聚酰亚胺材料及其在航空航天中的应用

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1、聚酰亚胺材料及其在航空航天中的应用吴建华（上海市合成树脂研究所，上海，200235）　　摘要：介绍了三种使用不同封端基的聚酰亚胺复合材料，即马来酸酐MA(Malecanhydride)封端的BMI(Bismaleimide)型聚酰亚胺、纳迪克酸酐NA(Nadicanhydride)封端的PMR(insuitpolymerizationofmonomericreactants)型聚酰亚胺以及苯乙炔苯酐PEPA(phenylethynylphthelicanhydride)封端的PETI（phenylethynyl-terminatedimid

2、e）型聚酰亚胺、Tri-A(asymmetricaromaticamorphous)型聚酰亚胺，并简单介绍了这些聚酰亚胺复合材料在航空航天中的应用。一、前言聚酰亚胺是指一类主链上含有酰亚胺环的聚合物，发明于1908年。起始发展于二十世纪四五十年代。六十年代，DuPont公司开发出高性能的聚酰亚胺薄膜产品Kapton®、塑料产品Vespel®和绝缘漆产品Pyre-ML®，Rhone-Poulene公司开发出双马来酰亚胺产品Kerimid®；七十年代，GE公司开发出热塑性的聚醚酰亚胺产品Ultem®，Amoco公司开发出聚酰胺亚胺产品Torlo

3、n®，NASNlewis现为Glenn，开发出Nadic封端的聚酰亚胺产品PMR－15；八十年代，UBEIudustries,Ltd开发出聚酰亚胺产品Upilex®；九十年代，NASN　Langley开发出PEPA封端的PETI－5。进入二十一世纪，日本宇航所又开发出PEPA封端，集耐热性、加工性和韧性为一体的Tri-A聚酰亚胺。　　聚酰亚胺致所以受到重视，是和这类材料所具有的优秀的综合性能分不开的，其主要的特点有：机械性能优良、介电性能优良、耐高低温、耐磨耗、耐蠕变、耐辐射、耐燃烧、低放气。由于该类材料具有合成途径多、应用范围广等特点，使

4、其在技术和商业上的发展和应用持续上升，被誉为是解决问题的能手（problem-solver），特别是在先进复合材料领域，由于它的热分解温度一般都在500℃以上，是耐温最佳的高性能聚合物结构材料之一，广泛应用于航天、航空器及火箭零件。图1、图2是不同种类耐高温聚合物的热失重（TGA）和等温热失重（ITGA）曲线。从世界范围来说，2000年统计的高性能耐高温聚合物的销售量情况表明，排除聚醚酰亚胺PEI后，2%销售量的聚酰亚胺PI所占的销售额达到24%（见图3）。所以，聚酰亚胺被认为是二十世纪中期高分子科学的又一个里程碑式的成就。它将高分子材料的

5、使用温度提高100℃以上。在已经研究的几十种芳杂环聚合物中目前只有6种（PI、PES、PEK、PPS、LCP、Aramid）真正实现了产业化。在聚苯硫醚、聚醚砜类、聚醚酮类及聚酰亚胺4类材料中聚酰亚胺无论在性能和应用领域上都占压倒优势。其专利分布情况也很好地说明了这一点（见图4）。图32000年高性能耐高温聚合物的销售量/销售额图4国外专利分配情况从结构上来说，聚酰亚胺主要分为体型的热固性聚酰亚胺和线型的热塑性聚酰亚胺。由于以热固性聚酰亚胺树脂为基体的先进聚合物基复合材料（AdvancedPolymericCompositeMaterial

6、）可在高温环境中作为承力构件使用，满足航空航天的需求。所以本综述主要讨论以马来酸酐、纳迪克酸酐和苯乙炔苯酐三种封端的聚酰亚胺复合材料。三种封端基的结构如下：MANAPEPA二、马来酸酐MA封端的BMI（Bismaleimide）型聚酰亚胺BMI的合成路线如下：BMI是聚酰亚胺的一种重要分支，其主要特点是可以在相似环氧树脂条件下加工成型，固化时无低分子物放出，适合于厚结构件和大型结构件的成型。固化物有良好的热稳定性、阻燃性、低介电常数和低介质损耗。其主要不足是树脂性脆，属模量高、强度低的一类材料，断裂伸长率非常低。所以实际使用的BMI都是经过

7、改性的。改性后的BMI协调了材料的耐热性、韧性、机械性能和成型工艺性能。由于其积累了大量的设计参数，成为目前深受航空航天界关注的用做先进复合材料的基体树脂。它所具有的耐热性正好能抵抗先进超音速军机的热障，具有的相当好的韧性、良好的抗冲击损伤和高损伤容限的特点，也是超音速军机所要求的。最重要的是它具有的与环氧树脂成型相似的工艺特性，固化所需要的温度和压力在常规设备中可以实现。表1、几种主要的BMI产品（Gic：断裂能，J/m2）商品名制造公司纯树脂主要性能特点使用温度应用领域5250CytecFiberite原NarmcoTg：295℃/Gi

8、c：196177/205℃F-225260同上Tg：274℃/Gic：635177/232℃超音速运输机5270同上Tg：287℃232/260℃发动机QY8911航空625所G