樹脂基復合材料具有高比強度比模量、可設計性強、疲勞性能好、耐腐蝕、復合效應、多功能兼容、可整體成型等特點，在航空航天領域應用日益廣泛，是最重要的航空航天結構材料之一。但是，在公眾的意識中，通常認為樹脂基復合材料的耐熱性能不及鋼、鋁、鈦等金屬材料。事實上，航空航天樹脂基復合材料包括了酚醛樹脂、環氧樹脂、氰酸酯樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂和聚酰亞胺樹脂等多種類型的復合材料，它們各具特色。在樹脂基復合材料的大家族中，聚酰亞胺樹脂基復合材料因其優異的耐熱性能而登上耐高溫有機材料排行榜的前列，其長期耐熱溫度通常達到300℃以上，超過了鋁合金的耐熱水平。正是由于聚酰亞胺樹脂基復合材料優異的耐熱性能，在航空發動機冷端部件、飛機高溫區機體結構、高超音速飛行器及導彈主承力結構以及高速航天飛行器中得到廣泛應用。
 

樹脂基復合材料應用于飛機
 

    國外聚酰亞胺樹脂基復合材料經過近40年的發展，使用溫度等級不斷提升，已經由第一代的耐280℃提升到第三代的耐430℃聚酰亞胺，并突破了耐溫高達430℃以上的第四代聚酰亞胺復合材料關鍵技術。

    最早的聚酰亞胺樹脂基復合材料是源于20世紀70年代的PMR型聚酰亞胺復合材料，NASA研制的PMR-15是PMR型聚酰亞胺樹脂中最成功的產品，是第一代聚酰亞胺樹脂復合材料中的佼佼者，在航空航天裝備中得到廣泛應用。在PMR-15聚酰亞胺復合材料的技術基礎上，各國研究人員研發了比PMR-15耐溫更高的第二代（PMR-Ⅱ、AFR-700、RP-46等）和第三代（DMBZ-15等）降冰片烯封端聚酰亞胺復合材料。

    盡管降冰片烯封端的PMR型聚酰亞胺復合材料獲得廣泛應用，但仍然存在諸多問題，如成型壓力大、內部質量可控性差、熱氧化穩定性不足等，影響了聚酰亞胺復合材料在高溫環境下的使用壽命和長期使用的可靠性，導致此類聚酰亞胺復合材料綜合制造成本居高不下。針對這些問題，20世紀90年代，開發了以苯乙炔基封端的以AFRPE-4為代表的PETI型聚酰亞胺復合材料體系，使聚酰亞胺復合材料的工藝性及熱氧化穩定性顯著改善，可以說這在聚酰亞胺復合材料的發展史上邁出了重要的一步。

    根據PEPA封端聚酰亞胺的性能特點，NASA通過對分子結構的調整，開發了一系列的適用于液態成型工藝的聚酰亞胺樹脂PETI-298、PETI-330、PETI-375等。目前，國外液態成型聚酰亞胺樹脂及工藝技術成熟，主要產品為PETI-330或與之結構相似的聚酰亞胺復合材料。

    近年來，美國成功研制了第四代有機無機雜化聚酰亞胺復合材料樹脂基體，其玻璃化溫度高達489℃（tanδ），可在450℃下長期使用，使聚酰亞胺復合材料耐溫能力逼近了鈦合金。

    國內在耐高溫聚酰亞胺樹脂及其復合材料研究起步于20世紀90年代初，主要研究單位包括中航工業復材、中國科學院化學研究所、中國科學院長春應用化學研究所等。目前，中航工業復材已形成了三個代次耐溫等級、涵蓋熱壓和液態成型工藝的聚酰亞胺樹脂及其復合材料，第一代降冰片烯聚酰亞胺復合材料實現了批應用，第二代聚酰亞胺實現了工藝驗證，第三代聚酰亞胺復合材料關鍵技術已經突破，正在開展第四代聚酰亞胺復合材料的關鍵技術攻關。

    以降冰片烯封端的PMR型BMP316聚酰亞胺復合材料在航空發動機外涵機匣實現了批量應用，是國內用量最大、技術最成熟的第一代聚酰亞胺復合材料，形成了成套的聚酰亞胺復合材料制造與應用技術體系；LP-15是國內最早開發的非MDA型的PMR型聚酰亞胺樹脂，其復合材料分流環通過裝機考核，實現減重40%以上。第二、三代熱壓成型降冰片烯封端封端聚酰亞胺復合材料的材料關鍵技術已經獲得突破，并實現了地面考核驗證。

    針對降冰片烯封端聚酰亞胺復合材料存在問題，中航工業復材密切跟蹤國外聚酰亞胺復合材料發展趨勢，突破了系列PEPA封端聚酰亞胺樹脂基體合成及其復合材料制備關鍵技術，尤其是創造性地突破了聚酰亞胺預浸料的連續熱熔制備關鍵技術，國內外首次實現了熱熔聚酰亞胺預浸料的連續批量穩定制備與生產，并為聚酰亞胺復合材料結構的自動化制造奠定了材料基礎。

    為了降低聚酰亞胺復合材料綜合制造成本，在PEPA封端聚酰亞胺樹脂技術基礎上，中航工業復材研制了液態成型HT-350RTM聚酰亞胺復合材料，突破了樹脂及高溫定型劑合成、預定型織物連續批量制備和高溫RTM聚酰亞胺復合材料成型工藝等全套關鍵技術。與美國NASA研制的RTM聚酰亞胺樹脂PETI-330相比，HT-350RTM具有更寬的成型溫度范圍和更低的樹脂黏度，更優異的工藝性能和耐熱性能。HT-350RTM聚酰亞胺復合材料在高溫天線罩、導彈復合材料連接環、中介機匣外環（縮比）異形復雜結構中均得到了驗證。

    聚酰亞胺樹脂基復合材料雖已形成了獨特的技術體系，但是其耐溫能力尚不能滿足裝備發展的新需求，因此研究更高耐溫的聚酰亞胺復合材料是未來發展的重要方向之一，但是長期耐溫430℃已經接近單純有機高分子材料的耐溫極限，為了提高聚酰亞胺復合材料的耐溫能力至450℃以上，必須采用有機無機雜化的聚酰亞胺分子結構，提高聚酰亞胺的耐熱性和高溫熱氧化穩定性，最終實現樹脂基復合材料耐熱500℃以上，以期達到鈦合金的耐熱水平。聚酰亞胺復合材料的應用范圍越來越廣泛，其抗沖擊損傷能力不足的問題也日益突出，因此在提高其高耐溫性的同時，高韌性聚酰亞胺復合材料研究也是重要方向之一。在工藝技術方面，聚酰亞胺復合材料的制造仍以非自動化工藝為主，產品可靠性不高，制造成本居高不下。因此，實現自動化制造和液態成型等低成本制造也是高溫聚酰亞胺復合材料的重要發展趨勢。

    中航工業復材正以優勢技術力量，以多年的雄厚技術積淀為基礎，瞄準聚酰亞胺復合材料前沿技術方向，系統開展聚酰亞胺復合材料的基礎、應用基礎及應用研究，驅動高溫聚酰亞胺復合材料跨越發展，不斷挑戰樹脂基復合材料的耐熱極限。

責任編輯：李玲珊

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