碳纤维增强树脂基复合材料最大的功臣竟是它？

由于突出的热稳定性，聚酰亚胺常用于制备碳材料和石墨材料，如高度结晶的石墨薄膜，碳纳米纤维，纳孔碳膜，碳泡沫等。因此在航天、航空、空间、微电子、精密机械、医疗器械等许多高新技术领域具有广阔的应用前景和巨大的商业价值。

聚酰亚胺（Polyimide, PI）是指主链上含有酰亚胺环（-CO-NH-CO-）的一类聚合物。聚酰亚胺具有优异的性能。芳香族聚酰亚胺材料具有优异的耐高温、耐低温、高强高模、高抗蠕变、高尺寸稳定、低热膨胀系数、高电绝缘、低介电常数与损耗、耐辐射、耐腐蚀等优点, 同时具有真空挥发份低、挥发可凝物少等空间材料的特点, 可加工成聚酰亚胺薄膜、耐高温工程塑料、复合材料用基体树脂、耐高温粘结剂、纤维和泡沫等多种材料形式。

聚酰亚胺树脂、环氧树脂、双马来酰亚胺树脂被认为是碳纤维增强树脂基结构复合材料的三大树脂基体, 是目前耐热等级(长期使用温度>300 ℃, 短期使用温度>500 ℃)最高的树脂基体(环氧树脂:<200 ℃;双马来酰亚胺树脂:<250 ℃), 与碳纤维复合制备的碳纤维/聚酰亚胺树脂复合材料具有轻质(比重<1.8g/cm3)、高比强度、高比模量、耐高温、耐低温等特点, 在航天航空等高技术领域具有重要的应用价值。但是, 聚酰亚胺树脂由于化学结构的高度刚性,存在着既难溶又难熔, 不易加工成型等缺点;因此, 从材料的结构设计开始, 通过调控材料的化学结构, 实现材料既具有高耐温、高强韧等优异的综合性能, 又具有优良的成型工艺性能, 一直是聚酰亚胺树脂领域的研究热点。

现如今耐高温聚酰亚胺树脂大致分为三代：

第一代耐316 ℃(600 ℉)的聚酰亚胺树脂基体是一种热固性PMR 型聚酰亚胺树脂, 由芳香族二酸二酯、芳香族二胺与反应性封端剂在低沸点醇类溶剂中反应而成的高固体含量、低粘度的溶液树脂, 与多种碳纤维(T-300 、T-700 、C6000 、IM5 、UT500 等)具有优良的浸渍性能, 可制备高品质的KH-304/碳纤维预浸料。KH-304/碳纤维预浸料可以采用反应性热模压成型工艺或反应性热压罐成型工艺制备耐高温碳纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料层压板或制件。

第二代耐371 ℃(700 ℉)的聚酰亚胺树脂基体在国家“九五”计划支持下, 研制成功耐371 ℃(700 ℉)聚酰亚胺树脂基体, 主要包括KH-370系列产品型号。KH-370 树脂具有优良的综合性能, 树脂产品的标准固体含量为50 ±2 %, 25 ℃的旋转粘度为200 ～ 250mPa·s , 室温下的储存期为2 个月, 0 ～ 4 ℃下为6 个月。与多种碳纤维(T-300 、T-700 、C6000 、IM5 、U T500 等)具有良好的浸渍性能, 可以制备成高品质的碳纤维预浸料。

第三代耐426 ℃(800 ℉)聚酰亚胺树脂基体为满足航天、航空飞行器超音速化、轻量化、高机动化对复合材料提出的高温、高强、高韧的迫切需求, 在耐371 ℃(700 ℉)聚酰亚胺树脂基体的基础上, 近年来开展了耐426 ℉(800℉)基体树脂的研制工作, 取得了令人满意的结果。研制的耐427 ℃聚酰亚胺树脂基体(KH-400系列)对碳纤维具有良好的浸润性, 可以制成高品质的碳纤维预浸料(带或布)。经反应性热模压成型工艺制备的KH-400/碳纤维层压复合材料室温下复合材料在室温下的弯曲模量>1400MPa , 弯曲模量>100GPa ;在450 ℃高温下的弯曲强度>800MPa , 弯曲模量>80GPa。

耐高温聚酰亚胺材料由于其具有可调节性强，因此最有可能在未来产生突破。其中乙炔基、苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂由于其热稳定性好、加工窗口宽以及没有小分子逸出等优点，近年来受到广大研究者的青睐，期望研制出耐更高温度的聚酰亚胺树脂及其复合材料。