关于高温复合材料树脂的应用及发展，你了解多少？
耐高温树脂在复合材料领域的应用有其特色与优势，该行业正进一步拓展对复材的适用性。
主要的耐高温树脂有双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺（PI）、氰酸酯树脂、耐高温环氧树脂、酚醛树脂及高温热塑性树脂聚醚醚酮（PEEK）、聚苯硫醚（PPS）、聚苯砜(PPSU)、聚醚砜（PES）、聚醚酰亚胺(PEI)。2018年高温复材树脂市场突破1.1亿美元，预计将持续增长，在2023年每年将会有超过1.65亿美元的收入，约7.0%的强劲成长率。
聚酰亚胺与双马来酰亚胺的使用率最高
在复合材料高温树脂行业中，以聚酰亚胺与双马来酰亚胺树脂使用率最高，合占全球市场60%以上的份额。聚酰亚胺占主导地位。聚酰亚胺复合材料制品可承受高达315 °C的连续使用温度及高达480 °C的间歇使用温度，并在高温下表现出极高的尺寸稳定性，主要用于高温应用中。聚酰亚胺复合材料部件具有耐久性，有助于降低维护/更换成本。发动机导管是聚酰亚胺树脂的关键应用。例如在波音F/A-18超级大黄蜂上的F414发动机的外部旁通管是由Composite Horizons公司使用碳纤/聚酰亚胺复合材料制造的。
双马树脂材料具有耐高温、耐湿热、吸湿率低、模量高、热膨胀系数小等优点，由于其同时具有环氧树脂良好的工艺操作性及聚酰亚胺树脂的耐热性，在工业领域特别是航空航天领域广泛应用，如用于军用飞机与商用飞机的引擎、机身、机舱、直通反向器与管道之中。近10年以来，双马来酰亚胺树脂已被广泛用于军事飞机，尤其是第五代战斗机，例如洛克希德·马丁(Lockheed Martin)的F-22Raptor f-35与飞机。关于F-35飞机，其中35%的结构组件均是复合材料，其中约50%是由碳纤维/BMI所组成，包括上下机翼，进气罩，与发动机组件。目前F-35飞机的未履行订单总额已超过12个国家的2691架飞机，这将在未来几年内大力推动BMI树脂的需求。至于氰酸酯树脂， 具有良好的耐高温性能、介电性能好、热胀系数小、吸水率低、耐射线和高能辐射的能力强等优异的综合性能，使氰酸酯在航空航天复合材料中倍受人们的青睐，其应用愈来愈广泛。Lonza公司是全球领先的供应商，其Primaset品牌广泛用于导弹组件，卫星天线与其他太空应用。
图1：主要高温树脂的价格比较
资料来源Startview Research 与Industry Sources
环氧树脂基体具有工艺性能良好、综合力学性能好、成本低等优点，是目前应用最广的结构复合材料。国外先后发展了 977、M21 和 3900等系列 ,性能达到 第三代及以上水平, 抗冲击损伤能力强, 已作为航空 主承力和次承力结构件使用 。
在热塑性树脂中，聚苯(PPSU)，聚醚砜（PES），与聚醚酰亚胺(PEI)是主要的类别。其中PEI树脂在飞机内部的应用是首选。它具有出色的防火，防烟与防毒(PST)性能，与其他竞争性高温材料相比，它的成本更低。但是其用途仅限于室内。地板、地板型材、导轨组件、行李托架与飞机内部托架是高温热塑性树脂的关键应用。
航空航天
高温树脂用于军事与商用飞机发动机在复合材料工业中具有悠久的历史。航空航天与国防工业在全球高温复材树脂市场中占有最大份额。在复杂而高性能的航空航天领域，碳纤维/环氧树脂复合材料可在高达130 °C的长期使用温度下满足多种功能要求，并能承受高达204 °C的短时峰值，满足高性能发动机冷端部件对温度、质 量、强度、模量的要求，在风扇机匣及 包容环、风扇叶片、风扇帽罩、短舱和反推力装置等部件具有广泛应用。双马树脂材料的（长期）使用温度范围较宽，一般为130℃～260℃左右。广泛应用于航空和航天飞行器和发动机领域中的承力结构以及耐热结构等。
当今航天器，新型商用飞机与第五代军用战斗机的设计要求已将持续使用温度升高到316 °C至538 °C或更高的范围，一般而言，聚酰亚胺树脂（PI）在一级与二级复材结构件之使温度需达到350 °C。
聚酰亚胺树脂（PI）在航空航天中的关键应用包括发动机机舱，C型导管，压缩机整流罩，推力反向器，天线罩，导弹推进系统，排气系统零件，与绝缘材料等。通常，采用聚酰亚胺树脂（PI）预浸料铺层来制造复合材料零件。飞机上大多数结构部件，例如发动机机头，均暴露于极端高温与高速的恶劣环境中。组件的故障可能导致整个系统的灾难性故障，并导致许多人丧生。高温树脂通过提高其承受极端热量的能力来增强复材零件的性能。
图2：热塑性复合材料在航空航天领域应用
军用飞机是高温复材树脂的主要消费者。Lockheed Martin Dassault Aviation、Boeing、JSC Sukhoi 及HAL等各种原始设备制造商在各种发动机与机身复材部件中使用了高温树脂。Lockheed Martin公司的F-35飞机是最畅销的军用飞机，在其机身与发动机应用中大量使用了碳纤/BMI复合材料。该公司在2017年交付了66架F-35飞机，较之2016年增长了40%。预计到2023年，其生产率将提高到160架，将大幅提升高温复合材料的需求及增长率。
图3：全球F-35战机的交货量趋势与预估（架）
资料来源：Lockheed Martin及Startview Research
图4：全球商用飞机的交货量趋势与预估（架）
资料来源：Lockheed Martin及Startview Research
商用飞机也对高温复材高温树脂产生大量需求，例如，Harris公司使用碳纤/BMI复材结构制造了波音787发动机的VBV管道。
其他市场应用
尽管大多数需求是在航空航天业领域，但运输业是接受度提高的行业之一，主要是在发动机罩下的应用。由于有关燃油经济性与减少碳排放的严格规定，汽车工业高度重视以轻质复合材料零件代替金属零件来减轻重量。燃油效率标准导致发动机尺寸缩小，从而产生了对更轻，更紧凑的组件需求。非常紧密的空间使引擎盖下的许多部件更靠近发动机。引擎盖下应用中的新型动力总成与零件通常需要在200 °C以上的温度下连续运行。例如一级方程式(F1)之类的赛车在各种应用中也需要使用高温树脂，又如隔热罩，其在一定程度上也产生对高温复合树脂的需求。其他应用行业主要包括电气、电子以及石油与天然气。开关齿轮、断路器、连接器与外壳是电子/电气行业中可能使用高温树脂的关键复合材料应用。
北美洲和欧洲市场集中度高
北美是Lockheed Martin、Cessna、Gulfsteam、Boeing等公司主要OEM的所在地，对全球高温复材树脂的需求最大，美国占该地区90%以上的份额。Lockheed Martin公司在美国佛罗里达州开设了一家新的制造厂，以提升F-35飞机的生产率。欧洲第二大地区也有主要的OEM厂商，包括Dassault Aviation (达索航空)，BAE Systems，与Airbus Group (空客集团)，均推动了对高温复材树脂的需求。德国、法国、与英国是排名前三的国家，占欧洲需求近4/5。在未来几年中，亚太地区将产生蓬勃的需求，主要在中国与印度等地区会有一些重大发展。作为对F-35第五代战斗机的回应，中国还推出了成都J-20第五代战斗机，证实了对高温复合材料的需求。
印度也可能会有令人注目的增长，各种原始设备制造商在该国投资为其飞机项目建立制造基地。最近，在印度已经出现了OEM之间的合作伙伴关系。例如，SAAB Group与印度的Adani Group (阿达尼集团)签订了合资协议，在该国制造“狮惊”战斗机。HAL (印度斯坦航空有限公司)是印度主要的军用飞机原始设备制造商，在其Tejas或LCA专业计划中均采用高温复材树脂。
竞争性低的市场
该市场的特点是市场集中度高，前三名分别是: Solvay S.A.、Koninklijke TenCatenv及Hexcel，其市场份额超过60%。市场由少数专注于选择性高温树脂系统的公司组成。北美是高温复材树脂的制造中心，主要的树脂制造商，最终用途行业的OEM参与者与复材零件制造商都在这里。在三巨头中，Solvay S.A.与Koninklijke TenCate B.V均只立足于北美地区，其主要集中度均在选择性高温树脂系统上，例如，Lonza集团推出了一系列新的氰酸酯树脂——Primasetce-320，以满足汽车市场对短周期制程的需求，而Huntsman 公司提供一系统的环氧酚醛树脂树脂，与未经改性的固态环氧树脂相比，具有更好的耐热性与耐化学性。
未来的广泛应用
在目标应用中，高温树脂正在与诸如镍、钛、及其合金等金属竞争。高温树脂的高成本是大规模应用中的主要瓶颈之一。但是，随着发动机小型化与轻量化的持续趋势，他们将在高端行业的高性能应用中发现新的增长前景。未来加强创新，通过AFP/ATL工艺降低树脂成本与增加树脂使用率，将是提高市场占有的关键。
树脂基体是纤维增强复合材料中最薄弱、最先受到破坏的组分，对复合材料整体性能的发挥起着关键作用。我国在树脂基体方面仍存在各种问题和差距。因此，第六届碳纤维及碳/碳复合材料论坛特设高性能树脂主题，以期能更好的促进行业发展！
参考资料：强化塑料会讯，由carbontech翻译整理！
感谢中航复材乌云其其格研究员的审核与校对！