碳纖維復合材料火箭發動機殼體用韌性環氧樹脂基體(一)
1前言
隨著航空航天工業的迅速發展,對材料的要求也日益苛刻,一個新材料的研制與應用水平,在很大程度上體現了一個的國防和科研水平,因此許多都把新材料的研制與應用放在科研工作的重要地位。
1.1先進復合材料用碳纖維及環氧樹脂基體的研究進展
1.1.1碳纖維的研究應用進展
碳纖維是先進復合材料中重要的增強材料,各國對發展碳纖維都給予了高度重視。國外碳纖維在經歷了90年代初期的相對穩定后,進入了一個發展的新階段,其發展特點可歸納為以下四個方面:
(1)碳纖維進入高速發展的新時期
80年代,上碳纖維的年增長率約為29。90年代初,隨冷戰的結束和軍費開支的削減,碳纖維的需求量一度受到嚴重影響。近年來,碳纖維需求量又不斷增加。國外預測,在今后幾年內,碳纖維的需求量隨新應用領域的開發將會成倍增長。因此,國外碳纖維主要生產公司都紛紛建立新的生產線,以擴大其生產能力。
(2)T-700將取代T-300成為主要的碳纖維品種
日本東麗公司是上研制生產碳纖維有代表性的公司。東麗公司過去生產的T-300是應用得廣泛的代表性碳纖維,已廣泛應用于航空航天工業。但T-300將逐步被T-7OOS所取代。東麗公司目前重點開發T-700S和M3OS碳纖維。T-7OOS和M30S都是不打捻碳纖維,屬高強中模型,它們有較好的分散性,加工性能也較好。這兩種碳纖維都有較高的效費比。
(3)碳纖維價格大幅度降低
碳纖維價格是制約碳纖維發展的主要因素。上碳纖維生產公司都在致力于降低碳纖維價格。美國巖石山研究所(ROCKY MOUNTAIN INSTITUTE)對汽車工業應用的碳纖維作了研究分析,結論是:“當碳纖維價格降至每千克16.5美元以下時,碳纖維與鋼材相比就有競爭性了”。
美國卓爾泰克(ZOLTEK)公司碳纖維的售價是當前上便宜的。卓爾泰克(ZOLTEK)公司還在進一步努力,它的目標是到2000年把碳纖維價格降到每千克約11美元。美國卓爾泰克(ZOLTEK)公司降低碳纖維價格的主要措施是降低碳纖維用的原絲成本,該公司已經掌握了用一般紡織用的丙烯腈原絲來生產碳纖維的技術,這為廣泛應用碳纖維創造了條件,也為高速發展碳纖維奠定了基礎。
(4)新的應用范圍不斷開辟
國外預測碳纖維除了在航空航天以及體育用品進一步應用外,在近年內還將擴大開辟新的應用領域,包括土木建筑、交通運輸、汽車、能源等領域將會大規模采用工業級的碳纖維。國外預測認為雖然目前宇航級的碳纖維多于一般工業用碳纖維,但1999年以后,一般工業用的碳纖維就會超過宇航級碳纖維,1997~2000年,宇航級碳纖維的年增長率估計是31,而工業用碳纖維增長率估計會達到130。
1.1.2環氧樹脂的研究應用進展
為了適應航空航天領域日益苛刻的要求,通用環氧樹脂已不能滿足要求,各國都在致力于開發各種高性能環氧樹脂,以便于開發同高性能增強材料(如芳綸、碳纖維等)相匹配的樹脂體系。但總結起來,大都是在保證環氧樹脂優異的工藝性的前提下,實現環氧樹脂的多官能化,以改善其固化物的耐熱性和粘接性。
比較常用的有4,4‘-二氨基二苯甲烷四縮水甘油胺(TGDDM),鑒于性能價格比,它可能是實用的高性能環氧樹脂。它具有優良的耐熱性,長時高溫性能和機械強度保持率,固化收縮低,化學和輻射穩定性好,還可用于高性能結構膠粘劑,結構層壓板和耐高能輻射材料,國內外有許多學者從事TGDDM環氧體系的研究與開發工作,并取得了較大成績。
特別值得指出的是,我國科技工作者經多年研究,開發了商品名為TDE-85的三官能團環氧樹脂,其化學名為4,5-環氧己烷-1,2-二甲酸二縮水甘油酯,其分子中含有兩個反應活性高的縮水甘油酯基和一個反應活性與前者差別很大的脂環環氧基。該樹脂是一種工藝性、耐熱性均很優異的高性能環氧樹脂,西北工業大學、哈爾濱玻璃鋼研究所等單位用TDE-85環氧樹脂為基體材料制作的復合材料,應用在某些有特殊需要的產品上已獲得令人滿意的結果。
隨著航空航天工業的迅速發展,對材料的要求也日益苛刻,一個新材料的研制與應用水平,在很大程度上體現了一個的國防和科研水平,因此許多都把新材料的研制與應用放在科研工作的重要地位。
1.1先進復合材料用碳纖維及環氧樹脂基體的研究進展
1.1.1碳纖維的研究應用進展
碳纖維是先進復合材料中重要的增強材料,各國對發展碳纖維都給予了高度重視。國外碳纖維在經歷了90年代初期的相對穩定后,進入了一個發展的新階段,其發展特點可歸納為以下四個方面:
(1)碳纖維進入高速發展的新時期
80年代,上碳纖維的年增長率約為29。90年代初,隨冷戰的結束和軍費開支的削減,碳纖維的需求量一度受到嚴重影響。近年來,碳纖維需求量又不斷增加。國外預測,在今后幾年內,碳纖維的需求量隨新應用領域的開發將會成倍增長。因此,國外碳纖維主要生產公司都紛紛建立新的生產線,以擴大其生產能力。
(2)T-700將取代T-300成為主要的碳纖維品種
日本東麗公司是上研制生產碳纖維有代表性的公司。東麗公司過去生產的T-300是應用得廣泛的代表性碳纖維,已廣泛應用于航空航天工業。但T-300將逐步被T-7OOS所取代。東麗公司目前重點開發T-700S和M3OS碳纖維。T-7OOS和M30S都是不打捻碳纖維,屬高強中模型,它們有較好的分散性,加工性能也較好。這兩種碳纖維都有較高的效費比。
(3)碳纖維價格大幅度降低
碳纖維價格是制約碳纖維發展的主要因素。上碳纖維生產公司都在致力于降低碳纖維價格。美國巖石山研究所(ROCKY MOUNTAIN INSTITUTE)對汽車工業應用的碳纖維作了研究分析,結論是:“當碳纖維價格降至每千克16.5美元以下時,碳纖維與鋼材相比就有競爭性了”。
美國卓爾泰克(ZOLTEK)公司碳纖維的售價是當前上便宜的。卓爾泰克(ZOLTEK)公司還在進一步努力,它的目標是到2000年把碳纖維價格降到每千克約11美元。美國卓爾泰克(ZOLTEK)公司降低碳纖維價格的主要措施是降低碳纖維用的原絲成本,該公司已經掌握了用一般紡織用的丙烯腈原絲來生產碳纖維的技術,這為廣泛應用碳纖維創造了條件,也為高速發展碳纖維奠定了基礎。
(4)新的應用范圍不斷開辟
國外預測碳纖維除了在航空航天以及體育用品進一步應用外,在近年內還將擴大開辟新的應用領域,包括土木建筑、交通運輸、汽車、能源等領域將會大規模采用工業級的碳纖維。國外預測認為雖然目前宇航級的碳纖維多于一般工業用碳纖維,但1999年以后,一般工業用的碳纖維就會超過宇航級碳纖維,1997~2000年,宇航級碳纖維的年增長率估計是31,而工業用碳纖維增長率估計會達到130。
1.1.2環氧樹脂的研究應用進展
為了適應航空航天領域日益苛刻的要求,通用環氧樹脂已不能滿足要求,各國都在致力于開發各種高性能環氧樹脂,以便于開發同高性能增強材料(如芳綸、碳纖維等)相匹配的樹脂體系。但總結起來,大都是在保證環氧樹脂優異的工藝性的前提下,實現環氧樹脂的多官能化,以改善其固化物的耐熱性和粘接性。
比較常用的有4,4‘-二氨基二苯甲烷四縮水甘油胺(TGDDM),鑒于性能價格比,它可能是實用的高性能環氧樹脂。它具有優良的耐熱性,長時高溫性能和機械強度保持率,固化收縮低,化學和輻射穩定性好,還可用于高性能結構膠粘劑,結構層壓板和耐高能輻射材料,國內外有許多學者從事TGDDM環氧體系的研究與開發工作,并取得了較大成績。
特別值得指出的是,我國科技工作者經多年研究,開發了商品名為TDE-85的三官能團環氧樹脂,其化學名為4,5-環氧己烷-1,2-二甲酸二縮水甘油酯,其分子中含有兩個反應活性高的縮水甘油酯基和一個反應活性與前者差別很大的脂環環氧基。該樹脂是一種工藝性、耐熱性均很優異的高性能環氧樹脂,西北工業大學、哈爾濱玻璃鋼研究所等單位用TDE-85環氧樹脂為基體材料制作的復合材料,應用在某些有特殊需要的產品上已獲得令人滿意的結果。










































