环氧基纤维增强复合材料的应用

    环氧树脂是优良的热固性树脂。它与目前大量应用的不饱和聚酯树脂相比,具有更优良的力学性能、电绝缘性能、耐化学腐蚀性能、耐热  和粘合性能。众所周知,在国内,环氧树脂除用作粉末涂料、地坪、封装料、粘接剂等以外,在纤维增强复合材料领域中更是大显身手。它与PAN基碳纤维、芳纶、超高相对分子质量聚乙烯纤维等高性能纤维,以及连续玄武岩纤维、S或E玻璃纤维增强复合,便成为不可替代的重要的结构材料,广泛运用在电子电力、航空航天、运动器材、建筑补强、压力管罐、化工防腐等领域。据粗略调查,我国目前用于环氧基纤维增强复合材料所需环氧树脂总量在15万t/a左右,且每年以20%的速度增长。
    下面分别介绍环氧基纤维增强复合材料在各个领域中的应用现状。
    1覆铜箔板(电子玻璃纤维基板)和风电叶片
    环氧玻璃纤维覆铜箔板是一个重要的电子产品。我国台湾占这一产品总量的1/2。台湾电子企业西移大陆加工出口及国内市场需求,激发了大陆电子业的发展。我们从国内电子玻璃纤维产量进行分析(表1),2004年生产了12.85万t,需用环氧树脂达5万多。
                                       表1 2004年电子纱年产能统计
                                          地区 厂家 数量 备注
                                          台湾省 必成 90000  
                                          台玻 50000  
                                          富乔 32000  
                                          福隆 28000  
                                          达荣 3600  
                                          小计 203600  
                                          大陆 PRC 30000 增加3万t,2006年投产
                                          台嘉 10000 增加1万t,2005年6月投产
                                          宏联 15000  
                                          世纪忠信 40000  
                                          建滔连州玻纤有限公司 - 新增3600万VM ,2006年投产(折合0.6万t)
                                          珠海 8500  
                                          重庆国际 10000  
                                          山东泰山 5000 增加2万t,2005年3月投产
                                          巨石集团 - 增加电子布5000万m,2006年投产(折合1万t)
                                          其他 10000 川坡、杭玻、5227等
                                          小计 128500  
                                          欧美日 Vetrotex 80000  
                                          AGY 20000  
                                          PPG 30000  
                                          NTB等 40000  
                                          小计 170000  
                                          合计 502100  
    从表中可看到,到2006年底,大陆将新增电子纱达8万t,需求高性能环氧树脂达4万t。
    除了电子产品的需求,电力电器产品如电绝缘层压板、风力发电机叶片等对环氧基复合材料的需求也日益增长。据了解,由于对风力发电叶片强度和刚度的要求越来越高,长度30多m以上的风机叶片是由环氧树脂碳纤复合材料制作。目前德国公司大的风叶已达到82m。风能作为清洁和可再生能源,已受到我国政府的高度重视,规划中沿海和西北地区的风电开发,将大量需求高性能风机叶片。四川东方汽轮机厂巳于2004年全套引进德国Repower公司风力发电机项目,这标志我国大规模风电开发正式启动运行。该项目的风叶直径达35m,由丹麦在天津的独资企业制造配套,并进行国内原材料配套消化吸收。
    2航空航天结构材料
    出于航空航天飞行及其安全的考虑所需,其结构材料应具有高比强度,高比模量、高可靠性和高稳定性.环氧基纤维复合材料成为航空航天制造业不可缺少的材料。据有关资料报导,航天飞行器的质量每减少1kg,就可使运载火箭减轻500kg,而一次卫星发射费用达几千万美元。高成本的因素,使得结构材料质轻,高性能显得尤为重要。利用纤维缠绕工艺制造的环氧基固体发动机罩,不仅耐腐蚀、耐高温和耐辐射,而且密度小、刚性好、强度高和尺寸稳定;再如导弹弹头、卫星整流罩和宇宙飞船的防热材料和太阳能电池阵基板,都采用了环氧基及环氧酚醛基纤维增强复合材料来制造。
    民用航空材料方面由于采用环氧基碳纤维增强复合材料,带来非常明显的性价比。欧洲空中客车公司提出,更多地用轻质高强材料使机身减重30%,整个飞行成本可降低40%;空客公司的储备技术还提出,机身质量减15%,成本可下降15%的目标。空客公司在使用复合材料方面一直走在业界前头,如,4380飞机约25%由复合材料制造,其中22%为环氧基和工程塑料基纤维增强塑料。A380在后压力舱后部的后机身次采用丁复合材料和先进金属材料,使用这些复合材料减轻了机身质量,大大减少了油耗和排放,并降低了运营成本。再如波音777飞机上采用纤维增强复合材料量达9900kg,占结构总质量的11%。我国高性能复合材料应用于航空业巳有20多年历史,目前军用歼击机占用量达25%,直升机高用量可达50%,民用客机也达到10%~20%,主要用于起落架舱门、内外侧副翼、方向舵、升降舵、扰流板等