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基本信息

項目名稱：
航空航天用高性能雙馬樹脂的合成及RTM成型工藝研究
小類：
能源化工
簡介：
雙馬樹脂作為先進(jìn)復(fù)合材料基體，具有耐高溫、耐濕熱等優(yōu)點，在航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但是存在預(yù)聚體黏度大、單體溶解性差、對增強體浸潤差和加工成本高等不足。RTM是一種先進(jìn)復(fù)合材料成型工藝，其獨有的一步浸潤過程大幅降低成型成本。本小組從以下兩方面著手解決上述難題。 1.合成了新型雙馬樹脂，降低了預(yù)聚體黏度，改善了單體溶解性。 2.提出并采用RTM工藝“逐步升壓式”注入法，提高預(yù)聚體對增強體的浸潤。
詳細(xì)介紹：
“嫦娥”探月工程的啟動，標(biāo)志著中國航空航天新紀(jì)元的到來。作為航空航天飛行器主承力結(jié)構(gòu)的加工材料，高性能復(fù)合材料也勢必迎來自己的大發(fā)展時期。雙馬樹脂（BMI）作為一類先進(jìn)復(fù)合材料基體，憑借耐高溫、抗輻射、耐濕熱和低吸濕率等優(yōu)點，在與同類樹脂的競爭中脫穎而出。長期以來由雙馬樹脂較差的單體溶解性和過高的預(yù)聚體黏度，引起的成型困難、產(chǎn)品性能不穩(wěn)定和加工成本高等問題，限制了其被低成本廣泛應(yīng)用。 然而，復(fù)合材料的性能不僅與其樹脂基體的特性有關(guān)，還與其成型工藝密不可分。 樹脂傳遞模塑工藝（RTM，Resin transfer molding）作為發(fā)展比較完善的復(fù)合材料成型工藝，具有高效、低成本、制件質(zhì)量好、尺寸精密度高、受環(huán)境影響小等優(yōu)點，近幾年已經(jīng)成為航空航天領(lǐng)域材料低成本加工的主要手段。但RTM對樹脂體系黏度苛刻的要求，限制了其對雙馬樹該脂的加工。因此，改性雙馬樹脂，提高單體在普通溶劑中的溶解性，獲得利于RTM成型工藝的低黏度樹脂體系，已成為低成本大規(guī)模利用雙馬樹脂所必須解決的重大問題。 本科創(chuàng)小組通過向樹脂單體分子上引入大體積叔丁基側(cè)鏈，改變單體分子結(jié)構(gòu)的對稱性，增加分子鏈支化程度的方法，提高了單體在普通溶劑中的溶解性，降低了預(yù)聚體的黏度，解決了雙馬樹脂長期以來難以利用RTM成型工藝對其進(jìn)行低成本加工的技術(shù)性難題，此外，提出并采用RTM工藝“逐步升壓式”注入法，提高預(yù)聚體對增強體的浸潤，從而使利用RTM工藝加工成型的產(chǎn)品性能更加優(yōu)異。

作品圖片

  • 航空航天用高性能雙馬樹脂的合成及RTM成型工藝研究
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作品專業(yè)信息

設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

作品設(shè)計，發(fā)明的目的： 1、確定引入叔丁基側(cè)鏈解決市售雙馬樹脂缺陷的理論依據(jù)。 2、確定具有叔丁基側(cè)鏈的高性能雙馬樹脂單體的最佳合成路線。 3、確定具有叔丁基側(cè)鏈的高性能雙馬樹脂預(yù)聚體的最佳固化工藝。 4、確定RTM工藝“逐步升壓式”注入法加工高性能雙馬樹脂的最佳工藝條件。 基本思路： 1、二元胺的合成：合成苯環(huán)上具有叔丁基結(jié)構(gòu)單元的二元胺。 2、單體合成：具有叔丁基側(cè)鏈的二元胺與馬來酸酐合成新型雙馬樹脂單體。 3、預(yù)聚及固化：配制新型雙馬樹脂預(yù)聚體，最佳固化工藝下固化成樹脂。 4、表征及性能測試：利用紅外光譜儀、旋轉(zhuǎn)黏度測定儀和綜合熱分析儀等，對樹脂單體、預(yù)聚體黏度及固化工藝進(jìn)行表征和測定。 創(chuàng)新點： 1、首次合成具有叔丁基結(jié)構(gòu)單元的雙馬樹脂單體 通過向二元胺的苯環(huán)上引入叔丁基側(cè)鏈的方法，制備出具有叔丁基結(jié)構(gòu)單元的單體分子，降低分子結(jié)晶性，提高其在普通溶劑中的溶解能力，提高分子鏈支化程度，降低預(yù)聚體黏度，利于RTM工藝成型。 2、首次提出RTM工藝“逐步升壓式”注入法 在利用RTM工藝成型該樹脂時，本科創(chuàng)小組首創(chuàng)性的提出“逐步升壓式”注入法：在樹脂注射初期采用低壓力注射，當(dāng)樹脂完全浸潤時采用高壓力排除模具內(nèi)空氣。利用此法向模具中注入的樹脂體系能夠更好的浸潤增強體，所得制件孔隙率更低，性能更加穩(wěn)定。 技術(shù)關(guān)鍵及技術(shù)指標(biāo)： 合成黏度為0.22～0.30Pa·S的RTM用雙馬樹脂。

科學(xué)性、先進(jìn)性

作品的科學(xué)性、先進(jìn)性： 1、目前，在航空航天領(lǐng)域內(nèi)，利于RTM成型工藝的低黏度高性能雙馬樹脂是迫切需要發(fā)展的先進(jìn)材料。 2、叔丁基的引入，增大了分子鏈的支化程度，降低了預(yù)聚體的黏度，此法在該領(lǐng)域內(nèi)具有首創(chuàng)性。 3、通過改變單體分子結(jié)構(gòu)的對稱性，降低了分子的結(jié)晶性，解決了雙馬樹脂單體長期以來在普通溶劑中溶解性差的難題。 4、創(chuàng)新性提出RTM工藝“逐步升壓式”注入法，以獲得增強體充分浸潤、孔隙率更低的復(fù)合材料。 5、該項目的研究是針對航空航天領(lǐng)域中雙馬樹脂主承力構(gòu)件成型困難和性能不穩(wěn)定而提出的，旨在提高雙馬樹脂的加工性，生產(chǎn)出性能更加穩(wěn)定的航空航天用主承力構(gòu)件，具有巨大的市場價值和重要的戰(zhàn)略意義。 參考文獻(xiàn)： [1]楊金水，肖加余，曾竟成，等.真空導(dǎo)入模塑工藝樹脂流動行為研究進(jìn)展[J].宇航材料工藝，2010，40(1):5-8.

獲獎情況及鑒定結(jié)果

1.作品在第十屆省大學(xué)生“挑戰(zhàn)杯”課外學(xué)術(shù)科技競賽中榮獲特等獎。 2.2011年3月16日至31日在教育部科技查新工作站（L03）科技查新，結(jié)果表明:以“合成具有叔丁基結(jié)構(gòu)單元的雙馬樹脂”為內(nèi)容的研究，國內(nèi)未見相同文獻(xiàn)報道。 3.分別在中文核心期刊《宇航材料工藝》2010年第六期和中文核心期刊《熱固性樹脂》2011年第二期發(fā)表相關(guān)論文一篇。 4.另有兩篇相關(guān)論文分別被《熱固性樹脂》和《當(dāng)代化工》錄用。

作品所處階段

實驗室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

1.低黏度高性能叔丁基改性雙馬樹脂的合成工藝。 2.RTM工藝“逐步升壓式”注入法的加工技術(shù)。

作品可展示的形式

本作品可以樣品、實物產(chǎn)品和實物圖片三種形式展示。

使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測

技術(shù)特點和優(yōu)勢： 1.傳統(tǒng)雙馬樹脂黏度高,不適宜低成本RTM工藝，本小組合成了低黏度高性能改性雙馬樹脂，解決了該難題。 2.RTM“逐步升壓式”注入法明顯提高了樹脂對增強體的浸潤性。 適用范圍及推廣前景：航空航天領(lǐng)域主承力構(gòu)件；國防及民用領(lǐng)域特殊部件。 市場分析和經(jīng)濟效益預(yù)測：國外一直壟斷RTM用雙馬樹脂市場，開發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能RTM用雙馬樹脂，有巨大的市場前景。

同類課題研究水平概述

雙馬樹脂最早由法國羅納-普朗克公司于20世紀(jì)60年代末期研制成功。一經(jīng)面世，該樹脂便憑借耐高溫、耐輻射和耐濕熱等優(yōu)點，在與同類樹脂的競爭中脫穎而出，被應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域中，部分產(chǎn)品已實現(xiàn)商品化。 傳統(tǒng)雙馬樹脂存在單體溶解性差、預(yù)聚體黏度高、韌性差、成型困難和加工成本高等問題，嚴(yán)重制約了其在航空航天等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。因此，合成改性雙馬樹脂以利于RTM成型工藝，已成為當(dāng)務(wù)之急。 國際方面：國外雙馬樹脂改性工作開展較早，但都是針對其韌性不足而進(jìn)行的，對預(yù)聚體黏度和單體溶解性的改性少見報到。文獻(xiàn)報道最多的是通過烯丙型化合物對其進(jìn)行的改性。1984年Ciba-Gaily公司利用此法研制出雙馬樹脂/烯丙型雙酚A樹脂XU-292后，此法受到廣泛關(guān)注。利用二烯丙基雙酚S、烯丙基芳烷基酚樹脂等烯丙型化合物對其進(jìn)行的改性，取得了一定的效果，先后研制出V378-A、F-178等型號產(chǎn)品。熱塑性樹脂改性法、本征增韌法和熱致液晶聚合物法是國際上近幾年新興的增韌改性手段。 國內(nèi)方面：我國針對雙馬樹脂的研究開始于80年代后期，主要針對航空航天領(lǐng)域先進(jìn)雙馬樹脂復(fù)合材料樹脂基體的研究?，F(xiàn)已研發(fā)出QY8911、5405和4501等一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的雙馬樹脂產(chǎn)品，打破了國外對該樹脂的壟斷。近幾年，北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)，中科院長春應(yīng)化所針對該樹脂預(yù)浸料的改性取得了突破性進(jìn)展。目前，國內(nèi)針對預(yù)聚體黏度的改性，大都是通過共聚的方法，所得產(chǎn)品黏度未達(dá)到理想效果。 復(fù)合材料的性能不僅與樹脂基體的特性有關(guān)，還與其成型工藝密不可分。樹脂傳遞模塑成型（RTM）工藝作為發(fā)展比較完善的加工手段，憑借其高效、低成本等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空航天用復(fù)合材料的加工。但該工藝對樹脂體系黏度較為苛刻的要求（0.18～0.30Pa·S），限制了其對雙馬樹脂的加工。 基于目前國內(nèi)外雙馬樹脂改性現(xiàn)狀，本科創(chuàng)小組設(shè)計并合成了叔丁基改性雙馬樹脂。該樹脂單體溶解性強、預(yù)聚體黏度低，能滿足RTM工藝對樹脂體系的要求。同時，本小組又提出RTM工藝“逐步升壓式”注入法，解決了雙馬樹脂體系對增強體浸潤不佳的難題。 綜上所述，本課題的研究處于學(xué)科領(lǐng)域前沿，屬于國內(nèi)領(lǐng)先水平，理論依據(jù)充分，研究設(shè)計方案科學(xué)、合理，具有很強的可行性。
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