多奥妙无穷的基材树脂

来源：中国复合材料学会

本文是杨超凡研究员创作已获授权发布。

碳纤维增强树脂复合材料（CFRP），是由碳纤维和树脂基材组成的（见上示意图）。其中碳纤维的形式，可以是短切纤维、各种纱、各种纺织物。树脂基材（matrix）是依一种树脂为基础，在其中分别加入固化剂、催化剂、增塑剂和一些特殊功能颗粒，组成的高分子混合物。树脂基材中基础树脂，分热固性树脂和热塑性树脂两大类：

 热固性树脂（常用）

第一种

           Phenolics  (PH)               酚醛树脂

           Epoxies  (EP)                  环氧树脂

           Bismaleimides (BMI)       双马来酰亚胺

           Cyanate esters  (CE)        氰 酸 酯

           Polyimides  (PI)               聚 酰亚 胺

热塑性树脂（常用）

第二种

  Polycarbonates  (PC)                    聚碳酸酯

  Polyamides  (nylon, PA-6, PA-12)  聚酰胺 (尼龙、PA-6 PA-12)

  Polyphenylene Sulfide  (PPS)        聚苯硫醚

  Polyetherimide  (PEI)                    聚醚酰亚胺

  Polyetheretherketone  (PEEK)        聚醚醚酮

  Polyetherketoneketone  (PEKK)     聚醚酮酮

基材约束增强纤维, 形成复合材料组件的并确定其表面质量。树脂基材在纤维增强复合材料中的作用是：

 1).传递纤维之间的应力,

 2).提供一个屏障来抵御不利的环境,

 3).保护纤维表面免受机械磨损。

基材对复合材料结构的抗拉承载力影响不大。基材的选择对复合材料的层间剪切和面内剪切性能有重要影响。层间剪切强度是结构在弯曲载荷作用下的重要设计考虑因素，而在扭转载荷作用下平面内剪切强度是重要的设计考虑因素。基材提供横向支撑，防止纤维在压缩载荷作用下发生屈曲，从而在一定程度上影响复合材料的抗压强度。纤维与基材之间的相互作用对设计抗损伤结构也很重要。

复合材料的加工性能和缺陷很大程度上取决于基材树脂的物理和热特性，如黏度、熔点和固化温度。

不同基材树脂的碳纤维复合材料，制造出来的零件有不同的特性。举例如下：

l 酚醛树脂是由芳香醇和醛(如苯酚)与甲醛结合而成。应用在耐燃飞机内部面板，耐燃和低烟产品。优良的焦炭产量和烧蚀(吸热)特性使酚醛树脂长期受到烧蚀和火箭喷管应用的青睐。

l 氰酸酯(CEs)它提供良好的强度和韧性,允许非常低的吸湿性和具有优越的电气性能。CEs特性热/湿温度149°C。当前的应用在电器罩体、天线、导弹等。

l 双马来酰亚胺(BMI)，简称双马树脂，它提供热/湿服务温度 (232°C)。有些聚亚硫胺可用于短时间的371°C。超音速歼击机蒙皮多用双马树脂碳纤维复合材料制造。双马树脂碳纤维复合材料，用于制造波音787整体桶机身的大型旋转芯轴模具。

l 热塑性聚苯硫醚（PPS）碳纤维复合材料，制造机身框和蒙皮连接的角片。角片虽然不大，但是空客A350 XWB每架飞机要使用大约8000件。

l 民机主要受力结构件机身、机翼壁板，使用增韧环氧树脂基碳纤维复合材料。

环氧树脂有以下几种：

1. 双酚A环氧树脂     Bisphenol A epoxy resin

2. 双酚F型环氧树脂  Bisphenol F epoxy resin

3.  酚醛环氧树脂       Novolac epoxy resin

4.  脂肪族环氧树脂   Aliphatic epoxy resin

5. 缩水甘油胺类环氧树脂   Glycidylamine epoxy resin

环氧树脂由于其相对较低的成本和高性能，一般环氧树脂可提供：

• 良好的机械性能；

• 低配方粘度；

• 低收缩；

• 与碳纤维附着力好；

• 良好的耐化学性。

航空、航天结构件使用的复合材料，其中90%基础树脂是双酚A缩水甘油醚的环氧树脂。

环氧树脂有液体、固体和半固态形式，通常与胺（amine）或酸酐(anhydride)反应固化。环氧树脂不像聚酯树脂那样用催化剂固化，而是用固化剂。固化剂(B部分)与基树脂(A部分)在加成反应中按固定比例共反应。因此，正确的树脂与固化剂的配比是保证反应完全的关键。否则，树脂既不能完全固化，也不能达到其全部性能。环氧树脂通常与固化剂的比例(通常是1:1或2:1)添加。增韧环氧树脂加上热塑性塑料和活性橡胶化合物，以抵消由于高度交联而导致的脆性，这已成为复合材料机身的标准，如波音的787和空客A350。

脂肪族胺可以在室温下充分固化环氧树脂，而天然胺则需要较高的温度才能有效固化大多数环氧树脂。还应该指出的是，催化剂可以增加胺与环氧树脂的反应速度，但如果使用过多，往往以降低性能为代价。芳香族胺常被用作环氧预浸树脂和输液树脂的固化剂。环脂肪族和脂肪族胺是环氧湿层合树脂中最常用的固化剂。下面是两种固化剂的比较：

END

1． 碳纤维复合材料，其中树脂部分是依某种树脂为基础，加入固化剂、增塑剂、催化剂和其他功能材料，组成的高分子混合物。如，碳纤维增强环氧树脂复合材料，其中树脂就不仅仅是环氧树脂。

2． 同样的碳纤维，使用不同的基材树脂，得到的复合材料性能也不一样。如， T800/5228（国内材料）的CAl 数值为250MPa，而T800/3900-2的CAI数值达到300 MPa以上。

3． 用碳纤维复合材料制造结构件，使用哪种工艺方法，主要靠基材树脂决定的。影响最终结构件的性能、质量，也主要是基材树脂起作用。

4． 品种繁多的商品基材树脂，它的组成、配方都是商业秘密。很多都申请有专利。

5． 基材树脂与碳纤维结合，实际上是与碳纤维表面浆料（上浆剂）结合。结合的程度，直接影响复合材料的性能。因此，基材树脂的研发离不开碳纤维表面的浆料。

6． 基材树脂的研发，不再是高分子化学专业一家的事情。目前国际上比较成功的做法是：制造碳纤维的企业，同时生产与碳纤维配套的基材树脂。配套基材树脂的研发与制造结构件的企业紧密结合，共同研究、做试验。成功企业的典范，赫氏（Hexcel）公司、东丽（Toray）在美国塔科马的复合材料公司。

7.  我国碳纤维生产规模，在全球也是排在前面。但是这种“贵族材料”应用在民机上，才有可能卖一个符合身份的好价钱。一架波音787要用到25吨复合材料（CR929单机复合材料用量，也是这个数量级）。如此大的用量，势必带动复合材料制造企业扩大生产规模。

8．  国产树脂基碳纤维复合材料，要用到民机上难度大、工作量大，相当一段时间里只有投入，而没有收益。特别是环氧树脂基材的研发、生产，长期集中在少数科研单位、大型制造企业手中，没有完全结合国产碳纤维，更没有商品化。材料要通过适航审定，势必还要重新做大量试验和数据积累工作。有些科目还得结合民机的研发，做1：1的飞机结构试验件。没有国家规划、支持，材料企业很难开展工作。

9． 数目繁多的基材树脂，皆是高分子化学的产物。本文仅介绍了一点皮毛。抛砖引玉，希望更多的人了解她，支持树脂基碳纤维复合材料早日国产化。

作者简介：杨超凡，飞机制造高级专家，近年专攻民机复合材料。原陕飞副总工程师，原航空工业部首批研究员级高级工程师，享受国务院特殊津贴。

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