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    耐高溫復合材料樹脂的應用及發展前景
    發布時間:2021-08-20
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    耐高溫樹脂復合材料領域的應用有其特色與優勢,該行業正進一步拓展對復材的適用性。

     

    主要的耐高溫樹脂有雙馬來酰亞胺樹脂、聚酰亞胺(PI)、氰酸酯樹脂、耐高溫環氧樹脂、酚醛樹脂及高溫熱塑性樹脂聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚苯砜(PPSU)、聚醚砜(PES)、聚醚酰亞胺(PEI)。2018年高溫復材樹脂市場突破1.1億美元,預計將持續增長,在2025年每年將會有超過10億美元的收入。

     

    聚酰亞胺與雙馬來酰亞胺的使用率最高

     

    在復合材料高溫樹脂行業中,以聚酰亞胺與雙馬來酰亞胺樹脂使用率最高,合占全球市場60%以上的份額。聚酰亞胺占主導地位。聚酰亞胺復合材料制品可承受高達315 °C的連續使用溫度及高達480 °C的間歇使用溫度,并在高溫下表現出極高的尺寸穩定性,主要用于高溫應用中。聚酰亞胺復合材料部件具有耐久性,有助于降低維護/更換成本。發動機導管是聚酰亞胺樹脂的關鍵應用。例如在波音F/A-18超級大黃蜂上的F414發動機的外部旁通管是由Composite Horizons公司使用碳纖/聚酰亞胺復合材料制造的。

     

    雙馬樹脂材料具有耐高溫、耐濕熱、吸濕率低、模量高、熱膨脹系數小等優點,由于其同時具有環氧樹脂良好的工藝操作性及聚酰亞胺樹脂的耐熱性,在工業領域特別是航空航天領域廣泛應用,如用于軍用飛機與商用飛機的引擎、機身、機艙、直通反向器與管道之中。近10年以來,雙馬來酰亞胺樹脂已被廣泛用于軍事飛機,尤其是第五代戰斗機,例如洛克希德·馬丁(Lockheed Martin)的F-22Raptor f-35與飛機。關于F-35飛機,其中35%的結構組件均是復合材料,其中約50%是由碳纖維/BMI所組成,包括上下機翼,進氣罩,與發動機組件。目前F-35飛機的未履行訂單總額已超過12個國家的2691架飛機,這將在未來幾年內大力推動BMI樹脂的需求。至于氰酸酯樹脂, 具有良好的耐高溫性能、介電性能好、熱脹系數小、吸水率低、耐射線和高能輻射的能力強等優異的綜合性能,使氰酸酯在航空航天復合材料中倍受人們的青睞,其應用愈來愈廣泛。Lonza公司是全球領先的供應商,其Primaset品牌廣泛用于導彈組件,衛星天線與其他太空應用。

     

    環氧樹脂基體具有工藝性能良好、綜合力學性能好、成本低等優點,是目前應用最廣的結構復合材料。國外先后發展了 977、M21 和 3900等系列 ,性能達到 第三代及以上水平, 抗沖擊損傷能力強, 已作為航空 主承力和次承力結構件使用 。

     

    在熱塑性樹脂中,聚苯(PPSU),聚醚砜(PES),與聚醚酰亞胺(PEI)是主要的類別。其中PEI樹脂在飛機內部的應用是首選。它具有出色的防火,防煙與防毒(PST)性能,與其他競爭性高溫材料相比,它的成本更低。但是其用途僅限于室內。地板、地板型材、導軌組件、行李托架與飛機內部托架是高溫熱塑性樹脂的關鍵應用。

     

    航空航天

     

    高溫樹脂用于軍事與商用飛機發動機在復合材料工業中具有悠久的歷史。航空航天與國防工業在全球高溫復材樹脂市場中占有最大份額。在復雜而高性能的航空航天領域,碳纖維/環氧樹脂復合材料可在高達130 °C的長期使用溫度下滿足多種功能要求,并能承受高達204 °C的短時峰值,滿足高性能發動機冷端部件對溫度、質 量、強度、模量的要求,在風扇機匣及 包容環、風扇葉片、風扇帽罩、短艙和反推力裝置等部件具有廣泛應用。雙馬樹脂材料的(長期)使用溫度范圍較寬,一般為130℃~260℃左右。廣泛應用于航空和航天飛行器和發動機領域中的承力結構以及耐熱結構等。

     

    當今航天器,新型商用飛機與第五代軍用戰斗機的設計要求已將持續使用溫度升高到316 °C至538 °C或更高的范圍,一般而言,聚酰亞胺樹脂(PI)在一級與二級復材結構件之使溫度需達到350 °C。

     

    聚酰亞胺樹脂(PI)在航空航天中的關鍵應用包括發動機機艙,C型導管,壓縮機整流罩,推力反向器,天線罩,導彈推進系統,排氣系統零件,與絕緣材料等。通常,采用聚酰亞胺樹脂(PI)預浸料鋪層來制造復合材料零件。飛機上大多數結構部件,例如發動機機頭,均暴露于極端高溫與高速的惡劣環境中。組件的故障可能導致整個系統的災難性故障,并導致許多人喪生。高溫樹脂通過提高其承受極端熱量的能力來增強復材零件的性能。

     

    商用飛機也對高溫復材高溫樹脂產生大量需求,例如,Harris公司使用碳纖/BMI復材結構制造了波音787發動機的VBV管道。

     

    其他市場應用

     

    盡管大多數需求是在航空航天業領域,但運輸業是接受度提高的行業之一,主要是在發動機罩下的應用。由于有關燃油經濟性與減少碳排放的嚴格規定,汽車工業高度重視以輕質復合材料零件代替金屬零件來減輕重量。燃油效率標準導致發動機尺寸縮小,從而產生了對更輕,更緊湊的組件需求。非常緊密的空間使引擎蓋下的許多部件更靠近發動機。引擎蓋下應用中的新型動力總成與零件通常需要在200 °C以上的溫度下連續運行。例如一級方程式(F1)之類的賽車在各種應用中也需要使用高溫樹脂,又如隔熱罩,其在一定程度上也產生對高溫復合樹脂的需求。其他應用行業主要包括電氣、電子以及石油與天然氣。開關齒輪、斷路器、連接器與外殼是電子/電氣行業中可能使用高溫樹脂的關鍵復合材料應用。

     

    北美洲和歐洲市場集中度高

     

    北美是Lockheed Martin、Cessna、Gulfsteam、Boeing等公司主要OEM的所在地,對全球高溫復材樹脂的需求最大,美國占該地區90%以上的份額。Lockheed Martin公司在美國佛羅里達州開設了一家新的制造廠,以提升F-35飛機的生產率。歐洲第二大地區也有主要的OEM廠商,包括Dassault Aviation (達索航空),BAE Systems,與Airbus Group (空客集團),均推動了對高溫復材樹脂的需求。德國、法國、與英國是排名前三的國家,占歐洲需求近4/5。在未來幾年中,亞太地區將產生蓬勃的需求,主要在中國與印度等地區會有一些重大發展。作為對F-35第五代戰斗機的回應,中國還推出了成都J-20第五代戰斗機,證實了對高溫復合材料的需求。

     

    印度也可能會有令人注目的增長,各種原始設備制造商在該國投資為其飛機項目建立制造基地。最近,在印度已經出現了OEM之間的合作伙伴關系。例如,SAAB Group與印度的Adani Group (阿達尼集團)簽訂了合資協議,在該國制造“獅驚”戰斗機。HAL (印度斯坦航空有限公司)是印度主要的軍用飛機原始設備制造商,在其Tejas或LCA專業計劃中均采用高溫復材樹脂。

     

    競爭性低的市場

     

    該市場的特點是市場集中度高,前三名分別是: Solvay S.A.、Koninklijke TenCatenv及Hexcel,其市場份額超過60%。市場由少數專注于選擇性高溫樹脂系統的公司組成。北美是高溫復材樹脂的制造中心,主要的樹脂制造商,最終用途行業的OEM參與者與復材零件制造商都在這里。在三巨頭中,Solvay S.A.與Koninklijke TenCate B.V均只立足于北美地區,其主要集中度均在選擇性高溫樹脂系統上,例如,Lonza集團推出了一系列新的氰酸酯樹脂——Primasetce-320,以滿足汽車市場對短周期制程的需求,而Huntsman 公司提供一系統的環氧酚醛樹脂樹脂,與未經改性的固態環氧樹脂相比,具有更好的耐熱性與耐化學性。

     

    未來的廣泛應用

     

    在目標應用中,高溫樹脂正在與諸如鎳、鈦、及其合金等金屬競爭。高溫樹脂的高成本是大規模應用中的主要瓶頸之一。但是,隨著發動機小型化與輕量化的持續趨勢,他們將在高端行業的高性能應用中發現新的增長前景。未來加強創新,通過AFP/ATL工藝降低樹脂成本與增加樹脂使用率,將是提高市場占有的關鍵。

     

    樹脂基體是纖維增強復合材料中最薄弱、最先受到破壞的組分,對復合材料整體性能的發揮起著關鍵作用。我國在樹脂基體方面仍存在各種問題和差距。因此,第六屆碳纖維及碳/碳復合材料論壇特設高性能樹脂主題,以期能更好的促進行業發展?。▉碓矗簭娀芰蠒?,由carbontech翻譯整理)

     

       

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