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| 2022/01/12 22:43:54瀏覽24｜回應0｜推薦0 | |
持續提高復合材料的性能是航空復合材料基礎研究一個永恒的主題，一如“更高、更快、更強”的奧運會精神。幾年前，空中客車公司就飛機復合材料技術的現狀和發展方向指出，未來航空復合材料應該具有更高的韌性性質，體現在連續碳纖維增強的航空樹脂基復合材料上，就是這些材料必須具備更高的壓縮強度和沖擊后壓縮強度（CAI，Compression After Impact），這樣才能保證飛機的安全性。復合材料的壓縮強度主要由碳纖維的性能決定，而復合材料的CAI性質則取決于樹脂材料的韌性，特別是復合材料的多尺度、多層次結構等。 事實上，寸有所長，尺有所短，沒有一種材料是“全才”，也沒有一種材料是只有優點而沒有弱點的。從總體上看，碳纖維增強材料作為航空復合材料產生優秀力學性能的基礎，它本身的韌性就很低，導致用碳纖維增強的樹脂基復合材料的韌性水平相對于許多金屬材料也偏低，因此，提升結構材料、特別是先進的碳纖維增強樹脂基復合材料的韌性性能當然也是航空復合材料領域永恒的研究主題。
增韌新概念的提出與實踐
層狀化、含柔性高分子夾層材料的防彈、防撞擊玻璃制品舉例眾所周知，玻璃易碎，但夾層防彈玻璃或車窗玻璃卻不怕。為什么？就是因為在這些層狀化“復合材料”的設計里，在兩張薄玻璃層之間設置了一層柔性高分子的插層（如PVC膠膜），并保證兩者之間良好黏結，這樣，在彈擊或撞擊事件發生時，夾層玻璃一般不會發生粉碎性、穿透性的災難性破壞（圖2）。顯然，夾層玻璃設計沒有改變玻璃脆性的本質，但通過層間插入改變了整個系統對外部沖擊的響應機制和破壞模式，因此就不怎么害怕沖擊破壞了。
為了提升我國航空復合材料的韌性性質，特別是提高航空復合材料的沖擊后壓縮性質，在“973計劃”項目等的支持下，北京航空材料研究院先進復合材料國防科技重點實驗室的材料科學家提出了復合材料層間增韌和層內增剛的新概念，在2000年前后，在“離位”層間增韌方面，初步實現在保持復合材料比剛度和比強度的同時，大幅度提高復合材料的沖擊分層損傷阻抗與容限，這其中，一個關鍵的概念就是“離位”層間增韌技術，這個技術的形象的理解可以比照夾層防彈玻璃：為了提高比較脆性的熱固性復合材料的沖擊損傷阻抗，可以在連續碳纖維的鋪層之間放置高韌性的熱塑性樹脂鋪層。
實踐是檢驗真理的標準。通過國產雙馬來酰亞胺樹脂基復合材料各3個試樣“離位”層間增韌前后的沖擊分層損傷超聲波C掃描照片、沖擊分層損傷的投影面積以及相應的沖擊后壓縮強度（CAI值）的對比，比較發現，“離位”層間增韌不僅提高了復合材料抗擊沖擊分層的能力（沖擊損傷阻抗），減少了的分層投影面積，而且也提高了復合材料的沖擊后剩余壓縮強度（沖擊損傷容限）。
同樣，國產聚酰亞胺復合材料的研究和測試結果也表明，“離位”增韌方面也有力地提升了這種高溫復合材料的沖擊分層損傷阻抗和損傷容限，復合材料的CAI值提升顯著。對國內外其他復合材料例如環氧樹脂基以及聚苯并惡嗪基復合材料沖擊損傷阻抗和損傷容限的研究與測試結果證實，“離位”層間增韌技術在合適的材料熱力學和動力學條件下，均可以取得比較明顯的復合材料增韌改性效果。
“離位”增韌的材料科學基礎
反應誘導相分離及粗化形成的顆粒狀雙連續結構示意（上左），熱塑性脂增韌的環氧樹脂雙連續結構示意（上右），以及熱塑性樹脂增韌的雙馬來酰亞胺樹脂雙連續結構示意（下）的掃描顯微鏡照片復合材料沖擊損傷阻抗和損傷容限得到提高的材料學機制是什么呢？現代材料科學告訴我們，決定材料使用性能的關鍵不僅取決于組成這個材料體系的成分，而且取決于這個材料體系內部的多尺度、多層次的微結構，因此，根據“離位”層間增韌在連續碳纖維的鋪層之間放置高韌性的熱塑性樹脂鋪層是一回事，而得到什么樣的材料微結構是另一回事。大量的基礎研究工作表明，雙連續、顆粒化的微觀結構將有利于提高材料的沖擊韌性（圖3），因為在這種結構里，裂紋的引發及其擴展必須穿越大量顆粒以及顆粒間的高韌性的“填充”材料，從而引起大量的能量消耗，換句話說，這樣的微結構是一種高韌化的微結構。根據這個思路，重點實驗室的科研人員通過材料熱力學和動力學的研究，研制獲得了這種雙連續、顆粒化的熱塑性高分子/熱固性高分子復相微觀結構，選用的樹脂材料對象就是我國航空工業的主要復合材料品種。
環氧樹脂基復合材料的碳纖維鋪層間的結構形貌需要指出，“離位”增韌技術的第二個條件是“定域”，就是說，必須把這種雙連續、顆粒化的微觀結構準確地放置在層狀復合材料的富樹脂的層間，并且盡可能地控制層間厚度，以保證復合材料在高增強纖維體積分數條件下的比剛度和比強度。圖4所示是一個國產高溫環氧樹脂基復合材料的碳纖維鋪層間的微結構形貌，照片中，特征性的雙連續、顆粒狀的環氧樹脂顆粒連成了一片，層間厚度約相當于2~3根碳纖維的直徑。同時我們還可以看到，這種雙連續的顆粒微結構已經淺層滲透進入了碳纖維鋪層內約幾根碳纖維直徑的深度，其后，基體樹脂仍舊保持為環氧連續相。事實上，正是因為這個淺層滲透的雙連續顆粒結構產生了一種“機械”咬合作用，特別是在斷裂尖端張開載荷的條件下，這種咬合將產生“犁地”效應，在裂紋擴展時引發大量纖維的拔出和斷裂，導致裂紋擴展或分層的阻力成倍地增長。
富熱塑性的顆粒狀3-3層間結構向碳纖維層內的淺層擴散示意圖根據以上的觀測結果，可以初步建立一個“離位”復合材料的層結構模型（圖5），初始被表面附載而預置在碳纖維鋪層間的熱塑性樹脂層經過熱固性樹脂的擴散、交聯固化，特別是經過相分離、相反轉和相粗化等一系列熱力學和動力學過程，形成為一個跨層間的獨特的熱固性樹脂連續結構，其形貌特征是連續的顆粒結構，與此同時，熱塑性樹脂也是連續地分布在熱固性樹脂顆粒之間，即“雙連續”。特別是這種雙連續結構的邊界并不是兩個碳纖維鋪層的層間，而是淺層滲透進入了碳纖維鋪層的層內，從而產生機械互鎖效應。
概念性研究成果的工程化放大
“離位”核心技術體系與材料體系為了將這個基礎研究的成果推向工業應用，在中航工業創新基金項目等的財政支持下，重點實驗室的科研人員在熱熔預浸機上把“離位”表面附載技術進行了連續化放大試驗，結果令人滿意。由此獲得的預浸料產品命名為ESTM-Prepreg預浸料，北京航空材料研究院獲得這個產品的注冊商標。
“離位”表面附載增韌技術的提出和發展主要得益于深入的基礎研究，圖6所示就是“離位”增韌概念研究的全流程，由此可見，基礎研究當然需要長期的投入，但更需要在長期財政支持和基礎理論指導下開展認認真真的探索，北京航空材料研究院先進復合材料國防科技重點實驗室的材料科學家和材料技術工程師們正是這樣實踐的。
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