聚合物基复合材料的发展现状和最新进展

聚合物基复合材料的发展现状和最新进展摘要聚合物基复合材料以聚合物为基体，玻璃纤维、碳纤维、芳纶等为增强材料复合而成。主要包括热固性复合材料和热塑性复合材料。本文先介绍聚合物基复合材料的最新性能研究，再简单介绍下最近几年的研究热点，最后从应用角度谈一谈聚合物基复合材料的发展现状和最近进展。关键词聚合物基复合材料发展现状最近进展一、引言我国聚合物基复合材料的研究始于1958年，第一个产品就是我们所熟知的玻璃钢。我国热塑性树脂基复合材料开始于20世纪80年代末期，近20年来取得了快速发展。迄今，我国已经成功将碳纤维、芳纶纤维、高强度玻璃纤维三大增强纤维增强高性能聚合物基复合材料实用化，其中高强度玻璃纤维增强复合材料已达到国际先进水平，形成了年产500t的规模[1]。随着科技的高速发展，传统聚合物基复合材料已不能满足使用需求，对高性能、耐高温、耐磨损、耐老化性能的研究不断深入。新型复合材料的出现也给该领域带来了更大的发展前景，进而在军事、航空航天、交通，乃至日常生活中的广泛运用也使得该领域具有巨大的发展空间和良好的市场前景[2]。二、性能研究进展常见的高性能耐高温聚合物材料有聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚酰亚胺(PI)等。研究发现液晶材料能很好的提高PTFE的耐磨损性能，将PEEK与其它聚合物共混或采用碳纤维(CF)、玻璃纤维(GF)、无机纳米粒子等复合增强，已成为制备摩擦学性能和力学性能更优异的PEEK复合材料的首选[3]。美国一家PI复合材料供应商，主要生产不含MDA型PI／碳纤维、玻璃纤维、石英纤维单向带、织物以及预制品。该公司开发的900HT材料的瓦约为426℃，使用温度最高816℃，可采用热压罐、模压以及某些液体模塑工艺加工[4]。该材料还具有十分优异的热氧化稳定性，因此尤其适用于制造在高温氧气环境中长期工作的发动机以及机身部件[5]。聚合物基复合材料在自然环境下使用，性能会受到许多环境因子（如紫外辐射、臭氧、氧、水、温度、湿度、微生物、化学介质等）的影响。这些环境因子通过不同的机制作用于复合材料，导致其性能下降、状态改变、直至损坏变质，通常称之为“腐蚀”或“老化”[6]。环境因素对复合材料性能的影响主要是通过树脂基体、增强纤维以及树脂/纤维粘接界面的破坏而引起性能的改变。陈跃良等分析了湿热老化、化学侵蚀和大气老化对复合材料的作用机理及对其力学性能的影响[7]，也提出了复合材料老化寿命预测方法。对于大多数聚合物材料而言，阻燃性能不佳，加入阻燃剂往往是必须的。从阻燃剂发展趋势来看,以高效、价廉、无卤素、无污染为特征的无机类阻燃剂符合世界各国发展环保型材料,推进可持续发展战略的政策要求。无机阻燃剂可以单独使用,也可以与有机阻燃剂复配使用,产生协同效应,起到很好的阻燃效果,是目前阻燃剂发展的主流。而其中的氢氧化物阻燃剂被认为是最有发展前途的、环境友好的无机阻燃剂,成为近几年各国研究的热点[8]。Kazuki等研究发现了含磷酸基团化合物对氢氧化铝进行表面改性后，后者能显著提高聚合物的阻燃性能[9]。三、目前研究热点--碳纳米管/聚合物复合材料理想碳纳米管是由碳原子组成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体。石墨烯的片层一般可以从一层到上百层，含有一层石墨烯片层的称为单壁碳纳米管(SWNT)，多于一层则称为多壁碳纳米管(MWNTs）[10]。近年来CNTs／聚合物复合材料已成为CNTs一个极为重要的研究方向，基于CNTs与聚合物分子链有着相近的尺寸与相似的结构，制备的复合材料在物理、化学、力学性能等方面大大优于相同组分的常规聚合物复合材料[11]。CNTs／聚合物复合材料的制备方法主要有：(1)溶液共混法，(2)熔融其混法，(3)原位聚合法。此外还有热聚沉法、乳胶技术、凝沉纺丝等一些新的制备方法[12][13]。目前CNTs／聚合物复合材料的应用重点是利用CNTs的优良性能实现材料的增强或者提高材料的导电性、电磁屏蔽性和光电子发射性能等目的[14]。，CNTs以其优异性能，成为目前最具前景的增强材料之一，将它与聚合物复合后，能得到具有高性能的结构材料和导电、导热功能材料，在先进复合材料领域有良好的应用前景。为了使CNTs的优良特性在复合材料中得到充分发挥，目前除继续研究CNTs的含量、长径比、分散性、取向度及其表面功能化等影响因素外，对复合材料界面的相互作用机理还需进一步研究，通过提高CNTs与聚合物之间的界面相容性，增强两相界面间的作用力，以改善CNTs的分散性。此外，还要改进CNTs的制备技术，实现低成本、工业化生产，为CNTs的大规模应用研究打下基础。相信随着技术的发展，CNTs/聚合物复合材料会得到越来越多的运用，发展前景十分广阔[15]。四、聚合物基复合材料的运用现状新材料产生的动力往往来自军用需求，而新材料一经形成便会首先运用于军事领域。首先我们要谈到的聚合物基复合材料的运用领域就是军事方面。迄今为止，环氧树脂一直是航天结构复合材料用基体树脂的主流，约占总用量的90％。但由于环氧树脂耐热性较差，使用温度通常不超过150℃，因此各国相继开发了高温性能较好的树脂。固体发动机壳体是战略导弹应用复合材料最活跃的领域，其发展非常快，目前运用最为先进的是碳纤维。美国、欧洲一些国家都在广泛采用，我国该领域的技术也已达到世界先进水平，在海防导弹弹翼上也成功使用了环氧树脂／碳纤维材料。此外、运载火箭和航天飞机也大量使用新型复合材料[16]。世界汽车工业发展的趋势表明：安全、节能、环保型的汽车己成为21世纪汽车发展的主流，而汽车轻量化则是最佳的途径。作为汽车轻量化主流轻质材料之一的复合材料得到了快速发展。无论是欧、美、日等汽车工业发达国家，还是中国、巴西和印度等汽车工业快速发展中国家，都已在汽车制造中大量采用复合材料。聚合物基复合材料在汽车上主要在车身部件、结构件及功能件三个部分。主要以玻璃纤维增强热固性塑料为主，典型成型工艺有：SMC／BMC、RTM和手糊／喷射等。汽车复合材料年消耗量约占其复合材料年产量的25％左右；其中30％以上的SMC、80％以上的GMT与LFT均用于汽车部件制造。随着汽车性能对复合材料的新要求不断出现，将促进复合材料的发展，而先进复合材料的快速发展也极大地促进了汽车工业的发展[17]。除了上面提到的在军事领域和汽车工业的运用以外，复合材料还有很多用途。如化工管道和容器、建筑领域、机械元件的制造、家具饰品的加工等。五、总结聚合物基复合材料是新材料领域的重要组成部分，与传统材料相比，聚合物基复合材料具有可设计性强、比强度比模量高、抗疲劳断裂性能好、耐化学腐蚀、减振性好、结构功能一体化等一系列优越性能，是其他材料难以替代的功能材料和结构材料，是发展现代工业、国防和科学技术不可缺少的基础材料，也是新技术革命赖以发展的重要物质基础，聚合物复合材料已成为新材料领域的重要主导材料。相信随着材料技术的发展，聚合物基复合材料将会在人类社会的各方面发挥越来越大的作用。参考文献[1]孙忠选，姜良奎，张恒志.复合材料在未来交通工具领域的发展趋势[J].房地产导刊，2013（20）:370-371.[2]吴宏博，孙立娜.汽车用聚合物基复合材料的新进展[J].纤维复合材料，2012（1）：7-12.[3]邓鑫，李笃信，杨军，王静.高性能耐高温聚合物复合材料的摩擦磨损性能研究[J].高分子通报，2008（1）:41-47.[4]KrishnamachariP，LouJZ，SankarJ，eta1．Characterizationoffourth-generationhigh-tempemturediscontinuousfibermoldingcompounds[J]．Int．J．Polym．Anal．Charact．，2009，14(7)：588—599.[5]刘金刚,沈登雄,杨士勇.国外耐高温聚合物基复合材料基体树脂研究与应用进展[J].宇航材料工艺,2013,43(4):8-13.[6]曹楚南，王光雍，李兴濂，等.中国材料的自然环境腐蚀[M].北京：化学工业出版社，2005.[7]陈跃良，刘旭.聚合物基复合材料老化性能研究进展[J].装备环境工程,2010,7(4):49-56.[8]董金虎.聚合物基复合材料阻燃的研究进展[J].塑料工业，2012,40（5）:17-21.[9]KAZUKID,HIDEKIS,YASUNORIK,etal.Preparationandphysicalpropertiesofflameretardantacrylicresincontainingnano-sizedaluminahydroxide[J].PolymDegradStab,2007,92(8):1433-1438.[10]黄从树，李彦锋.碳纳米管增强高聚物功能复合材料研究进展[J].材料科学与工程学报,2008，26(1)：152-155.[11]ZhangJL，CuiSCarbonnanotubes/polymercomposites[J].ProgChem，2006，18(10)：1313.[12]Meincke0，KaempferD，WeickmannH。eta1．Mechanicalpropertiesandelectricalconductivityofcarbon-nanotubefilledpolyamide-6anditsblendswithacrylonitrile／butadiene／styrene[J]．Polymer，2004，45(3)：739.[13]SiochiEJ，WorkingDC，ParkC，etaLMeltprocessingofswcNT．polyirnidenanocompositefibers[J].Compos(PartB)：Eng，2004，35：439.[14]高颖，潘莉.碳纳米管在聚合物基复合材料中的应用[J].科技创业月刊,2013(1):172-174.[15]高颖，潘莉.碳纳米管／聚合物基复合材料研究进展[J].材料导报,2014,28(1):59-63.[16]宋健朗.先进聚合物基结构复合材料在导弹和航天中的应用[J].工程塑料应用，2008，36（7）：50-54.[17]吴宏博，孙立娜.汽车用聚合物基复合材料的新进展[J].纤维复合材料,2012(1):7-12.