應用化學論文：環氧樹脂復合材料研究進展目錄TOC\o"1-2"\h\u29904環氧樹脂復合材料研究進展 1227311.引言 1215382.環氧樹脂復合材料的概述 14412.1環氧樹脂復合材料的種類 266072.2環氧樹脂復合材料的材料組成 2122672.3環氧樹脂復合材料的性能及特點 2203993.環氧樹脂復合材料的日常應用 347473.1環氧樹脂復合材料在導熱領域的應用研究 3189873.2在阻燃領域中環氧樹脂復合材料的應用研究 4119413.3環氧樹脂復合材料在耐熱領域的應用研究 5315773.4環氧樹脂復合材料在其他領域的應用研究 546724.環氧樹脂復合材料的發展趨勢 7215525.展望 716738參考文獻 7摘要：在樹脂材料中，環氧樹脂材料是一種非常出色的樹脂材料。它具有非常良好的動力學性能和電學性能，同時在熱學性能和防腐性能上也十分優良。環氧樹脂具有制備方便并且價格低廉的特點，在電子電器、土木工程和汽車機械等領域可以廣泛的應用。但是由于環氧樹脂的缺點確實也有很多，例如：在高溫下容易使得固化后的分子交聯氧化程度比較高，從而直接造成了環氧樹脂在高溫環境下的脆性比較大，使得耐沖性能比較低，同時環氧樹脂的導電導熱性能差。這些缺點都大大限制了環氧樹脂的廣泛應用。近年來，環氧樹脂復合材料的改性技術發展迅猛，生產技術日漸成熟，使得環氧樹脂復合材料在各大領域得到了很好的應用，并且由于環氧樹脂本身的優異性能，具有廣闊的發展前景。筆者通過查閱大量的資料和文獻及網上收集的資料整理出環氧樹脂的發展歷程，近年來環氧樹脂在各個領域取得的進步以及環氧樹脂復合材料的發展趨勢和發展前景。關鍵詞：環氧樹脂；復合材料；發展趨勢；應用引言隨著這幾年來經濟的飛速發展，環氧樹脂復合材料已成為生活生產中不可或缺的重要的結構材料。因其產品本身具有質量輕,強度高,模量大,耐腐蝕性好,電動機穩定性差,原件資源廣泛,生產過程中所需要使用的原件的數量多，獲得方式較多等特點,在我們國防建設、國民經濟和工業信息化的發展中已經逐漸成為不可能被替換掉的重要原材料，所以該材料在環氧樹脂復合材料中得到了廣泛應用。目前環氧樹脂復合材料的改性和應用等問題備受關注，筆者對于環氧樹脂復合材料的性質，發展以及在國民經濟中的應用進行了探究。環氧樹脂復合材料的概述環氧樹脂復合材料是一種新型化學材料，泛指由以環氧樹脂為基體材料與具有我們所需要的優異性能的增強材料進行復合而成的一種多相體系固體材料。2.1環氧樹脂復合材料的種類環氧樹脂復合材料（Erc），可以大家被簡稱為環氧復合材料，同時也可被人們稱為環氧增強塑料，它的品類非常的龐大。目前為止，大家對于環氧樹脂復合材料還沒有統一的名稱和含義，也沒有統一而且具體的分類方法。但是一般情況下會按照用途進行分類，可大概劃定為三種，分別采用的是環氧結構復合材料、環氧功能復合材料和環氧功能型結構復合材料；按成型的壓力大小又可對環氧樹脂復合材料進行細，分別為環氧高壓成型復合材料和環氧低壓成型復合材料；如果對其進行細分的話，可以按照環氧復合材料的各種成型工藝方法及其性能，以及產品在各種應用場景中所表現出來的特點，還要充分地考慮到我們實踐中所習慣的名稱，綜合地考慮一下，我們大致可以將環氧樹脂復合材料劃分為：環氧樹脂結構復合材料、環氧樹脂層壓塑料、環氧樹脂玻璃鋼（有時候也可以被我們簡單地稱為通用型環氧樹脂復合材料）、環氧樹脂工程塑料。2.2環氧樹脂復合材料的材料組成環氧樹脂復合材料的結構一般是由環氧樹脂基體、增強材料以及在制備過程中它們兩者之間所形成的界面層來組成的。環氧樹脂基體（Erm）是環氧樹脂溶液在空氣中經過一段時間凝固后的固化物，不同種類的環氧樹脂基體中的環氧樹脂膠液需要使用不同的工藝要求來進行配置；增強材料的形式多樣，但一般主要采用纖維和纖維織物，偶爾也會運用到微粒狀或粉狀材料，因為環氧樹脂復合材料的增強效果通常都是隨著增強材料粒徑比的增大而增強的，一般情況下，在高性能的環氧樹脂復合材料中，通常使用的都是碳纖維和高強玻璃纖維或者是芳綸纖維的混雜纖維，只有這樣，才能滿足各個領域對于環氧樹脂復合材料的苛刻要求；界面層指環氧樹脂基體與增強材料制備復合的過程中，在環氧樹脂基體和增強材料兩者之間形成的一種結構，界面層的性能水平高低將直接影響環氧樹脂基體和增強材料的潛力能否得到充分發揮，這也就說明了界面層在影響環氧樹脂復合材料的性能方面起了重要作用。另外，性能優良且高品質的界面層能夠保證環氧樹脂基體和增強材料能充分地發揮它們的潛在能力和它們之間的復合效應，這有利于提高環氧樹脂復合材料的綜合利用率。2.3環氧樹脂復合材料的性能及特點環氧樹脂復合材料充分地利用和挖掘了各個組分材料的優勢和潛在能力，通過這些組分之間的協同作用和復合效應，呈現出原來單一材料所不可能具備的新的化學性能、物理性能等，從而實現了各個不同領域對材料某些特殊性能的綜合性要求。一是環氧樹脂復合材料具有高比模量、高比強度、密度小的性能特點，比模量相對較高的碳纖維環氧復合材料的比強度一般是鋼的5倍、鋁合金的4倍、鉆合金的3.2倍，因而可以得知，環氧樹脂復合材料和各種金屬材料在強度和剛度相同的情況下，使用碳纖維環氧樹脂復合材料作為構件可以大大減輕整體的重量。這在有效地利用節約能源、增加了構件的綜合利用率和防腐性能上，是目前世界上現有的任何一種金屬材料都完全無法與之相比較的。二者，環氧樹脂復合材料的破損安全特性比較好，耐疲勞強度較高，環氧樹脂復合材料在一些特殊條件下可能會直接出現局部或者嚴重損傷的現象，例如在疲勞載荷或靜載荷作用下，環氧樹脂復合材料首先會在最薄弱的部位或者地方直接發生界面上的脫膠、橫向裂紋、纖維斷裂、分層等局部損傷的情況，但是此時整個構件可能還可以繼續接受這種局部損傷的情況，并且此時整個構件并不會因為出現損傷現象而立即導致構件整體發生斷裂，這主要原因是由于此時許多的增強材料纖維和界面會阻礙或者延緩整體裂紋的拓展，并且環氧樹脂復合材料會通過環氧樹脂基體迅速地把載荷重新分配并經由界面傳遞到末端纖維上，讓整個構件能夠保持運作直到疲勞壽命達到大約90%才會迅速斷裂。這點相對于金屬材料而言，環氧樹脂復合材料會有明顯的預兆后，材料才會整體斷裂，所以環氧樹脂復合材料比金屬材料的抗震、抗風險和安全性更好，因為金屬一般都會在疲勞載荷下自動發生沒有明確預兆的突發性破壞。三是環氧樹脂復合材料的減振的性能良好，由于環氧樹脂復合材料是一種具有高比模量的材料，所以它同時也具有高自振頻率。因此，環氧樹脂復合材料既不易導致工作時發生共振現象，又不會出現易于發生共振而產生的早期損壞現象。環氧樹脂復合材料還具有良好的耐腐蝕性能、介電性能、透電磁波性能、綜合性能好的特點以及各向異性及材料的可設計性能等優異性能。環氧樹脂復合材料的可設計性能有助于根據工程結構的載荷分布和使用的條件來設計環氧復合材料的配方、鋪層。從而能夠使各個組分的作用和潛在性能合理地、有效地發揮。雖然環氧樹脂復合材料的性能優點較多，但其主要缺點是性能分散度比較大、耐潮濕、耐高溫差、抗老化和防腐性能比較弱、橫向性和層間剪切強度低。3.環氧樹脂復合材料的日常應用由于環氧樹脂本身具有良好的機械性能、電絕緣性能、物理性能、以及它在使用過程中制造出來的靈活性等諸多特點，所以目前如何將增強材料進行改性以此獲得性能符合我們需要的高性能填充材料和將性能優越的增強材料與環氧樹脂結合獲得良好的導熱型環氧樹脂復合材料、隔音型環氧樹脂復合材料、阻燃型環氧樹脂復合材料仍是一個問題。下面將對目前已有改性環氧樹脂復合材料進行歸納總結。3.1環氧樹脂復合材料在導熱領域的應用研究薛陽［1］在進行研究時發現以球形的氧化鋁作為復合材料的填料可以有效地提高環氧樹脂復合材料的導熱性能，這主要是由于球形氧化鋁（I-Al2O3）不規則的形貌結構比普通的氧化鋁表面更為粗糙，使得球形氧化鋁（I-Al2O3）填料之間的接觸有了更多的可能性，更加地有利于球形氧化鋁填料和環氧樹脂基體之間形成穩定的導熱網絡，所以環氧樹脂/球形氧化鋁（I-Al2O3）復合材料的導熱率最高可達1.65W/(m·K)，比其他相同填充量的環氧樹脂復合材料要高，相比于純環氧樹脂提高了650%。對于環氧樹脂/I-Al2O3復合材料本身而言，單只使用單一的大粒徑球形氧化鋁（I-Al2O3）填充的復合材料，其導熱率約為1.50W/(m·K)；隨著小粒徑的球形氧化鋁（I-Al2O3）的比例的提高，填料與環氧樹脂基體的界面面積增大而導致的界面熱阻相應增大，從而導致復合材料的導熱性能下降；當填充材料全部為小粒徑球形氧化鋁（I-Al2O3）時，環氧樹脂復合材料的導熱率下降至最低，所以使用適當的粒徑比的球形氧化鋁作為填料，才能有效地提高環氧復合材料的導熱性，過多或過少小粒徑的氧化鋁都將對提高環氧樹脂復合材料的導熱性有負面影響。張永平［2］在研究時選擇了具有高導熱、高電阻率、電絕緣性優異的六方氮化硼(h-BN)陶瓷粉末作為增強填料，593固化劑來作為環氧樹脂的固化劑，用硅烷偶聯劑[Y-R-Si(OR)3]作為表面活性劑對h-BN進行了功能化處理，以此制備EP/h-BN-KH550復合材料。改性后的EP/h-BN-KH550復合材料的導熱率隨著h-BN填料的含量的增加而增加；在h-BN的添加量在20%之前，其導熱率的增加幅度基本不變，在添加量超過20%以后，導熱率的增加幅度明顯增大。由于h-BN與環氧樹脂之間存在界面熱阻，從而導致導熱性能的下降，但經過偶聯劑KH550處理之后的h-BN就可以與環氧樹脂很好的結合，減少它們之間的界面熱阻，從而提升復合材料的導熱性能。當h-BN-KH550的添加量為40wt%時，其導熱率為1.18W/(m·K)，是純環氧樹脂的5.4倍。王赫兵［3］通過研究發現，BN粒徑尺寸對復合材料的導熱率有較大影響。總體來說，材料的導熱率隨著BN體積含量的增加而提高，其原因是由于填料尺寸的增加，增大了BN與樹脂基體接觸的可能性，有利于基體內導熱網絡的建立。馬萬里［4］利用不同粒徑的氧化鋁并且使用了硅烷偶聯KH560對氧化鋁的表面進行改性處理后的氧化鋁混合作為填料來制備環氧樹脂復合材料，以此來深入研究復合材料的導熱率受不同填料粒徑和粒徑組合而產生的影響。研究結果顯示：在填料含量相同的情況下，粒徑大的填料比粒徑小的填料更加有利于大幅度地提高復合材料的導熱，這是由于粒徑越小的填料，其表面溫度可以變得更高，因此它的表面能也越大，從而導致填料在環氧樹脂基中分布不均勻從而容易發生團聚現象，使得顆粒間有了空氣的存在，降低了復合材料的導熱率；此外，采用粒徑大小不同的氧化鋁按一定的比例混合作為填料制備的復合材料能提高復合材料的導熱率，這是因為不同粒徑的填料的填充增多了粒子間的接觸點，使得填料粒子的堆積密度更大，更有利于提高復合材料的導熱率。3.2在阻燃領域中環氧樹脂復合材料的應用研究趙微［5］以環氧樹脂作為基體，多壁碳納米管（MWCNTs）作為添加劑，采用了一種通過超聲分散與溶液共混的方式制備出了碳納米管/環氧樹脂復合材料來研究碳納米管功能化、質量分數及分散劑含量對碳納米管/環氧樹脂復合材料阻燃特性的影響時發現：（1）羧基功能化的碳納米管對環氧樹脂復合材料的阻燃性能有較好的改善，當羧基含量為1%時，此時環氧樹脂復合材料的阻燃性能達到最佳。（2）用極限氧指數的方法測試得出當羧基化多壁碳納米管(MWCNTs-COOH）的質量分數為2%時，環氧樹脂復合材料會具有最好的阻燃性能；在使用水平燃燒的方法測得當碳納米管的質量分數為1.5%時，環氧樹脂復合材料會具有最好的阻燃性能。（3）用（2）中的兩種方法測試環氧樹脂復合材料的阻燃性能的結果表明，當環氧樹脂復合材料具有最好的阻燃性能時，此時的碳納米管的分散劑質量分數為6%。彭俊林［6］在進行研究時發現聚磷酸銨（APP）和可膨脹石墨對于聚酞胺固化環氧樹脂體系來說，它能夠對其產生良好的阻燃協同效果，并且能夠在改善固化體系的阻燃性能的基礎上，不影響環氧樹脂的其他機械上的加工性能。彭俊林通過垂直燃燒的實驗測試得出APP的加入，可以有效地防止炭層膨脹而導致其脫落的現象，對炭層的粘結起了至關重要的作用；利用熱重分析的方法證明了APP的加入可以延緩環氧樹脂的熱分解，可以有效地降低環氧樹脂復合材料的分解速度；通過掃描電鏡的方法，可以更加直觀地看到，EG/APP復配體系所需要形成的炭層本身就具有厚實、孔隙少、連接更為緊密的特點，這使得復配體系具有更好的隔熱、隔氧作用，因此可以提高體系的阻燃性能。3.3環氧樹脂復合材料在耐熱領域的應用研究代振東［7］在進行聚多巴胺（PDA）納米復合材料的性能時發現，PDA含量低的環氧/PDA納米復合材料具有較好的熱穩定性，可以將其制作成耐高溫的復合材料，這類PDA復合材料比其他復合材料具有更好的熱穩定性的原因是PDA填料和環氧樹脂基體內部發生了一系列的交聯聚合反應，從而引起了復合材料形成了緊湊的微觀結構及其環氧鏈在熱運動的過程中受阻，需要克服它們之間的相互作用就必須消耗能量，從而提高了環氧/PDA復合材料的熱穩定性，這表明了環氧/PDA復合材料在高溫領域有很好的應用前景。馬春柳［8］將納米石墨烯（GE）用硅烷偶聯劑KH-5700對其表面結構進行了修飾后，將其與環氧樹脂制備形成復合材料，對這種復合材料所具有的熱穩定性能進行詳細的探究。結果顯示：與純的環氧樹脂（EP）相比較，由于KH-GE的有機官能團與EP基體的相容性很好，提高了KH-GE納米復合材料系統中所需的熱分解過程中所必須消耗的能量，從而大大地提高了體系的熱穩定性。3.4環氧樹脂復合材料在其他領域的應用研究施雪軍［9］利用具有低密度、高強度、隔音等良好特性的空心玻璃微珠（HGB）作為填料，以環氧樹脂作為基體，并在其中使用了液態端羧基丁腈橡膠（CTBN）作為整個體系的增稠劑和增韌劑，制備EP/CTBN/HGB復合材料，研究HGB和CTBN添加含量的改變對這種復合材料的吸聲、隔音性能所會產生的影響。結果表明，EP/CTBN/HGB復合材料相對于EP/CTBN復合材料和純EP的隔音性能，CTBN的加入可以有效地改善復合材料的隔音性能，這是由于CTBN的加入可以降低了環氧樹脂基體的模量，并且增大了EP分子鏈段的運動能力，有效地提升了環氧樹脂基體吸收振動能量的能力，從而極大地提升了復合材料的隔音性能；另外，在相同厚度的情況下，EP/CTBN/HGB復合材料的隔音性能更好，這是由于材料中有大量的空腔，可以有效地對聲波進行折射、散射、衍射和反射，這降低了透過復合材料的聲波強度，從而提高了復合材料的隔音性能。此外，CTBN和HGB均能提高環氧樹脂復合材料的隔音性能。結果顯示，當添加30vol%的HGB時，EP/CTBN/HGB復合材料的STL平均值與純EP較之提高了將近3倍的隔音效果。孫傳明［10］利用了空心玻璃微珠（HGM）作為制備空心玻璃微珠/環氧樹脂復合材料的填料，研究不同含量的HGM對環氧樹脂復合材料力學性能的影響。研究顯示，環氧樹脂復合材料的力學性能會隨著空心玻璃微珠的含量的增加而下降，這是由于當增加HGM的含量時，基體的連續性會出現明顯下降的情況，這就導致了環氧樹脂基體的連接相傳遞力下降的情況，從而破壞了空心玻璃微珠/環氧樹脂復合材料的整體性，因此也降低了環氧樹脂復合材料的力學性能。孫長智［11］在研究改性后的氧化石墨/環氧樹脂復合材料的力學性能時，使用了硅烷偶聯劑KH-550和有機硅AEM5700對氧化石墨/環氧樹脂復合材料進行改性，并對改性前后的力學性能進行了探究。結果表明，用AEM5700改性后的石墨/環氧樹脂復合材料的拉伸模量遠高于未改性前的復合材料和用硅烷偶聯劑改性后的復合材料的；在對復合材料的彎曲性能進行測試時發現，硅烷偶聯劑和AEM5700的加入并沒有使得復合材料的彎曲性能有所提高；這可能與反應后得到的材料的內部結構有關；AEM5700改性后的復合材料對提高材料的剪切性能有負面效應；綜合來說，以上測試表明硅烷偶聯劑改性后的復合材料的力學性能要比有機硅AEM5700改性后的石墨/環氧樹脂復合材料高。韓春華［12］通過研究發現，與超聲分散法制備出來的復合比較相比，用乳化分散法制備出來的石墨烯/環氧樹脂復合材料的固化性能更好，這是由于乳化分散法可以很好地將石墨烯均勻地分散到環氧樹脂中；在添加石墨烯的含量后，石墨烯/環氧樹脂復合材料的力學性能會先增加然后再降低，適量的石墨烯會提高復合材料的力學性能，是因為在環氧樹脂和增強材料石墨烯之間還存在著界面作用，而后復合材料力學性能的下降是由于當石墨烯的含量達到一定的值后，這時繼續添加石墨烯的含量，會使得石墨烯在環氧樹脂中分布變得不均勻，此時過多的不能分散在環氧樹脂中的石墨烯會在復合材料的制備中發生團聚現象，團聚體會使得環氧樹脂復合材料產生應力集中點，從而導致石墨烯/環氧樹脂復合材料的力學性能下降。4.環氧樹脂復合材料的發展趨勢目前環氧樹脂復合材料的發展已經進入了相對成熟的階段，其新的發展趨勢在于生產向著“高純化、精細化、規模化、專業化、系列化以及功能化”方向發展。國內環氧樹脂復合材料的主要應用領域仍然是涂料、電子電氣和膠黏劑行業。并且隨著近年來大數據、互聯網、人工智能、5G等新一代的信息技術的快速發展，環氧樹脂復合材料作為電子工業的基礎材料，其需求量和增長率將會呈現逐年增長的趨勢。我國對于環氧樹脂復合材料的要求趨向于開發高性能的環氧樹脂復合材料產品和相關的加大固化劑的開發力度。而國外環氧樹脂復合材料在涂料領域的發展趨勢傾向于向高固含量、無溶劑化和水溶性方向發展。根據GrandViewResearch公司的最新市場報告顯示，2027年全球環氧樹脂復合材料市場規模預計將達到429.2億美元。這也就表明了環氧樹脂復合材料在未來幾年的發展趨勢是航空航天、國防、汽車、交通領域和風能等行業對于環氧樹脂復合材料的需求是在不斷增長的，而這些形式都將有利于推動環氧樹脂復合材料市場不斷地進行增長