本文是楊超凡研究員創(chuàng)作已獲授權(quán)發(fā)布。

碳纖維增強樹脂復(fù)合材料（CFRP），是由碳纖維和樹脂基材組成的（見上示意圖）。其中碳纖維的形式，可以是短切纖維、各種紗、各種紡織物。樹脂基材（matrix）是依一種樹脂為基礎(chǔ)，在其中分別加入固化劑、催化劑、增塑劑和一些特殊功能顆粒，組成的高分子混合物。樹脂基材中基礎(chǔ)樹脂，分熱固性樹脂和熱塑性樹脂兩大類：

Phenolics  (PH)               酚醛樹脂

Epoxies  (EP)                  環(huán)氧樹脂

      Bismaleimides (BMI)       雙馬來酰亞胺

Cyanate esters  (CE)        氰 酸 酯

    Polyimides  (PI)               聚 酰亞 胺

  Polycarbonates  (PC)                    聚碳酸酯

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

  Polyphenylene Sulfide  (PPS)        聚苯硫醚

  Polyetherimide  (PEI)                    聚醚酰亞胺

  Polyetheretherketone  (PEEK)        聚醚醚酮

  Polyetherketoneketone  (PEKK)     聚醚酮酮

基材約束增強纖維, 形成復(fù)合材料組件的并確定其表面質(zhì)量。樹脂基材在纖維增強復(fù)合材料中的作用是：

 1).傳遞纖維之間的應(yīng)力,

 2).提供一個屏障來抵御不利的環(huán)境,

 3).保護(hù)纖維表面免受機械磨損。

基材對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的抗拉承載力影響不大?；牡倪x擇對復(fù)合材料的層間剪切和面內(nèi)剪切性能有重要影響。層間剪切強度是結(jié)構(gòu)在彎曲載荷作用下的重要設(shè)計考慮因素，而在扭轉(zhuǎn)載荷作用下平面內(nèi)剪切強度是重要的設(shè)計考慮因素?；奶峁M向支撐，防止纖維在壓縮載荷作用下發(fā)生屈曲，從而在一定程度上影響復(fù)合材料的抗壓強度。纖維與基材之間的相互作用對設(shè)計抗損傷結(jié)構(gòu)也很重要。

復(fù)合材料的加工性能和缺陷很大程度上取決于基材樹脂的物理和熱特性，如黏度、熔點和固化溫度。

不同基材樹脂的碳纖維復(fù)合材料，制造出來的零件有不同的特性。舉例如下：

l 酚醛樹脂是由芳香醇和醛(如苯酚)與甲醛結(jié)合而成。應(yīng)用在耐燃飛機內(nèi)部面板，耐燃和低煙產(chǎn)品。優(yōu)良的焦炭產(chǎn)量和燒蝕(吸熱)特性使酚醛樹脂長期受到燒蝕和火箭噴管應(yīng)用的青睞。

l 氰酸酯(CEs)它提供良好的強度和韌性,允許非常低的吸濕性和具有優(yōu)越的電氣性能。CEs特性熱/濕溫度149°C。當(dāng)前的應(yīng)用在電器罩體、天線、導(dǎo)彈等。

l 雙馬來酰亞胺(BMI)，簡稱雙馬樹脂，它提供熱/濕服務(wù)溫度 (232°C)。有些聚亞硫胺可用于短時間的371°C。超音速殲擊機蒙皮多用雙馬樹脂碳纖維復(fù)合材料制造。雙馬樹脂碳纖維復(fù)合材料，用于制造波音787整體桶機身的大型旋轉(zhuǎn)芯軸模具。

l 熱塑性聚苯硫醚（PPS）碳纖維復(fù)合材料，制造機身框和蒙皮連接的角片。角片雖然不大，但是空客A350 XWB每架飛機要使用大約8000件。

l 民機主要受力結(jié)構(gòu)件機身、機翼壁板，使用增韌環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料。

環(huán)氧樹脂由于其相對較低的成本和高性能，一般環(huán)氧樹脂可提供：

? 良好的機械性能；

? 低配方粘度；

? 低收縮；

? 與碳纖維附著力好；

? 良好的耐化學(xué)性。

航空、航天結(jié)構(gòu)件使用的復(fù)合材料，其中90%基礎(chǔ)樹脂是雙酚A縮水甘油醚的環(huán)氧樹脂。

環(huán)氧樹脂有液體、固體和半固態(tài)形式，通常與胺（amine）或酸酐(anhydride)反應(yīng)固化。環(huán)氧樹脂不像聚酯樹脂那樣用催化劑固化，而是用固化劑。固化劑(B部分)與基樹脂(A部分)在加成反應(yīng)中按固定比例共反應(yīng)。因此，正確的樹脂與固化劑的配比是保證反應(yīng)完全的關(guān)鍵。否則，樹脂既不能完全固化，也不能達(dá)到其全部性能。環(huán)氧樹脂通常與固化劑的比例(通常是1:1或2:1)添加。增韌環(huán)氧樹脂加上熱塑性塑料和活性橡膠化合物，以抵消由于高度交聯(lián)而導(dǎo)致的脆性，這已成為復(fù)合材料機身的標(biāo)準(zhǔn)，如波音的787和空客A350。

脂肪族胺可以在室溫下充分固化環(huán)氧樹脂，而天然胺則需要較高的溫度才能有效固化大多數(shù)環(huán)氧樹脂。還應(yīng)該指出的是，催化劑可以增加胺與環(huán)氧樹脂的反應(yīng)速度，但如果使用過多，往往以降低性能為代價。芳香族胺常被用作環(huán)氧預(yù)浸樹脂和輸液樹脂的固化劑。環(huán)脂肪族和脂肪族胺是環(huán)氧濕層合樹脂中最常用的固化劑。下面是兩種固化劑的比較：

2． 同樣的碳纖維，使用不同的基材樹脂，得到的復(fù)合材料性能也不一樣。如， T800/5228（國內(nèi)材料）的CAl 數(shù)值為250MPa，而T800/3900-2的CAI數(shù)值達(dá)到300 MPa以上。

3． 用碳纖維復(fù)合材料制造結(jié)構(gòu)件，使用哪種工藝方法，主要靠基材樹脂決定的。影響最終結(jié)構(gòu)件的性能、質(zhì)量，也主要是基材樹脂起作用。

4． 品種繁多的商品基材樹脂，它的組成、配方都是商業(yè)秘密。很多都申請有專利。

5． 基材樹脂與碳纖維結(jié)合，實際上是與碳纖維表面漿料（上漿劑）結(jié)合。結(jié)合的程度，直接影響復(fù)合材料的性能。因此，基材樹脂的研發(fā)離不開碳纖維表面的漿料。

6． 基材樹脂的研發(fā)，不再是高分子化學(xué)專業(yè)一家的事情。目前國際上比較成功的做法是：制造碳纖維的企業(yè)，同時生產(chǎn)與碳纖維配套的基材樹脂。配套基材樹脂的研發(fā)與制造結(jié)構(gòu)件的企業(yè)緊密結(jié)合，共同研究、做試驗。成功企業(yè)的典范，赫氏（Hexcel）公司、東麗（Toray）在美國塔科馬的復(fù)合材料公司。

7.  我國碳纖維生產(chǎn)規(guī)模，在全球也是排在前面。但是這種“貴族材料”應(yīng)用在民機上，才有可能賣一個符合身份的好價錢。一架波音787要用到25噸復(fù)合材料（CR929單機復(fù)合材料用量，也是這個數(shù)量級）。如此大的用量，勢必帶動復(fù)合材料制造企業(yè)擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。

8．  國產(chǎn)樹脂基碳纖維復(fù)合材料，要用到民機上難度大、工作量大，相當(dāng)一段時間里只有投入，而沒有收益。特別是環(huán)氧樹脂基材的研發(fā)、生產(chǎn)，長期集中在少數(shù)科研單位、大型制造企業(yè)手中，沒有完全結(jié)合國產(chǎn)碳纖維，更沒有商品化。材料要通過適航審定，勢必還要重新做大量試驗和數(shù)據(jù)積累工作。有些科目還得結(jié)合民機的研發(fā)，做1：1的飛機結(jié)構(gòu)試驗件。沒有國家規(guī)劃、支持，材料企業(yè)很難開展工作。

9． 數(shù)目繁多的基材樹脂，皆是高分子化學(xué)的產(chǎn)物。本文僅介紹了一點皮毛。拋磚引玉，希望更多的人了解她，支持樹脂基碳纖維復(fù)合材料早日國產(chǎn)化。

作者簡介：楊超凡，飛機制造高級專家，近年專攻民機復(fù)合材料。原陜飛副總工程師，原航空工業(yè)部首批研究員級高級工程師，享受國務(wù)院特殊津貼。