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日本帝人公司开发新型耐热抗冲击预浸料

2019年3月4日,全球知名碳纤维复合材料厂商日本帝人公司在其官方网站上宣布,该公司研发出了日本首个兼具高耐热性和高耐冲击性的双马来酰亚胺树脂(BMI)碳纤维预浸料。新型预浸料的问世预计将在航空航天发动机零部件中具有非常好的适用性。

一、材料研发背景

预浸料是树脂基体在严格的控制条件下,通过浸渍纤维增强体制成的树脂基体与增强体的组合物,是将原材料制造为成品复合材料的中间产物,广泛应用于航空航天、汽车工业、大型基础设施和体育运动休闲产品等领域。

常见的预浸料主要采用环氧树脂和双马来酰亚胺树脂(BMI),部分产品还会使用聚酰亚胺树脂、酚醛树脂和氰酸酯树脂等。预浸料的力学性能是复合材料制品力学性能的基础,由于不同应用领域所需的复合材料性能差异很大,因此需要根据应用环境的不同,不断调整碳纤维与树脂的组合和成形方法,同时还要开发用于特定需求的制造技术。轻质高强的环氧树脂预浸料多用于航空航天领域的结构部件中,传统的BMI预浸料具有优异的耐热性和较小的线性热膨胀系数,已经广泛应用于航空航天发动机等需在高温环境下工作的零部件中,以防止材料的降解或变形。不过,传统的BMI预浸料存在以下两方面问题:一是性能上,若改善BMI树脂的耐热性,往往会降低其抗冲击性能,导致材料性脆,在受到强烈冲击时发生碳纤维和树脂层的剥离,造成复合材料的破裂;二是在成形工艺上,BMI具有较高的流动性,难以模塑。

因此,在这样的需求背景下,开发一种兼具优异耐热性和抗冲击性、性能上更加平衡的BMI预浸料,最大限度的满足在航空航天零部件对复合材料的要求,成为各大厂商关注的重点。

二、新型BMI预浸料解决难题

日本帝人公司开发的新产品,使得上述问题得到了妥善解决。这种新型BMI预浸料具有高达280℃的玻璃化转变温度(Tg),同时还兼具220Mpa或更高的冲击后抗压强度(CAI)。新型预浸料具有较小的线性热膨胀系数,可在低温和高温下保持优异的尺寸稳定性。此外,与传统的使用BMI的预浸料相比,帝人公司通过调节配方中树脂的粘稠度,控制树脂在模塑成型过程中流经模具预制件的速度,显著改善了材料的可模塑性,同时成功的缩短固化成形时间。

BMI预浸料产品(日本帝人公司图片)

帝人公司新型BMI预浸料产品的诞生,除了对自身长期积累的传统树脂配方技术进行优化之外,还吸纳了来自北美地区Renegade材料公司的专利技术。Renegade材料公司是一家重点从事耐热热固性预浸料研发和生产的供应商,深得来自美国和欧洲的飞机、发动机制造商的信赖。该公司成立于1993年,总部设在美国俄亥俄州,起初只是一家树脂制造商,后于2007年起推出了专用于航空航天领域的热固性预浸料产品,创造了牌号为Renegade的同名系列化货架产品。Renegade公司在高耐热性树脂方面具有很高造诣,拥有诸多专利技术。基于上述原因,2019年2月,帝人公司宣布对Renegade公司进行整体收购,这也在一定程度上助力新型BMI预浸料产品实现了过去从未达到的性能水平。

Renegade材料公司的高温预浸料产品为军用/商用发动机部件提供解决方案(Renegade公司图片)

这款新型BMI预浸料产品,已经在2019年3月12日-14日举办的JEC复合材料展中进行了展出。

三、产品发展前景

作为未来先进飞机所需的重要配套产品和先进技术,预浸料产品受到了越来越广泛的关注和发展。帝人公司作为碳纤维复合材料领域的全球领先企业之一,将受益于Renegade公司在耐热热固性预浸料方面提供的成熟专利技术和优秀解决方案的能力,进一步扩大其在航空航天复合材料领域的业务实力。目前,帝人公司已经开发出了适用于发动机零部件的预浸料技术,正致力于在航空航天领域的其他高温零部件中将技术推广应用。此外,帝人公司正通过发展中游到下游产品线及相应应用领域,有意进一步扩大产品市场,例如开发具有更高韧性和更高拉伸模量,同时还兼具成本效益的碳纤维以及热塑性预浸料产品等。

虽然比不上日本东丽公司的财大气粗、成果丰硕,但帝人公司在碳纤维复合材料领域依然具有全球领先的技术实力。展望未来,帝人公司计划通过整合Renegade公司的成熟技术和业务销售渠道,加强其作为航空航天领域先进复合材料解决方案供应商的优势地位,扩大相关的应用开发和全球业务,力争在2030年左右,实现该领域年销售额突破9亿美元。

(中国航空工业发展研究中心  陈济桁)

本篇供稿:系统工程研究所

运 营:李沅栩

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