《环氧树脂复合材料研究进展综述论文》8400字

环氧树脂复合材料研究进展综述论文目录TOC\o"1-2"\h\u34环氧树脂复合材料研究进展综述论文 1291341.引言 176972.环氧树脂复合材料的概述 249632.1环氧树脂复合材料的种类 228902.2环氧树脂复合材料的材料组成 224142.3环氧树脂复合材料的性能及特点 3217963.环氧树脂复合材料的日常应用 4308613.1环氧树脂复合材料在导热领域的应用研究 4122563.2在阻燃领域中环氧树脂复合材料的应用研究 6178403.3环氧树脂复合材料在耐热领域的应用研究 7121843.4环氧树脂复合材料在其他领域的应用研究 750644.环氧树脂复合材料的发展趋势 9219385.展望 102036参考文献 10摘要：在树脂材料中，环氧树脂材料是一种非常出色的树脂材料。它具有非常良好的动力学性能和电学性能，同时在热学性能和防腐性能上也十分优良。环氧树脂具有制备方便并且价格低廉的特点，在电子电器、土木工程和汽车机械等领域可以广泛地应用。但是由于环氧树脂的缺点确实也有很多，例如：在高温下容易使得固化后的分子交联氧化程度比较高，从而直接造成了环氧树脂在高温环境下的脆性比较大，使得耐冲性能比较低，同时环氧树脂的导电导热性能差。这些缺点都大大限制了环氧树脂的广泛应用。近年来，环氧树脂复合材料的改性技术发展迅猛，生产技术日渐成熟，使得环氧树脂复合材料在各大领域得到了很好的应用，并且由于环氧树脂本身的优异性能，具有广阔的发展前景。笔者通过查阅大量的资料和文献及网上收集的资料整理出环氧树脂的发展历程，近年来环氧树脂在各个领域取得的进步以及环氧树脂复合材料的发展趋势和发展前景。关键字：环氧树脂；复合材料；发展趋势；应用1.引言随着这几年来经济的飞速发展，环氧树脂复合材料已成为生活生产中不可或缺的重要的结构材料。因其产品本身具有质量轻，强度高，模量大，耐腐蚀性好，电动机稳定性差，原件资源广泛，生产过程中所需要使用的原件的数量多，获得方式较多等特点，在我们国防建设、国民经济和工业信息化的发展中已经逐渐成为不可能被替换掉的重要原材料，所以该材料在环氧树脂复合材料中得到了广泛应用。目前环氧树脂复合材料的改性和应用等问题备受关注，笔者对于环氧树脂复合材料的性质，发展以及在国民经济中的应用进行了探究。2.环氧树脂复合材料的概述环氧树脂复合材料是一种新型化学材料，泛指由以环氧树脂为基体材料与具有我们所需要的优异性能的增强材料进行复合而成的一种多相体系固体材料。2.1环氧树脂复合材料的种类环氧树脂复合材料（Erc），可以大家被简称为环氧复合材料，同时也可被人们称为环氧增强塑料，它的品类非常的庞大。目前为止，大家对于环氧树脂复合材料还没有统一的名称和含义，也没有统一而且具体的分类方法。但是一般情况下会按照用途进行分类，可大概划定为三种，分别采用的是环氧结构复合材料、环氧功能复合材料和环氧功能型结构复合材料；按成型的压力大小又可对环氧树脂复合材料进行细，分别为环氧高压成型复合材料和环氧低压成型复合材料；如果对其进行细分的话，可以按照环氧复合材料的各种成型工艺方法及其性能，以及产品在各种应用场景中所表现出来的特点，还要充分地考虑到我们实践中所习惯的名称，综合地考虑一下，我们大致可以将环氧树脂复合材料划分为：环氧树脂结构复合材料、环氧树脂层压塑料、环氧树脂玻璃钢（有时候也可以被我们简单地称为通用型环氧树脂复合材料）、环氧树脂工程塑料。2.2环氧树脂复合材料的材料组成环氧树脂复合材料的结构一般是由环氧树脂基体、增强材料以及在制备过程中它们两者之间所形成的界面层来组成的。环氧树脂基体（Erm）是环氧树脂溶液在空气中经过一段时间凝固后的固化物，不同种类的环氧树脂基体中的环氧树脂胶液需要使用不同的工艺要求来进行配置；增强材料的形式多样，但一般主要采用纤维和纤维织物，偶尔也会运用到微粒状或粉状材料，因为环氧树脂复合材料的增强效果通常都是随着增强材料粒径比的增大而增强的，一般情况下，在高性能的环氧树脂复合材料中，通常使用的都是碳纤维和高强玻璃纤维或者是芳纶纤维的混杂纤维，只有这样，才能满足各个领域对于环氧树脂复合材料的苛刻要求；界面层指环氧树脂基体与增强材料制备复合的过程中，在环氧树脂基体和增强材料两者之间形成的一种结构，界面层的性能水平高低将直接影响环氧树脂基体和增强材料的潜力能否得到充分发挥，这也就说明了界面层在影响环氧树脂复合材料的性能方面起了重要作用。另外，性能优良且高品质的界面层能够保证环氧树脂基体和增强材料能充分地发挥它们的潜在能力和它们之间的复合效应，这有利于提高环氧树脂复合材料的综合利用率。2.3环氧树脂复合材料的性能及特点环氧树脂复合材料充分地利用和挖掘了各个组分材料的优势和潜在能力，通过这些组分之间的协同作用和复合效应，呈现出原来单一材料所不可能具备的新的化学性能、物理性能等，从而实现了各个不同领域对材料某些特殊性能的综合性要求。一是环氧树脂复合材料具有高比模量、高比强度、密度小的性能特点，比模量相对较高的碳纤维环氧复合材料的比强度一般是钢的5倍、铝合金的4倍、钻合金的3.2倍，因而可以得知，环氧树脂复合材料和各种金属材料在强度和刚度相同的情况下，使用碳纤维环氧树脂复合材料作为构件可以大大减轻整体的重量。这在有效地利用节约能源、增加了构件的综合利用率和防腐性能上，是目前世界上现有的任何一种金属材料都完全无法与之相比较的。二者，环氧树脂复合材料的破损安全特性比较好，耐疲劳强度较高，环氧树脂复合材料在一些特殊条件下可能会直接出现局部或者严重损伤的现象，例如在疲劳载荷或静载荷作用下，环氧树脂复合材料首先会在最薄弱的部位或者地方直接发生界面上的脱胶、横向裂纹、纤维断裂、分层等局部损伤的情况，但是此时整个构件可能还可以继续接受这种局部损伤的情况，并且此时整个构件并不会因为出现损伤现象而立即导致构件整体发生断裂，这主要原因是由于此时许多的增强材料纤维和界面会阻碍或者延缓整体裂纹的拓展，并且环氧树脂复合材料会通过环氧树脂基体迅速地把载荷重新分配并经由界面传递到末端纤维上，让整个构件能够保持运作直到疲劳寿命达到大约90%才会迅速断裂。这点相对于金属材料而言，环氧树脂复合材料会有明显的预兆后，材料才会整体断裂，所以环氧树脂复合材料比金属材料的抗震、抗风险和安全性更好，因为金属一般都会在疲劳载荷下自动发生没有明确预兆的突发性破坏。三是环氧树脂复合材料的减震的性能良好，由于环氧树脂复合材料是一种具有高比模量的材料，所以它同时也具有高自振频率。因此，环氧树脂复合材料既不易导致工作时发生共振现象，又不会出现易于发生共振而产生的早期损坏现象。环氧树脂复合材料还具有良好的耐腐蚀性能、介电性能、透电磁波性能、综合性能好的特点以及各向异性及材料的可设计性能等优异性能。环氧树脂复合材料的可设计性能有助于根据工程结构的载荷分布和使用的条件来设计环氧复合材料的配方、铺层。从而能够使各个组分的作用和潜在性能合理地、有效地发挥。虽然环氧树脂复合材料的性能优点较多，但其主要缺点是性能分散度比较大、耐潮湿、耐高温差、抗老化和防腐性能比较弱、横向性和层间剪切强度低。3.环氧树脂复合材料的日常应用由于环氧树脂本身具有良好的机械性能、电绝缘性能、物理性能、以及它在使用过程中制造出来的灵活性等诸多特点，所以目前如何将增强材料进行改性以此获得性能符合我们需要的高性能填充材料和将性能优越的增强材料与环氧树脂结合获得良好的导热型环氧树脂复合材料、隔音型环氧树脂复合材料、阻燃型环氧树脂复合材料仍是一个问题。下面将对目前已有改性环氧树脂复合材料进行归纳总结。3.1环氧树脂复合材料在导热领域的应用研究薛阳在进行研究时发现以球形的氧化铝作为复合材料的填料可以有效地提高环氧树脂复合材料的导热性能，这主要是由于球形氧化铝（I-Al2O3）不规则的形貌结构比普通的氧化铝表面更为粗糙，使得球形氧化铝（I-Al2O3）填料之间的接触有了更多的可能性，更加地有利于球形氧化铝填料和环氧树脂基体之间形成稳定的导热网络，所以环氧树脂/球形氧化铝（I-Al2O3）复合材料的导热率最高可达1.65W/(m·K)，比其他相同填充量的环氧树脂复合材料要高，相比于纯环氧树脂提高了650%。对于环氧树脂/I-Al2O3复合材料本身而言，单只使用单一的大粒径球形氧化铝（I-Al2O3）填充的复合材料，其导热率约为1.50W/(m·K)；随着小粒径的球形氧化铝（I-Al2O3）的比例的提高，填料与环氧树脂基体的界面面积增大而导致的界面热阻相应增大，从而导致复合材料的导热性能下降；当填充材料全部为小粒径球形氧化铝（I-Al2O3）时，环氧树脂复合材料的导热率下降至最低，所以使用适当的粒径比的球形氧化铝作为填料，才能有效地提高环氧复合材料的导热性，过多或过少小粒径的氧化铝都将对提高环氧树脂复合材料的导热性有负面影响[1]。张永平在研究时选择了具有高导热、高电阻率、电绝缘性优异的六方氮化硼（h-BN）陶瓷粉末作为增强填料，593固化剂来作为环氧树脂的固化剂，用硅烷偶联剂作为表面活性剂对h-BN进行了功能化处理，以此制备EP/h-BN-KH550复合材料。改性后的EP/h-BN-KH550复合材料的导热率随着h-BN填料的含量的增加而增加；在h-BN的添加量在20%之前，其导热率的增加幅度基本不变，在添加量超过20%以后，导热率的增加幅度明显增大。由于h-BN与环氧树脂之间存在界面热阻，从而导致导热性能的下降，但经过偶联剂KH550处理之后的h-BN就可以与环氧树脂很好地结合，减少它们之间的界面热阻，从而提升复合材料的导热性能。当h-BN-KH550的添加量为40wt%时，其导热率为1.18W/(m·K)，是纯环氧树脂的5.4倍[2]。王赫兵通过研究发现，BN粒径尺寸对复合材料的导热率有较大影响。总体来说，材料的导热率随着BN体积含量的增加而提高，其原因是填料尺寸的增加，增大了BN与树脂基体接触的可能性，有利于基体内导热网络的建立[3]。马万里利用不同粒径的氧化铝并且使用了硅烷偶联KH560对氧化铝的表面进行改性处理后的氧化铝混合作为填料来制备环氧树脂复合材料，以此来深入研究复合材料的导热率受不同填料粒径和粒径组合而产生的影响。研究结果显示：在填料含量相同的情况下，粒径大的填料比粒径小的填料更加有利于大幅度地提高复合材料的导热，这是由于粒径越小的填料，其表面温度可以变得更高，因此它的表面能也越大，从而导致填料在环氧树脂基中分布不均匀从而容易发生团聚现象，使得颗粒间有了空气的存在，降低了复合材料的导热率；此外，采用粒径大小不同的氧化铝按一定的比例混合作为填料制备的复合材料能提高复合材料的导热率，这是因为不同粒径的填料的填充增多了粒子间的接触点，使得填料粒子的堆积密度更大，更有利于提高复合材料的导热率[4]。3.1.1填充型导热环氧树脂复合材料的研究纯环氧树脂的热导率在0.17~0.23w/(m`K)范围内，基本满足常见电子元器件材料的使用要求T。但当在航空航天等苛刻条件下使用时,其导热性能仍需要进一步优化。基于此,在保证环氧树脂自身综合性能不降低的前提下,进一步提高其导热性能成为目前学者们研究的一个热点。提高环氧树脂热导率主要有两个方法:一是填充型导热环氧树脂复合材料的研究,即在环氧树脂中填充氮化硼(BN)、氮化铝﹑氧化铝等导热性能优异的填料。二是本征型导热环氧树脂复合材料的研究,即通过分子键的形式向环氧树脂的主体分子或链节结构中引入导热性能良好的元素及基团,或提高环氧树脂复合材料结构的有序性和高取向性。目前已有大量文献报道显示,适当调整改性方法可推进导热型环氧树脂复合材料的工业化生产,满足航空航天领域材料的应用需求。3.1.2本征型导热环氧树脂复合材料的研究纳米粒子及有机体系共混改性的导热型环氧树脂复合材料应用范围较广,其主要导热机理是在材料内部建立良好的导热通路。但是仅仅构建导热连接无法满足更大热量的传导需求,而本征型环氧树脂复合材料的研究则为更高的热传导要求提供了新的解决办法。本征型导热型环氧树脂复合材料的合成主要是通过在高分子链中引入刚性基团,促进高分子链的有序性结晶、改进填料存在形式等方法,对环氧树脂的热传递通路进行进一步的贯通和引导,其导热性能的提升不依赖于填料的加入量。3.2在阻燃领域中环氧树脂复合材料的应用研究赵微以环氧树脂作为基体，多壁碳纳米管（MWCNTs）作为添加剂，采用了一种通过超声分散与溶液共混的方式制备出了碳纳米管/环氧树脂复合材料来研究碳纳米管功能化、质量分数及分散剂含量对碳纳米管/环氧树脂复合材料阻燃特性的影响时发现[5]：（1）羧基功能化的碳纳米管对环氧树脂复合材料的阻燃性能有较好的改善，当羧基含量为1%时，此时环氧树脂复合材料的阻燃性能达到最佳。（2）用极限氧指数的方法测试得出当羧基化多壁碳纳米管（MWCNTs-COOH)的质量分数为2%时，环氧树脂复合材料会具有最好的阻燃性能；在使用水平燃烧的方法测得当碳纳米管的质量分数为1.5%时，环氧树脂复合材料会具有最好的阻燃性能。（3）用（2）中的两种方法测试环氧树脂复合材料的阻燃性能的结果表明，当环氧树脂复合材料具有最好的阻燃性能时，此时的碳纳米管的分散剂质量分数为6%。彭俊林在进行研究时发现聚磷酸铵（APP）和可膨胀石墨对于聚酞胺固化环氧树脂体系来说，它能够对其产生良好的阻燃协同效果，并且能够在改善固化体系的阻燃性能的基础上，不影响环氧树脂的其他机械上的加工性能。彭俊林通过垂直燃烧的实验测试得出APP的加入，可以有效地防止炭层膨胀而导致其脱落的现象，对炭层的粘结起了至关重要的作用；利用热重分析的方法证明了APP的加入可以延缓环氧树脂的热分解，可以有效地降低环氧树脂复合材料的分解速度；通过扫描电镜的方法，可以更加直观地看到，EG/APP复配体系所需要形成的炭层本身就具有厚实、孔隙少、连接更为紧密的特点，这使得复配体系具有更好的隔热、隔氧作用，因此可以提高体系的阻燃性能[6]。3.3环氧树脂复合材料在耐热领域的应用研究代振东在进行聚多巴胺（PDA）纳米复合材料的性能时发现，PDA含量低的环氧/PDA纳米复合材料具有较好的热稳定性，可以将其制作成耐高温的复合材料，这类PDA复合材料比其他复合材料具有更好的热稳定性的原因是PDA填料和环氧树脂基体内部发生了一系列的交联聚合反应，从而引起了复合材料形成了紧凑的微观结构及其环氧链在热运动的过程中受阻，需要克服它们之间的相互作用就必须消耗能量，从而提高了环氧/PDA复合材料的热稳定性，这表明了环氧/PDA复合材料在高温领域有很好的应用前景[7]。马春柳将纳米石墨烯（GE）用硅烷偶联剂KH-5700对其表面结构进行了修饰后，将其与环氧树脂制备形成复合材料，对这种复合材料所具有的热稳定性能进行详细的探究。结果显示：与纯的环氧树脂（EP）相比较，由于KH-GE的有机官能团与EP基体的相容性很好，提高了KH-GE纳米复合材料系统中所需的热分解过程中所必须消耗的能量，从而大大地提高了体系的热稳定性[8]。3.4环氧树脂复合材料在其他领域的应用研究施雪军利用具有低密度、高强度、隔音等良好特性的空心玻璃微珠（HGB）作为填料，以环氧树脂作为基体，并在其中使用了液态端羧基丁腈橡胶（CTBN）作为整个体系的增稠剂和增韧剂，制备EP/CTBN/HGB复合材料，研究HGB和CTBN添加含量的改变对这种复合材料的吸声、隔音性能所会产生的影响。结果表明，EP/CTBN/HGB复合材料相对于EP/CTBN复合材料和纯EP的隔音性能，CTBN的加入可以有效地改善复合材料的隔音性能，这是由于CTBN的加入可以降低了环氧树脂基体的模量，并且增大了EP分子链段的运动能力，有效地提升了环氧树脂基体吸收振动能量的能力，从而极大地提升了复合材料的隔音性能；另外，在相同厚度的情况下，EP/CTBN/HGB复合材料的隔音性能更好，这是由于材料中有大量的空腔，可以有效地对声波进行折射、散射、衍射和反射，这降低了透过复合材料的声波强度，从而提高了复合材料的隔音性能。此外，CTBN和HGB均能提高环氧树脂复合材料的隔音性能。结果显示，当添加30vol%的HGB时，EP/CTBN/HGB复合材料的STL平均值与纯EP较之提高了将近3倍的隔音效果[9]。孙传明利用了空心玻璃微珠（HGM）作为制备空心玻璃微珠/环氧树脂复合材料的填料，研究不同含量的HGM对环氧树脂复合材料力学性能的影响。研究显示，环氧树脂复合材料的力学性能会随着空心玻璃微珠的含量的增加而下降，这是由于当增加HGM的含量时，基体的连续性会出现明显下降的情况，这就导致了环氧树脂基体的连接相传递力下降的情况，从而破坏了空心玻璃微珠/环氧树脂复合材料的整体性，因此也降低了环氧树脂复合材料的力学性能[10]。孙长智在研究改性后的氧化石墨/环氧树脂复合材料的力学性能时，使用了硅烷偶联剂KH-550和有机硅AEM5700对氧化石墨/环氧树脂复合材料进行改性，并对改性前后的力学性能进行了探究。结果表明，用AEM5700改性后的石墨/环氧树脂复合材料的拉伸模量远高于未改性前的复合材料和用硅烷偶联剂改性后的复合材料的；在对复合材料的弯曲性能进行测试时发现，硅烷偶联剂和AEM5700的加入并没有使得复合材料的弯曲性能有所提高；这可能与反应后得到的材料的内部结构有关；AEM5700改性后的复合材料对提高材料的剪切性能有负面效应；综合来说，以上测试表明硅烷偶联剂改性后的复合材料的力学性能要比有机硅AEM5700改性后的石墨/环氧树脂复合材料高[11]。韩春华通过研究发现，与超声分散法制备出来的复合比较相比，用乳化分散法制备出来的石墨烯/环氧树脂复合材料的固化性能更好，这是由于乳化分散法可以很好地将石墨烯均匀地分散到环氧树脂中；在添加石墨烯的含量后，石墨烯/环氧树脂复合材料的力学性能会先增加然后再降低，适量的石墨烯会提高复合材料的力学性能，是因为在环氧树脂和增强材料石墨烯之间还存在着界面作用，而后复合材料力学性能的下降是由于当石墨烯的含量达到一定的值后，这时继续添加石墨烯的含量，会使得石墨烯在环氧树脂中分布变得不均匀，此时过多的不能分散在环氧树脂中的石墨烯会在复合材料的制备中发生团聚现象，团聚体会使得环氧树脂复合材料产生应力集中点，从而导致石墨烯/环氧树脂复合材料的力学性能下降[12]。3.4.1无机阻燃剂无机阻燃剂主要指Mg(OH)2和三水合氧化铝(ATH)。其阻燃特点:在聚合物燃烧时,阻燃剂受热发生化学反应,产生大量的水蒸气﹐具有一定的抑烟作用以及起到稀释可燃气体和氧气的作用。该反应为吸热反应,可以吸收大量热量﹐从而降低燃烧基体材料的温度。阻燃剂受热产生的氧化物附着在材料表面,形成了隔离屏障,阻止热量和燃烧进一步向基体材料内部扩散﹐从而使燃烧受到抑制。3.4.2卤系阻燃剂卤系阻燃剂具有阻燃效果好、与基体材料相容性好、成本低等特点。目前全世界的阻燃剂总量中，卤系阻燃剂占三分之二。常见的有十溴二苯醚(FR-10)、六澳环十二烷等,通常将其与三氧化二锑复配,协同提高复合材料阻燃效果。燃烧时复合材料产生自由基和卤化氢气体,卤化氢气体可以产生气相阻燃作用,稀释可燃气体,阻止燃烧。4.环氧树脂复合材料的发展趋势目前环氧树脂复合材料的发展已经进入了相对成熟的阶段，其新的发展趋势在于生产向着“高纯化、精细化、规模化、专业化、系列化以及功能化”方向发展。国内环氧树脂复合材料的主要应用领域仍然是涂料、电子电气和胶黏剂行业。并且随着近年来大数据、互联网、人工智能、5G等新一代的信息技术的快速发展，环氧树脂复合材料作为电子工业的基础材料，其需求量和增长率将会呈现逐年增长的趋势。我国对于环氧树脂复合材料的要求趋向于开发高性能的环氧树脂复合材料产品和相关的加大固化剂的开发力度。而国外环氧树脂复合材料在涂料领域的发展趋势倾向于向高固含量、无溶剂化和水溶性方向发展。根据GrandViewResearch公司的最新市场报告显示，2027年全球环氧树脂复合材料市场规模预计将达到429.2亿美元。这