纖維增強環氧樹脂復合材料成型工藝及其應用（三）　

日期：2005-08-01 來源： 瀏覽：287

三、環氧樹脂復合材料的應用


    環氧樹脂是先進復合材料中應用廣泛的樹脂體系，它可適用于多種成型工藝，可配制成不同配方，可調節粘度范圍大；以便適應于不同的生產工藝。它的貯存壽命長，固化時不釋出揮發物，固化收縮率低，固化后的制品具有極佳的尺寸穩定性、良好的耐熱、耐濕性能和高的絕緣性，因此，目前環氧樹脂統治著高性能復合材料的市場。


（一）環氧樹脂復合材料在航空工業中應用


    40年代初，電子工業的需要，尋找一種適宜的材料，做防護軍用飛行器的雷達天線，特別是防護戰斗機及轟炸機上的雷達天線。采用雷達罩是用來防護氣候對精密電子儀器的影響。玻璃鋼具有優良的透雷達波性能，足夠的機械強度和簡便的成型工藝，使它成為理想的雷達罩材料。這是歷史上次采用玻璃鋼制造雷達罩，同時又大大地促進了玻璃鋼材料的研究。
60年代玻璃鋼技術在直升機領域的應用有所突破，如西德M．B．B．公司研制玻璃鋼旋翼槳葉，逐步取代金屬鋁蒙皮／鋁蜂窩夾層結構的金屬槳葉。但由于玻璃鋼的模量低，不能制造高強度的飛機結構件。


    70年代初，隨著硼纖維、碳纖維、芳綸纖維等相繼出現，這些高級增強纖維的比剛度、比強度、耐疲勞性能等優于金屬材料，由它們來增強環氧樹脂組成的復合材料，已在飛機的主結構件（主受力件）上得到應用。
近10多年來，考慮到這些高級增強纖維的價格都比較高，為了更合理的用材，大力開發混雜復合材料（Hybrid Composites)的研究。


    以復合材料在飛機發動機中的應用為代表。美國兩家噴氣發動機制造廠：通用電器―飛機發動機事業集團公司（GE―AEBG）和普惠公司，以及其它一些二次承包公司，都在用高性能復合材料取代金屬制造飛機發動機零部件。如發動機艙系統的許多部緊推力反向器、風扇罩、風扇出風道導流片等都用復合材料制造。如發動機進口氣罩的外殼是由美國聚合物公司的碳纖維環氧樹脂預混料（E707A）疊鋪而成，它具有耐177℃高溫的熱氧化穩定性科殼表面光滑如鏡面，有利于形成層流。又如FW 4 0O0型發動機有8 0個149℃的高溫空氣噴口導流片也是用碳纖維環氧預浸料制造的。


     在316℃這一極限溫度以下的環境中，復合材料不僅性能優于金屬，而且經濟效益高。據波音公司估算，噴氣客機重量每減輕一磅，是飛機在整個使用期限內可節省 100 0美元。據法布萊特公司估算，美國第年約有100萬磅復合材料用于制造噴氣飛機發動機零件，銷售額高達5000萬美元。


    目前環氧樹脂的連續使用溫度高約在280℃以下，近來DOW化學公司的一種多功能團環氧樹脂Tactlx742，用二氨基二苯砜固化劑；制成的制品玻璃化溫度Tg＞310℃，可用于制造噴氣發動機零件。


（二）環氧樹脂復合材料在航天工業中的應用


    宇航技術對結構材料高比模量、高比強度的要求，特別嚴格，使先進復合材料成為宇航技術必需的材料。作為結構材料的基作樹脂基本上都采用環氧樹脂。其主要的應用范圍如下：


1、固體火箭發動機殼體


    在50年代末，采用纖維纏繞成型的玻璃鋼殼體取代鋼殼，使結構減輕50％一60％。后來，“三叉戟1”、 M X的三級發動機殼體全部采用芳綸／環氧樹脂體系，重量又比玻璃鋼的同尺寸殼體減輕50％。
在阿里安運載火箭許多結構件均用碳纖維／環氧樹脂制造。


2．戰略導彈上的應用


    美國已采用JFRP作彈頭結構殼體、儀器艙、級間段等50多個分系統部件。據 洛克希德導彈與宇航公司稱用碳纖維／環氧樹脂制造的機構取代鋁結構，可使結構減輕40％。


3、衛星和宇航器上的結構應用


    衛星結構的輕型化對衛星功能及運載火箭的要求至關重要，所以對衛星結構的重量要求很嚴。國際通訊衛星VA中心推力筒用碳纖維復合材料取代鋁后減重23kg(約占3O％),可使有效載荷艙增加 450條電話線路，僅此一項盈利就接近衛星的發射費用。美、歐衛星結構重量不到總重的10％，其原因就是廣泛使用了先進復合材料。


4．航天飛機上的應用


    美國航天飛機上使用的結構復合材料總重約2噸，采用先進復合材料后減重410kg，而且明顯減少了飛行過程中因復雜的溫度環境引起的變形。航天飛機進入軌道后，用機械手投放和回收衛星，機械手上臂、前臂是用超高模量石墨纖維 GY― 7 0增強環氧制成的。


    總之，復合材料已成為宇航工業中不可缺少的關鍵材料。

 


（三）環氧復合材料在民用工業中的應用


    凡是對機械強度要求高的增強塑料制品基本上采用環氧樹脂作為基體。


1、玻璃鋼的壓力容 器和管道


     我國西安、北京、重慶、自貢已生產汽車用壓縮天然氣（CNG）瓶，北京已成為現在使用CNG公交車多的城市。
國內已經有4家企業生產環氧玻璃鋼高壓管。


    60年代國內鋼瓶十分緊張，采用纖維纏繞成型制造玻璃鋼氣瓶相當活躍，曾制定過部頒標準FC194-74，90R年修改后制定ZBQ23004一90。 玻璃纖維增強塑料壓力容器，以環氧樹脂和616酚醛樹脂體系為基體，40立升氣瓶使用壓力為 12MPa，使用壽命5年以上。上海材料研究所和臨安玻璃鋼廠合作，也采用纖維纏繞成型工藝，而使用環氧樹脂一二甲基咪唑體系，其性能不亞于環氧一酚醛樹脂體系。用此配方制成水研用的壓力容器。


2、玻璃鋼電機護環、套環等


    護環套裝于發電機轉子兩端，保護轉子線圈的端部，防止在高速旋轉時，受離心力作用它是發電機受力大的部件之一，對強度和模量要求比較高，采用輕質高強的復合材料可以取代無鎳反磁合金鋼。 60年代末國內先后生產1. 25W千瓦和2. 5萬千瓦兩種發電機護環。后者由北京重型電機廠、杭州玻璃鋼化工設備廠和上海材料研究所等單位合作，選用高強度（S）玻璃纖維和高模量（M）玻璃纖維進行纏繞，用62O7（脂環族）環氧樹脂一酸酐體系樹脂配方和 AFG― 9 0環氧樹脂（縮水甘油胺型）―― HK―0 21酸酐體系作為基體，使用多年情況良好。


    玻璃鋼套環 3 0 00千瓦以下的在杭州玻璃鋼化工設備廠生產，已在北京重型電機廠安裝出廠30年，屬于定型產品。
此外，發電機定子線圈端都支撐環，裝在定子線圈的鼻端，承受大載荷是發電機發生短路的瞬間，亦采用玻璃鋼制造，稱為玻璃鋼綁環。這種綁環安裝在10萬千瓦的氣輪發電機上，已使用20余年。在國內大的60萬千瓦發電機用的玻璃鋼錐殼（其作用類似于支撐環）也是用了10多年。


    玻璃鋼絕緣子，有待于進一步開發研究。絕緣子的作用是把帶電線路或帶電零部件之間隔開，既要求絕緣又要求高強度，電絕緣何耐腐（室外用），采用玻璃鋼很適用。國外在露天的22萬伏輸電桿上的絕緣于已采用環氧樹脂玻璃鋼成批生產。


3、防腐蝕制品


    通常不飽和聚酯樹脂玻璃鋼的力學性能在45℃以上強度就會明顯下降，同時不飽和聚酯樹脂耐堿性較差。如果在防腐蝕制品中要求強度高，耐溫性好等則建議選用環氧玻璃鋼。如上海市上鋼二廠，在生產硫酸鐵過程中，反應槽需要連續在120℃使用，選用環氧玻璃鋼取得了很滿意的效果。這種耐高溫的反應槽是由臨安玻璃鋼廠制造的。


4、玻璃鋼模具


（1）玻璃鋼鑄造模具
用玻璃鋼制成的鑄造模具，比木模、鋁模的效果好的多，使用壽命長，通常在萬次以上，價格也比較便宜。
（2）玻璃鋼制品模具
采用噴射成型、樹脂傳遞模塑（ RTM）成型所需的制品模具，通常都用不飽和聚酯玻璃鋼模具。筆者建議采用環氧樹脂玻璃鋼模具更好，具有模具強度高、使用壽命長、尺寸穩定性好等優點。


5、風力發電機葉片


    我國做到長23m，國外已經超過50m。


6、碳纖維補強建筑結構


7、運動器材


    高爾夫球桿、網球拍、羽毛球拍、壁球拍、滑雪板、漁具、自行車架等。


四、我國環氧樹脂市場分析


   據統計，2003年大陸環氧樹脂產量25萬噸，比上年增長25%；進口19.88萬噸，比上年增長23%；出口3.558萬噸，比上年增長81%，表現消費量41.322萬噸，比上年增長21%。
市場比例為：

涂料 45%
電子電器 36%
復合材料 5%
粘結劑 -7%
其它（交聯劑等） -7%

    2003年我國大陸生產高壓玻璃鋼環氧管3000噸，約用環氧樹脂1300噸。建筑結構采用CF（碳纖維）補強用環氧樹脂5 00噸。


絕緣棒管生產2000噸，用環氧樹脂1000噸。
2003年生產環氧玻璃鋼2萬噸，采用環氧樹脂9000余噸。
2003年生產玻璃纖維基覆銅板14萬噸，采用環氧樹脂6.15萬噸。2004年可增長3O％以上。所用環氧樹脂將達8萬噸。
2003年用于生產乙烯基酯樹脂（VER）采用環氧樹脂2900噸。
國產樹脂的質量穩定性有待于進一步提高，因而國內一些復合材料廠家在生產要求性能較高的產品（如絕緣棒、絕緣管）時，常采用陶氏（DOW），殼牌（Shell）、巴克立特（Bakelite)等國外公司的產品。
繼美國陶氏化學在江蘇省張家港