氰酸酯樹脂及其復合材料的研究進展

黃偉，耿嘉陽，徐磊，蘇源

（黑龍江省科學院石油化學研究院，哈爾濱150040）

氰酸酯樹脂及其復合材料的研究進展

黃偉，耿嘉陽，徐磊，蘇源

（黑龍江省科學院石油化學研究院，哈爾濱150040）

氰酸酯樹脂作為近年來備受關注的基體樹脂之一，本文介紹了近十年來氰酸酯樹脂及其復合材料的研究進展，主要講述了新型碳纖維及其氰酸酯基復合材料，多面體低聚倍半硅氧烷（POSS）改性氰酸酯基復合材料，納米材料改性氰酸酯基復合材料。

氰酸酯樹脂；改性；復合材料

作為“21世紀最具競爭力的高性能結構與功能材料的樹脂品種”之一，氰酸酯樹脂一直備受人們關注［1］，氰酸酯（Cyanate Ester，簡稱CE）不僅具有優異的耐高溫、耐燒蝕性，而且兼具類似環氧樹脂的力學性能，可以在一定的溫度范圍以及頻率范圍內保持良好的介電性能。CE在一定的加熱催化的條件下可發生自聚反應，生成一種極為特殊的交聯密度較高的三嗪環形化學結構，這種特殊結構決定了其相比于其他聚合物材料具有優異的熱力學穩定性和尺寸穩定性。另外，CE樹脂是一種集環氧樹脂（EP）的良好工藝性和雙馬來酰亞胺（BMI）的耐高溫性于一體的熱固性樹脂。CE在固化過程中能夠生成芳香環和醚鍵等結構，使該樹脂的交聯度大幅度增加，決定了CE樹脂具有優良的力學性能和比較高的模量，成為航天行業中不同于聚酰亞胺（PI）和BMI的又一高性能可以廣泛應用的復合材料基體樹脂［2-3］。

高性能樹脂基復合材料與以往所采用的傳統材料相比，具有比強度、比模量高和可設計性等優良特點，現已在航空航天、船舶運輸、通信系統等領域得到極大的應用。當前，火箭、衛星以及航天大飛機中樹脂基復合材料所占的比例是衡量國家航空航天技術水平的重要標志之一［4-5］。

1　氰酸酯樹脂及其復合材料

樹脂基復合材料（resin matrix composites，簡稱RMC）是當今技術較為成熟且應用廣泛的材料，有較高的比剛度和比強度，良好的工藝設計性，便于減輕航空航天器械的結構質量，已成為宇航材料的發展研究核心，正逐漸代替以往傳統使用的金屬材料以及合金材料［6-7］。而氰酸酯作為一種新型高性能基體樹脂，其復合材料的發展是一個熱點。

1.1新型碳纖維及其氰酸酯基復合材料

碳纖維（carbon fiber，簡稱CF），是一種含碳量在95%以上的新型增強纖維材料。它具有高強度、高模量、耐腐蝕性等優良特性，是目前軍事及民用工業領域的重要材料［8］。碳纖維多被用作增強材料添加進基體樹脂、金屬、混凝土、陶瓷等各種材料中，組合成為新型復合材料。

碳纖維/氰酸酯復合材料是目前廣泛應用在航天器的新型材料。諸靜等［9］研究了碳纖維/氰酸酯復合材料的各項性能，其吸濕性和尺寸穩定性優于環氧樹脂基復合材料。張建可［10］研究了M55J碳纖維/氰酸酯復合材料的相關測試問題，采用空間環境模擬技術，而趙臻璐等人［11］模擬空間環境，研究了在原子氧暴露的情況下，BHM3高模量碳纖維及其氰酸酯基復合材料的微觀形貌、質量損失率以及力學性能的演化規律，進一步為BHM3碳纖維在空間結構上的應用提供實驗依據。

哈爾濱工業大學的潘陽陽［12］采用溶膠-凝膠法，自制出納米石墨烯-TiO2（GE-TiO2），研究在復雜多變的空間環境下，GE-TiO2/CE及其碳纖維增強復合材料的力學性能、熱學性能、尺寸穩定性及抗電子輻照性能等各項性能，發現碳纖維在電子輻照作用下基本無損傷，而基體樹脂則有一定損傷。研究表明：GE-TiO2可有效提高CE的抗輻照性能，GE-TiO2/CE及碳纖維增強復合材料的表面粗糙度可隨著空間輻照的增加而增加，在輻照含量為1.0×1016e/cm2時，其各項性能呈現最佳。

1.2多面體低聚倍半硅氧烷（POSS）改性氰酸酯基復合材料

多面體低聚倍半硅氧烷（Polyhedral Oligomeric Silsesquioxan，簡稱POSS）是一種新型的高度對稱納米級有機-無機摻雜體，因為兼具無機材料和有機聚合物的共同特性，所以綜合性能更為優異。雜化材料POSS所具有的籠型結構的納米級尺寸與樹脂有機高分子聚合物的相似，可以更好地與基體樹脂相互融合，因此，采用POSS改性樹脂基復合材料已成為現階段的研究熱點，POSS所特有的籠型骨架將賦予樹脂基復合材料體系更加優異的綜合性能［13］。

POSS不僅可以改善樹脂體系的力學性能、熱學性能，同時還能增加其抗原子氧的能力。由于在空間環境下，POSS單體的大量硅原子可與原子氧反應生成一層無機二氧化硅薄膜，所以它具有良好的抗原子氧的能力，于鎮海［14］利用該特性，采用POSS來改性氰酸酯（CE）基體樹脂，生成一種性能優異的樹脂體系，該樹脂體系具有優異的力學性能、耐高溫性、尺寸穩定性、介電性能以及抗原子氧能力，同時也制備出POSS/CE基復合材料，經過測試表明，POSS改性后的CE樹脂體系增強了抗空間輻照的能力，以POSS/CE樹脂為基體的復合材料的抗原子氧能力效果明顯，為今后航空航天器結構配件的應用與材質選擇提供實驗和理論相結合的重要依據。

POSS還可作為一種催化劑，催化固化氰酸酯樹脂，制備出碳纖維/氰酸酯復合材料，可在降低固化溫度的同時，保持其增強復合材料的各項優良性能［15］。此外，焦劍等人［16］討論了不同含量的八環氧基籠型倍半硅氧烷（G-POSS）改性氰酸酯基體樹脂，制備出綜合性能優異的G-POSS/CE雜化材料，G-POSS的加入起到增強增韌CE樹脂的效果，同時明顯降低其介電常數。

1.3納米材料改性氰酸酯基復合材料

近年來，隨著納米技術的飛速發展，納米復合材料的制備及其性能研究已成為新一代材料科學領域的熱點問題之一。納米復合材料定義為分散相至少有一維尺寸在1～100nm量級的復合材料［17］，其分散相可為無機化合物，也可為有機化合物。近幾年來，有機/無機納米復合材料已迅速成為新交叉科學，受到科技工作者的高度重視，此類納米材料具有常規聚合物復合材料所不具備的物理力學性能、耐熱性和氣體液體阻隔性能等，因而已逐步顯示出重要的研究意義，已演變成一個深入探究的前沿領域［18-22］。

哈爾濱工業大學的張雪霞［23］針對氰酸酯固化物脆性大的問題，提出采用納米TiO2來增強增韌氰酸酯樹脂，石墨纖維/氰酸酯復合材料力學性能得到改善，其彎曲強度和層間剪切強度都有所提高，同時發現經空間電子輻照測試，納米TiO2改性可減少空間電子輻照對氰酸酯樹脂的降解作用，從而提高石墨纖維/氰酸酯復合材料抗真空電子輻照性能。

陜西科技大學的李春雪［24］采用表面接枝聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的納米氧化釹（Nd2O3）/PMMA/CE的力學性能顯著提高，熱穩定性能得到保持，其耐水性能、耐磨性能和介電性能得到增強。其介電性能的提高，將促進其在隱身材料領域的應用，進一步拓寬CE應用領域。

2　展望

隨著我國航空航天事業的不斷發展，對新材料的要求日益增多，氰酸酯基復合材料作為一種優異的高性能樹脂基復合材料，是當前新材料研究的一個熱點，相信今后很長的一段時間，氰酸酯基復合材料將會有長足的發展。

［1］王結良，梁國正，楊潔穎，等.高頻氰酸酯基覆銅板基板的研制［J］.中國塑料，2004，18（1）：46.

［2］吳雄芳，楊光.環氧樹脂改性氰酸酯樹脂的研究進展［J］.Thermosetting Resin，2007，22（5）：.

［3］劉意，霍文靜，付彤，等.氰酸酯樹脂增韌改性的研究進展及發展方向［J］.玻璃鋼/復合材料，2010，（006）：75-80.

［4］余訓章.高性能樹脂基體在航空航天復合材料上的應用［J］.玻璃鋼/復合材料.2006，7（4）：2616-2621.

［5］W.Hufenbach，M.Andrich，A.Langkamp.Fabrication Technology and Material Characterization of Carbon Fiber［J］.Journal of Materials Processing Technology，2006，175（1）：218-224.

［6］馬宏林.航空航天用樹脂基復合材料［J］.宇航材料工藝，1996，26（2）：36-43.

［7］趙磊，梁國正.氰酸酯樹脂在宇航復合材料中的應用［J］.宇航材料工藝，2000，7（2）：17-21.

［8］Wang Binghao，Jiao Yicheng，Gu Aijuan，et al.Dielectric proper-ties and mechanism of composites by superposing expanded graphite/cyanate ester layer with carbon nanotube/cyanate ester layer［J］.Composites Science&Technology，2014，91（1）：8-15.

［9］諸靜，郝旭峰，葉周軍.碳纖維/氰酸酯復合材料尺寸穩定性能［J］.宇航材料工藝，2013，（04）：52-54.

［10］張建可.M55J碳纖維/氰酸酯復合材料X、Y方向低溫熱導率的測試研究［J］.宇航學報，2011，32（1）：219-223.

［11］趙臻璐，陳維強，張玉生，等.BHM3碳纖維及其氰酸酯基復合材料［J］.宇航學報，2016，37（5）：625-630.

［12］潘陽陽.碳纖維增強石墨烯-TiO2/氰酸酯復合材料及抗電子輻照研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013.

［13］何輝，襲鍇，葛仁杰，等.籠型倍半硅氧烷（POSS）的合成及應用進展［J］.高分子材料科學與工程，2008，24（4）：5-9.

［14］于鎮海.POSS改性氰酸酯基復合材料及其抗原子氧損傷效應研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012.

［15］趙臻璐，鐘成，黎昱，等.POSS催化劑改性氰酸酯復合材料的性能［J］.宇航材料工藝，2014，（04）：44-45，49.

［16］焦劍，汪雷，徐焱，等.氰酸酯/G-POSS雜化材料的制備及性能研究［J］.工程塑料應用，2014，5（42）：7-10.

［17］Kornmann X.，Thomann R.，MulhauptR.，etal.High performanceepoxy-layered silicate nanocomposites［J］.Polymer Engineering and Science，2002，42（9）：1815-1826.

［18］Judeinstein P，Sanchez C.Hybrid organic-inorganic materials:a land of multidisciplinarity［J］.Mater.Chem，1996，6（2）：511-513.

［19］Gabrielson L，Edirisinghe M J.On the dispersion of fine ceramic powders in polymers［J］.Mater.Sci.Lett，1996，15（13）：1105-1107.

［20］邢雅清，郭揚.復合材料用氰酸酯樹脂基體的性能與應用［J］.纖維復合材料，1996，24（3）：6-10.

［21］劉華蓉，葛學武，倪永紅，等.有機/無機納米復合材料的研究進展［J］.化學進展，2001，13（5）：403-409.

［22］Chan CK，Peng SL，Chu IM，Ni SC.Effectsofheat treatmenton the properties of poly（methylmethacrylate）/silica hybrid materials prepared by sol-gel process［J］.Polymer，2001，42（16）：4189-4196.

［23］張雪霞.納米TiO2改性氰酸酯復合材料及其抗真空電子輻照研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010.

［24］李春雪.納米氧化釹多步接枝聚甲基丙烯酸甲酯改性氰酸酯樹脂的制備及性能研究［D］.西安：陜西科技大學，2015.

Research introduction on curing reaction of cyanate ester resin

HUANG Wei，GENG Jia-yang，XU Lei，SU Yuan
（Institute of Petrochemistry，Heilongjiang Academy of Science，Harbin 150040，China）

Asoneof thematrix resins，cyanateester resin hasattractedmuch attention in recentyears，thispaper introduces the research progressof cyanateester resin and its composites in recent ten years，mainly about thenew carbon fiberand its composites based on cyanate ester，polyhedral oligomeric silsesquioxane（POSS）modified cyanate ester composites and composites materials modified cyanate ester composites.

Cyanate ester resin；Modified；Composite materials

TQ320

A

1674-8646（2016）18-0006-03

2016-08-06

黑龍江省科學院青年創新基金資助項目（2015-YQ-04）

黃偉（1987-），女，黑龍江哈爾濱人，初級研實員，碩士研究生，主要從事化學產品的分析工作。